Producción Biotecnológica de Hidrógeno y Uso de Foto Bioreactores
Posted on 25 marzo, 2012 • Publicado en BIOREACTORES, BIOTECNOLOGÍA PRACTICA Y APLICADA, DISEÑO DE BIOPROCESOS • 11 comentarios






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Producción Biotecnológica de Hidrógeno y Uso de Foto Bioreactores
REINHARDT ACUÑA TORRES



Introducción



En anteriores artículos quedo demostrado que la producción de biocombustibles a partir de microalgas es la mejor alternativa ecológica frente a la producción de combustibles fósiles. A pesar del beneficio ecológico, siempre existe un porcentaje de emisiones de carbono (CO2) que no se recupera con el secuestro de carbono por parte de las microalgas. El hidrógeno es un gas combustible 100% ecológico (su combustión produce vapor de agua) que también puede ser producido biológicamente por diversos microrganismos y utilizando distintas vías metabólicas. Así entonces, la producción biológica de hidrógeno se realiza en diferentes bioreactores según sea el bioproceso metabólico realizado y el tipo de microrganismo utilizado.



Producción Biológica de Hidrógeno (Biohidrógeno)



Existen cuatro bioprocesos metabólicos por los que puede producirse biológicamente el hidrógeno:


Biofotólisis del agua (Directa e Indirecta)
Fotofermentación
Water-shift reaction biológica
Fermentación oscura



Tabla 1. Reacciones generales implicadas en la producción de bio-hidrógeno



Proceso

Reacción General

Microrganismo


Biofotólisis Directa: Fase Luminosa

2H2O + luz → 2H2 + O2

Microalgas, Cianobacterias


Fotofermentación

CH3COOH + 2H2O + luz →4H2CO2+2

Bacterias Púrpuras, Microalgas


Biofotólisis Indirecta: Reacciones de la Fase Oscura (a,b,c)

(a) 6H 2O + 6CO2 + luz →C6H12O6 + 6O2
(b) C6H12O6 + 2H2O → 4H2 +2CH3COOH + 2CO2
(c) 2CH3COOH + 4H2O + luz →8H2 + 4CO2

Microalgas, Cianobacterias


En general la reacción: 12H2O + luz→ 12H2 + 6O 2


Water-Shift Reaction

CO + H2O → CO2 + H 2

Microrganismos fermentativos, bacterias fotosintéticas


Fermentación Oscura en Dos Fases:

H2 + CH4

(a) C6 H12O6 + 2H2O → 4H2 +2CH3COOH + 2CO2
(b) 2CH3COOH = 2CH4 + 2CO 2

Microrganismos fermentativos, bacterias metanogénicas


Fermentación Oscura de alto rendimiento

C6 H12O6 + 6H2O → 12H2 + 6CO2

Microrganismos fermentativos




Enzimas Hidrogenasa y Nitrogenasa

Todos los bioprocesos metabólicos de la biofotólisis están controlados por enzimas que producen hidrógeno; de cuales existen dos tipos: hidrogenasa y nitrogenasa.

Las hidrogenasas existen en la mayoría de los microrganismos fotosintéticos y se clasifican en dos categorías:

1. Hidrogenasas de captación o irreversibles

2. Hidrogenasas reversibles.






Producción de Hidrógeno mediada por la Hidrogenasa


Las hidrogenasas de captación actúan únicamente como catalizadores para el consumo de hidrógeno; por eso son irreversibles. Las hidrogenasas reversibles como su nombre lo indica, tienen la capacidad tanto de producir hidrógeno como de consumirlo, en función de lascondiciones de reacción y de iluminación.

La hidrogenasa reversible es la enzima responsable de la producción de hidrógeno, catalizada por la siguiente reacción:

2H + + 2Xred ↔ 6H2 + 2Xoxd El portador de electrones (X) usualmente es la ferredoxina (Fd) esta sereduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de la biofotólisis.






Producción de Hidrógeno mediada por la Nitrogenasa


Las nitrogenasas son responsables de la fijación del nitrógeno, se distribuyen principalmente entre los procariotas (incluyendo cianobacterias) y no se producen en las células eucariotas (bajo las cuales se clasifican microalgas). El nitrógeno molecular se reduce a amoniaco por el consumo de poder reductor (mediado por ferredoxina) y ATP. La reacción es sustancialmente irreversible yproduce amoníaco:

N2 + ​​6H1+ + 6e- 2HN3

12ATP 12 (ADP + Pi)

Luego, en una reacción secundaria la nitrogenasa cataliza la reducción de protones en la ausencia de nitrógeno

2H+ + 2e- H2






Esquema del mecanismo fotosintético que genera poder reductor (NADPH) y ATP para la posterior fijación de CO2


4ATP 4 (ADP + Pi), atmósfera de argón.

La nitrogenasa es extremadamente lábil en presencia de oxígeno gaseoso; a diferencia de, la hidrogenasa, que lo produce. Sin embargo, las cianobacterias han desarrollado mecanismos de protección de nitrogenasa del gas oxígeno. Otros factores son: el alto suministro de energía ATP dependiente y la reducción de potencia. Para contrarrestar todas estas deficiencias los microrganismos han desarrollado diferentes mecanismos; el mecanismo más exitoso es la localización de la nitrogenasa en los heterocistos de las cianobacterias filamentosas; durante lafotosíntesis oxigénica, los compuestos orgánicos producidos por la reducción del CO2, se transfieren a los heterocistos y se descomponen para proporcionar nitrogenasa con la reducción de potencia (se genera poder reductor); el ATP es proporcionado por la PSI-dependiente dentro de heterocistos en la fotosíntesis anoxigénica.



Biofotólisis del Agua






Esquema de la Biofotólisis




La biofotólisis es la foto disociación del agua por microrganismos vivos; es decir, la disociación de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar y microrganismos fotosintéticos(microalgas verdes y cianobacterias); la reacción global es: H2O + 2H+ —> H2 + 1/2(O2) + 2H+; G° = 238 kJ/mol. Los microrganismos capturan la energía de la luz a través de sus clorofilas ypigmentos fotosintéticos. Estos últimos, son los encargados de absorber los fotones (partículas de luz) y generar el poder oxidante (gradiente de protones) capaz de descomponer el agua enprotones (H+) y electrones (e-) y oxígeno gaseoso (O2) en el proceso iluminado de biofotólisis directa.

Los electrones producidos generan un gradiente que favorece la reducción de la ferredoxina (Fd) y de otros intermediarios energéticos en la fotosíntesis. Ese poder reductor es utilizado parareducir el CO2 hasta la formación de carbohidratos (almidón en microalgas y glicógeno en cianobacterias) y lípidos (usados para crecimiento celular y como reserva energética y de sustrato); como parte del metabolismo celular de los microrganismos. A partir de estos sustratos metabólicos (metabolitos) los diferentes microrganismos pueden producir hidrógeno (H2) porbiofotólisis indirecta.

Los microrganismos generan hidrógeno por dos razones:

1. Para eliminar el exceso de equivalentes reducidos,

2. Como bioproducto de la fijación del nitrógeno.

La producción de H2 mediante biofotólisis (directa o indirecta) depende de la presencia o ausencia de luz. La biofotólisis directa se lleva a cabo bajo una radiación luminosa; en tanto que la indirecta, en la oscuridad.




Esquema de la Biofotólisis Directa




Biofotólisis Directa

En la biofotólisis directa se eleva el nivel energético de los electrones del agua y enseguida ocurre de manera simultánea, la desintegración del líquido y la transferencia de electrones a la Fd, produciéndose de manera continua H2; no obstante, este no es utilizable como fuente de hidrógeno, ya que, sirve como almacén de una parte de la energía proveniente de la luz. Lascianobacterias filamentosas utilizan la enzima nitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzima hidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso. Se generan 2 moles de H2 por cada mol de O2 liberado, siendo lasmicroalgas unicelulares las mejores productoras de H2 por esta vía (Brentner et al., 2010).



Biofotólisis Indirecta

Bajo condiciones especiales de oscuridad y ausencia de oxígeno (anoxigenia) la ferredoxina puede ser utilizada por las enzimas hidrogenasa y/o nitrogenasa para reducir protones y generar hidrógeno molecular: 2H+ + 2〖Fd〗- ↔ H2 + 2Fd. La biofotólisis indirecta consiste en la primera etapa de fotosíntesis útil para la acumulación de carbohidratos; los cuales son utilizados en unasegunda etapa de fermentación oscura; en la que, se produce hidrógeno, a partir de estos (carbohidratos).

Producción de Hidrógeno por Biofotólisis Indirecta






Esquema del mecanismo de producción de bio-hidrógeno de la cianobacteria Cyanothece 51142 por medio de energía solar y CO2 atmosférico. El CO2 se fija durante el día para sintetizar glucógeno que sirve como una reserva de energía y la fuente de electrones para la producción de H2 por la noche.


Una cepa de un microrganismo marino de fijación de nitrógeno Cyanothece 51142 ha demostrado ser la forma más eficiente de producción de bio-hidrógeno hasta la fecha. Cyanothece 51142 escapaz de producir hidrógeno aeróbicamente ya que, controla sus procesos metabólicos por un reloj circadiano interno. Fotosintetiza durante el día y almacena carbono (CO2) como glucógeno; pero por la noche, realiza la fijación de nitrógeno mediante el glucógeno obtenido como fuente de energía y utilizando la nitrogenasa para convertir N2 a NH3 con H2 como subproducto. Aun cuando, el oxígeno esté presente, las altas tasas de respiración de Cyanothece son capaces de crear un ambiente anaerobio dentro de las células que permiten a la nitrogenasa poder funcionar. Biotecnológicamente se ha encontrado que para optimizar la producción de hidrógeno, las cianobacterias producen más si se cultivan en presencia de fuentes de carbono adicionales; siendo el glicerol, la más efectiva; con la enorme ventaja de que también es un producto de desecho de la producción industrial de biodiésel.

Mecanismos Combinados






Esquema de producción combinada de hidrógeno Alga: Bacteria Fotosintética







Mecanismos Combinados de Biofotólisis


Como parte de su esquema evolutivo y adaptativo, los micro-organismos generan el H2 y el O2 de manera separada y utilizando diferentes espacios y distintos tiempos. La finalidad es proteger las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa de la acción del oxígeno; sobretodo la enzima hidrogenasa que es sumamente sensible a ese gas. Las cianobacterias y microalgas unicelulares utilizan ciclos de luz-oscuridad para proteger a las hidrogenasas reversibles; mientras que, las cianobacterias filamentosas, dado que son fijadoras de nitrógeno, poseen células especializadas (heterocistos) que son impermeables al O2 y que protegen a las nitrogenasas. Teniendo en cuenta que las microalgas son capaces de generar hidrógeno, produciendo ácidos orgánicos mientras que, las bacterias fotosintéticas, necesitan dichos ácidos orgánicos para la síntesis de hidrógeno; entonces, resulta lógico combinar ambos procesos de tal forma que, las microalgas generan hidrógeno y ácidos orgánicos o alcoholes de forma anaerobia, en la oscuridad, a partir de la materia orgánica presente ; de forma que, las bacterias fotosintéticas puedan emplear dichos compuestos orgánicos, para generar hidrógeno en condiciones de iluminación anaerobia. En este sentido, se debe implementar un sistema en dos fases. La Tabla 2 muestra un esquema general de las reacciones bioquímicas involucradas en la producción de H2 mediante estos mecanismos.



Tabla 2. Mecanismos de producción de bio-hidrógeno









Biofotólisis y Bioprocesos

A pesar de la alta eficiencia de conversión del sustrato y la elevada pureza del H2 producido (99.5%) mediante biofotólisis (Brentner et al., 2010) es necesario mejorar los rendimientos de productividad de los bioprocesos fotoquímicos, principalmente debido a la baja eficiencia fotoquímica que presentan la mayoría de los microrganismos fotosintéticos, en relación a la biofotólisis y la producción fotoquímica de hidrógeno. El problema se ha resuelto parcialmente diseñando fotobioreactores que permitan la adecuada penetración de la luz y la transferencia de energía entre las células y hacia los sistemas fotosintéticos relacionados.



También se investiga el uso de cepas mutantes de microalgas y cianobacterias; o el desarrollo de cepas transgénicas, a las cuales, por ingeniería genética, se les ha inhibido el funcionamiento de los complejos cosechadores de luz con la finalidad de mejorar el rendimiento del quantum fotosintético.

Con ingeniería metabólica se han diseñado cepas de cianobacterias deficientes de los genes que codifican para la hidrogenasa de respuesta, y con la capacidad aumentada de almacenaje de glicógeno (Brentner et al., 2010; Yu y Takahashi, 2007).










Diagrama propuesto para la generación de biohidrógeno por fotobioreactores de dos etapas.


Además, la sensibilidad de las hidrogenasas de microalgas al O2, se ha disminuido utilizandofotobioreactores de dos etapas:

1) Etapa 1 Aeróbica: en la primera etapa se produce la biomasa y se fotosintetiza (lumínica)

2) Etapa 2 Anaeróbica: en la segunda se produce H2; ésta se realiza en la oscuridad, al mismo tiempo que se mantiene con privación de azufre, lo que inhibe la producción de oxígeno.







Diseño del Bioproceso de Biofotólisis Indirecta

A nivel conceptual el diseño del bioproceso para la producción de biohidrógeno debe tomar en cuenta las siguientes operaciones:

1. Crecimiento de las microalgas o de las bacterias fotosintéticas

2. Concentración celular

3. Inducción de la hidrogenasa o la nitrogenasa

4. Control y Regulación del Fotoperiodo

5. Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor

6. Operación Continua





1. Crecimiento de las microalgas o de las bacterias fotosintéticas



El crecimiento de la biomasa (microalgas o bacterias fotosintéticas) consiste en cultivar las microalgas o las bacterias fotosintéticas en estanques abiertos o lagunas y suministrarles los adecuados y requeridos nutrimientos para que se realice el proceso natural de fotosíntesis. Laecuación cinética de crecimiento de los microrganismos bacterianos, se rige mediante unareacción autocatalítica (reacción de primer orden): Donde: X = concentración de biomasa, kg/m3; t = tiempo, h; µ = tasa específica de crecimiento, h-1. La tasa específica de crecimiento puede ser modelada según el Modelo Conjunto de Primer Orden y Orden Cero(Cinética de Blackman): µ = KII Donde: µ = µmax; cuando I>Is e I<Is, respectivamente. Recordando que la hidrogenasa es inhibida en presencia de oxígeno, el Modelo Hiperbólico Rectangular(similar al modelo de Monod y de Michaelis-Menten) es el que debe aplicarse para cinética enzimática: Donde: µ = tasa específica de crecimiento, h-1; µ max = tasa específica máxima de crecimiento, h-1; I = intensidad de la luz, W/m2; KI = coeficiente de saturación (modelo Monod) para la intensidad de luz, W/m2. Alternativamente se puede aplicar el Modelo de Bannister: Donde µ es un factor de corrección empírico para el modelo. O elModelo de Aiba: Donde Ki corresponde a una constante de inhibición, m2/W. El modelo de Aiba es el modelo más utilizado por simplicidad y adecuada descripción del comportamiento cinético de los microrganismos fotosintéticos; corresponde a un modelo tipo Monod, y puede ser fácilmente corregido para incorporar el efecto de inhibición mostrado por los cultivos frente a altas intensidades de luz. Para efectos de estudio, se ha considerado como ejemplo práctico una cinética de crecimiento tipo Monod, en que el sustrato limitante corresponde a la intensidad de la luz y para el que el coeficiente de saturación KI y la tasa máxima de crecimiento específico, puede ser obtenidos gráficamente, utilizando los datos reportados por Janssen et al. (2000) que son presentados en la Figura 1.



Figura 1 Tasa de crecimiento específico (µ) de Chlamydomonas reindhardtii como función de iluminación continua de distintas densidades de flujo de fotones (PFDs)

A partir del gráfico presentado puede obtenerse: Chlamydomonas reindhardtii, al igual que la mayoría de los microrganismos fotosintéticos, responde a la luz de acuerdo a la ecuación: I(d) = Io exp(-eXd) que describe la absorción de una luz incidente de intensidad I0 a una profundidad d en el reactor. Donde: I(d) = intensidad de la luz absorbida a una profundidad d, W/m2; I0 = intensidad de luz incidente, W/m2; e = coeficiente de extinción, m2/kg; X = concentración de la biomasa, kg/m3; d = profundidad, m. Estrictamente, esta relación es válida sólo para luz monocromática; pero puede ser utilizada para luz policromática, si se corrige el coeficiente de extinción (al considerar su dependencia con la longitud de onda).



Relaciones con la Luz

Cuando la luz pasa a través de un cultivo denso, la intensidad de luz absorbida decae rápidamente conforme aumenta la profundidad del foto-bioreactor; a nivel de superficie, la intensidad de luz absorbida debería ser igual al de la luz incidente; sin embargo, gracias a su aparato fotosintético, los microrganismos fotosintéticos son capaces de utilizar un máximo de luz incidente(denominado intensidad de saturación Is), mediante el uso de mecanismos especializados en susfotosistemas. Es = Ecuación de Bush corresponde a una razón corregida entre la luz aprovechada por el aparato fotosintético de las microalgas (Is) y la luz incidente (I0). Si la intensidad de luz incidente es mayor que la intensidad de saturación, la diferencia de energía se pierde como calor y el proceso disminuye la eficiencia.



2. Concentración Celular

Dado el gran volumen de líquido contenido en el cultivo celular y el microscópico tamaño de los microrganismos, es necesario concentrar la biomasa (separación líquido-sólido), a fin de evitar el sobredimensionamiento de los equipos en las etapas siguientes del proceso. La concentración de diseño del bioreactor debe ser óptima, de forma que permita una alta tasa de producción de biohidrógeno y un tamaño adecuado de los equipos (costo operacional versus costo de equipos). Si bien esta concentración no está especificada en la literatura, de acuerdo a Benneman (1998) debe ser entre 30-45 kg/m3. No obstante, estudios más recientes apoyan que se pueden obtener concentraciones 50 kg/m3 y mayores (hasta 50 kg/m3), manejando adecuadamente las condiciones de crecimiento y ambientales del cultivo microrganismos.






Fases de Crecimiento de Microalgas Fotosintéticas







Microalgas Fotosintéticas en Diferentes Fases de Crecimiento








3. Inducción de la Hidrogenasa y la Nitrogenasa

Una vez concentrada la biomasa, deben inducirse los mecanismos para que los microrganismos produzcan biohidrógeno por biofotólisis indirecta, mediante la activación de las enzimas hidrogenasa y nitrogenasa.

Inducción de la Hidrogenasa: la inducción de la hidrogenasa pasa por dos etapas; a saber:

Etapa Luminosa: de fotosíntesis, en donde se acumulan carbohidratos que se utilizarán en;

Etapa Oscura: o de fermentación oscura, en donde el cultivo debe ser sometido a condiciones de anaerobiosis y de oscuridad, que inducen la síntesis y actividad de la hidrogenasa.






Producción de Hidrógeno mediada por la Hidrogenasa


El biohidrógeno es producido por la hidrogenasa en la etapa luminosa, mediante la siguiente reacción: 2H + + 2Xred ↔ 6H2 + 2Xoxd el portador de electrones (X) usualmente es la ferredoxina(Fd); ésta se reduce con el agua como donador de electrones por la reacción fotoquímica de labiofotólisis.

Inducción de la Nitrogenasa: la inducción de la nitrogenasa, también pasa por dos etapas:Luminosa y Fermentación Oscura; la diferencia estriba en que la nitrogenasa es extremadamente lábil en presencia de oxígeno gaseoso; a diferencia de la hidrogenasa que lo produce; es por eso que la fermentación oscura con la nitrogenasa, debe darse en condiciones estrictamente anoxigénicas y sin presencia de nitrógeno; esto es, en una atmósfera de argón.

Etapa Luminosa: en la etapa luminosa se el nitrógeno molecular se reduce a amoniaco por el consumo de poder reductor (mediado por ferredoxina) y ATP. La reacción es sustancialmenteirreversible y produce amoníaco:

N2 + ​​6H1+ + 6e- 2HN3

12ATP 12 (ADP + Pi)






Producción de Hidrógeno mediada por la Nitrogenasa


Etapa Oscura: en una reacción secundaria la nitrogenasa cataliza la reducción de protones en la ausencia de nitrógeno

2H+ + 2e- H2

4ATP 4 (ADP + Pi) Eso es, en una atmósfera de argón.



4. Control y Regulación del Fotoperiodo

El fotoperiodo es el tiempo de exposición a los ciclos de luz/oscuridad a los que son sometidos los microrganismos fotosintéticos durante su cultivo. El control y regulación del fotoperiodo es de especial importancia para optimizar la producción de biohidrógeno ya que, como vimos, la biofotólisis se realiza en dos etapas: una iluminada donde se producen carbohidratos y una oscura donde se genera el hidrógeno. Para optimizar la producción de biohidrógeno es necesario determinar cual es el fotoperiodo óptimo; el cual varía según la especie de microrganismo.

Por ejemplo, para determinar el fotoperiodo optimo para la producción de hidrógeno por Chlorella vulgaris; se expuso el cultivo a cuatro patrones de luz diferentes: en la oscuridad durante 72 horas, en la oscuridad durante 24 horas antes de ser expuesto a la luz (intensidad de 120 μ mole/m2/s) durante 72 horas, expuestos a la luz durante 72 horas, y expuestos a la luz durante 24 horas antes de ser sometida a la oscuridad durante 48 horas. La última condición fue la que mostró la mayorproducción de hidrógeno total (530 ± 5 ml/l de medio) y una tasa de liberación de hidrógeno máxima (34,8 ml/h/l). Además, los cultivos de células se inmovilizaron, el medio fue privado de azufre y se purgó con N2. El crecimiento durante 72 horas bajo condiciones de luz parcial fue esencial para que la producción de hidrógeno fuera continua y más enérgica. La adición de glucosa al medio azufre-deficiente, aumento de la producción de hidrógeno por 18 veces, bajo condiciones de luz parcial. Como conclusiones: para aumentar la productividad de hidrógeno es necesario:
Determinar el fotoperiodo óptimo;
Operar bajo condiciones de luz parcial;
Un medio de cultivo líquido azufre-deficiente;
Añadir una fuente de carbono alternativa.



5. Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor

El dimensionamiento del bioreactor se efectúa de acuerdo a las siguientes relaciones: Donde: t = tiempo de residencia característico para las microalgas, h; t * = tiempo de residencia en el foto bioreactor, h; V = volumen del foto bioreactor, m3; V* = volumen del foto bioreactor para la nueva situación, m3; F = caudal a tratar, m3/h. El tiempo de residencia t determina la tasa específica de producción de hidrógeno mediante las siguientes relaciones: Donde: t = tiempo de residencia; P = producto (H2); qp = tasa específica de producción de hidrógeno; X = biomasa. La producción de hidrógeno por biofotólisis indirecta como indica la ecuación (2) es un compromiso entre la concentración celular X y la capacidad biosintética de la misma (qp). El concepto que resume ambos aspectos es el deproductividad; esto es, la cantidad de producto obtenido dividido el tiempo necesario para obtenerlo. La productividad puede ser mejorada aumentando X, qp o ambos; pero un gran aumento de X causa una disminución de qp; por lo que, es necesario, encontrar una solución de compromiso para lograr la máxima productividad.



La Producción de Biohidrógeno en Foto Bioreactor debe transitar por los siguientes 4 pasos:







6. Operación continua

Una planta biotecnológica para producir hidrógeno (basada en el proceso de biofotólisis indirecta) requiere de un modelo de operación continua como el que se muestra en el diagrama. Eldimensionamiento de los equipos asociados a las principales operaciones; así como, el de cualquier otro equipo, se sustenta en la realización de los respectivos balances de masa y energía.En base a estas consideraciones los balances de materia para X, S y P son: En estado estacionario las concentraciones dentro del bioreactor permanecerán constantes en el tiempo, lo que significa igualar a cero las ecuaciones. De la primera y teniendo en cuenta que rX = µx, resulta: donde D es la velocidad de dilución. Larelación F/V se denomina velocidad de dilución (D) y como se observa tiene como unidad larecíproca de tiempo (1/t). Así, la velocidad de dilución es el inverso del tiempo promedio de residencia (t) y es igual al número de veces que una cantidad de mezcla de reacción (X) equivalente al volumen del reactor (V) pasa a través del recipiente de reacción por unidad de tiempo. En estado estacionario (EE) las derivadas con respecto al tiempo son iguales a cero y la ecuación para la concentración celular tiene la solución:





Formación de Producto:

En estado estacionario, la 3° ecuación se reduce a: O bien a: Donde P representa la concentración de producto en estado estacionario. Dependiendo de como sea la cinética de formación del producto será la forma de la curva P vs. D.






Efecto de la tasa de dilución en la producción de biomasa de Kluyveromyces marxianus.


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DISEÑO DE REACTORES TUBULARES PARA LA ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN DE COMPUESTOS BIOACTIVOS DENTRO DE LECHOS EMPACADOS, ENFOQUE TEÓRICO-PRÁCTICO
Posted on 12 marzo, 2012 • Publicado en BIOTECNOLOGÍA PRACTICA Y APLICADA • Deja un comentario






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DISEÑO DE REACTORES TUBULARES PARA LA ABSORCIÓN Y ADSORCIÓN DE COMPUESTOS BIOACTIVOS DENTRO DE LECHOS EMPACADOS, ENFOQUE TEÓRICO-PRÁCTICO
Reinhardt Acuña Torres





Introducción

Existe un área en el diseño de bioreactores que está en el limbo entre los reactores químicos y los biológicos. Se trata del diseño de reactores o bioreactores (pueden ser ambos) para la absorción (separación) y adsorción (atracción) de compuestos bioactivos (biocompuestos) obtenidos de extractos vegetales crudos.

El bioreactor puede ser:

1. Un híbrido entre un reactor tubular tipo flujo pistón (RFP) y una columna cromatográfica de absorción.

2. Un híbrido entre un reactor tubular tipo lecho empacado (RLEP) y una columna cromatográfica de afinidad.

El propósito de utilización del bioreactor es separar los diferentes componentes activos de una mezcla de extractos crudos de origen vegetal en sus componentes individuales o metabolitos (secundarios) para su posterior purificación y/o procesamiento.

El proceso de separación es físico-químico:

1. Por adsorción química; utilizando el método de afinidad molecular o iónica, en una columna cromatográfica de afinidad.

2. Por absorción química; utilizando el método de exclusión molecular por gradiente de elución, en una columna cromatográfica de absorción.



Análisis Dimensional y Similitud Hidrodinámica:

El análisis dimensional tiene como propósito práctico la creación de modelos reducidos para su estudio y consideración sobre la influencia de posibles cambios en el modelo. Su aplicación se basa en formulación de una expresión adimensional de dos variedades observables para lograr una similitud: espacial, volumétrica, de fuerza,…, en este caso, hidrodinámica.

1. Para el modelo por adsorción química; utilizando el método de afinidad molecular o iónica, en una columna cromatográfica de afinidad; el análisis dimensional permite utilizar una columna cromatográfica de afinidad como modelo de similitud entre dos comparables: la columna cromatográfica y una asociación reactores de flujo pistón en serie; basándose en el Criterio de suma: tres observables (A1), (A2) y (A3) son comparables con otro observable (A0), mediante las relaciones: A1/A0 = n1, A2/A0 = n2, A3/A0 = n3, si se cumple que, n1+n2 = n3



2. Para el modelo por absorción química utilizando el método de exclusión molecular porgradiente de elución; el análisis dimensional permite utilizar una columna cromatográfica de absorción como modelo de similitud entre dos comparables: la columna cromatográfica y unreactor de flujo pistón; basándose en el Criterio de igualdad: un observable (A) es igual a otro (B), si ocurre: A/B = n; con n=1.



El Flujo Pistón

Recordemos que, el flujo de pistón es un modelo simple de perfil de velocidades de un fluido que fluye dentro de una tubería . En el flujo de pistón, la velocidad del fluido se supone que es constante a través de cualquier sección transversal del tubo perpendicular al eje de la tubería. El modelo de flujo de pistón asume que no hay capa límite adyacente a la pared interna de la tubería. Para el diseño de reactores químicos de tipo flujo pistón se deben hacer las siguientes consideraciones: esencialmente no hay mezcla; se asume que los “tapones” de fluido pasan a través del reactor en dirección axial; la solución para calcular las ecuaciones diferenciales depende siempre de las condiciones de contorno conocidas, eso da lugar a que deban ser integradas para encontrar la conversión del reactor y la temperatura de salida; otras simplificaciones utilizadas son: flujo axial perfecto y una mezcla homogénea en la estructura de la cama (lecho).



El Reactor Discontinuo de Flujo Pistón (PFR)

El líquido que fluye y pasa a través de un Reactor de Flujo Pistón o PFR (por sus siglas en ingles) puede ser modelado como una serie de “tapones” o láminas cilíndricas infinitamente delgadas; cada una de ellas, con una composición química uniforme; queviajan en la dirección axial del reactor; no obstante, cada tapón tiene una composición diferente a la de los anteriores y a los que le siguen. Otra suposición clave es que, a medida que fluyen las láminas a través del reactor, cada tapón es perfectamente mezclado en la dirección radial; pero no, en la dirección axial (hacia adelante o hacia atrás); es lo que se conoce como mezcla perfecta. De esta forma, cada módulo de volumen diferencial se plantea como una entidad separada con una eficacia infinitesimal de reactor discontinuo cuyo límite tiende a volumen cero. Eso significa que el tiempo de residencia (τ) de cada tapón es función exclusiva de su posición dentro delreactor. En un PFR ideal, la distribución del tiempo de residencia es una función delta de Diraccon un valor igual a τ.

Modelado de un Reactor Discontinuo de Flujo Pistón (PFR)



El balance de materia debe ser aplicado al diferencial de volumen:

Entrada – Salida = Acumulación – Consumo

FA – (FA + dFA) – (-rA) dV = 0 Operando se obtiene:

- dFA = (-rA) dV Por definición, la conversión para reactores de flujo es:

Por lo que, Y





Sustituyendo: Integrando:

Resolviendo:



La ecuación de diseño para un reactor de flujo pistón.

La ecuación del tiempo de residencia τ de un PFR.



La ecuación del tiempo de residencia τ de un PFR cuando la densidad es constante (CAO).



Calculo de la Concentración del Componente A (C(A))

Balance General de Materia: [Acumulación] = [Entrada] – [Salida] – [Producción]

Balance Individual Materia para el Componente i: Fi ( x ) - Fi ( x + d x ) + At dx ν i r = 0.

Donde F i (x) es la concentración molar de la especie i en la posición x, At es el área de la sección transversal del reactor tubular, dx el espesor diferencial del tapón de líquido y νi es el coeficiente estequiométrico.

Modelado de un Reactor de Flujo Pistón por Similitud Hidrodinámica con una Columna de Adsorción Química Utilizando el Método de Afinidad Molecular o Intercambio Iónico

La Cromatografía de Afinidad permite la separación de mezclas proteicas por su afinidad o capacidad de unión a un determinado ligando. En este caso, las proteínas que se retienen en la columna son aquellas que se unen específicamente a un ligando que previamente se ha unido covalentemente a la matriz de la columna. Después de que las proteínas que no se unen al ligando son lavadas o eluidas a través de la columna, la proteína de interés que ha quedado retenida en la columna se eluye o libera mediante el empleo de una solución que contiene bien ligando libre u otro compuesto que rompa la interacción entre el ligando y la proteína.



Ligandos de afinidad



Son las moléculas que se anclan químicamente al soporte sólido inerte y las responsables de la adsorción específica de los solutos-analitos. Se clasifican según su:

Naturaleza: macromolecular o de bajo peso molecular.

Actuación: basada en la selectividad de la retención que condiciona las características de la cromatografía de afinidad.

Se distinguen dos grupos:

Ligandos específicos: que como los anticuerpos que se enlazan reversiblemente a un solo soluto.

Ligandos generales: que se enlazan a un determinado grupo de compuestos bioquímicos como las lectinas o nucleótidos.

Cromatografía de Intercambio Iónico



En la cromatografía de intercambio iónico la Fase Estacionaria es una resina de intercambio iónico; por lo que, se realiza sobre matrices que tienen una carga neta: carga negativa para elintercambio de cationes y carga positiva para el intercambio de aniones. La carga de la matriz de la columna; así como, la carga de la muestra dependerá del pH del solvente y de su fuerza iónica (proporcional a la concentración de iones). La Fase Móvil es generalmente una solución amortiguadora de pH.



La cromatografía de intercambio iónico se usa generalmente en la separación de moléculas grandes (proteínas y ácidos nucleicos). Cuando las separaciones exigen condiciones químicas fuertes se emplean intercambiadores iónicos inorgánicos.



Reactor de Flujo Pistón Isotérmico

Un reactor de flujo pistón isotérmico es aquel en que la temperatura no varía con la posición en el reactor; ésta puede variar con el tiempo por tratarse de un flujo pistón en estado estacionario, pero debe permanecer constante para cualquier posición, a lo largo de todo el reactor. En condición isotérmica, la velocidad de reacción será sólo función de la conversión (o de la concentración) del componente A: Si suponemos que la densidad es constante podemos utilizar como ecuación de diseño:

La integral se puede resolver de manera analítica, gráfica o numéricamente.

Un reactor de flujo pistón isotérmico puede ser modelado como una columna cromatográfica de adsorción, por el criterio de suma, utilizando el respectivo análisis dimensional.



En el caso del diseño de adsorción, el bioreactor se comporta como una columna cromatográfica de afinidad en donde:



· Químicamente el bioreactor se comporta como un reactor enzimático,

· La enzima equivale al biocompuesto o componente activo que se desea extraer.

Para determinar la ecuación de diseño debe encontrar:

· La cantidad de enzima (biocompuesto),

· El volumen de reactor necesario y

· El tiempo requerido para la formación (adsorción) de la cantidad de producto requerido.

En un proceso enzimático la determinación cinética de la velocidad se realiza a partir del valor deKm y Vmax de la enzima (biocompuesto) inmovilizada. Dado que la cinética varía según el bioproceso que se vaya a desarrollar; para efectos prácticos y de modelado se asume que la cinética es de primer orden; con lo que: = concentración de producto. Asumiendo que la estequiometria de la reacción es 1:1 obtenemos: = ecuación cinética de la velocidad.

La ecuación de diseño y por lo tanto el tiempo de residencia (t) están en función de la concentración relativa del substrato limitante de la velocidad (S)

= ecuación de diseño un bioreactor enzimático discontinuo.







Modelado de una Asociación de Reactores de Flujo Pistón en Serie por Similitud Hidrodinámica con una Columna de Absorción Química Utilizando el Método de Exclusión Molecular

La cromatografía de exclusión molecular es una cromatografía que separa las moléculas en solución por su tamaño; no por su peso molecular; generalmente se aplica a grandes moléculas o complejos macromoleculares como proteínas y polímeros; pero variando las condiciones del substrato o gel, se puede aplicar a diversos compuestos orgánicos; siempre y cuando, la mezcla permita el fraccionamiento.

En general.

ü La cromatografía de exclusión molecular o de filtración en gel, separa las muestras en base a su tamaño.

ü La matriz de la columna esta formada por un polímero entrecruzado con poros de tamaños determinados.

ü Las muestras de mayor tamaño migran a lo largo de la columna con mayor velocidad que las de tamaño pequeño.

ü Las muestras de menor tamaño, entran en los poros y se mueven a lo largo de la columna lentamente porque tienen que atravesar los laberintos que se encuentran en el interior de las bolas de polímero en su marcha a lo largo de la columna.

Características de las matrices



ü Deben ser estables.

ü Tener bajo contenido en grupos iónicos.

ü Uniformidad de poro y tamaño.

Los compuestos utilizados pueden ser derivados de:

· Dextranos (Sephadex)

· Agarosa (Sepharosa)

· Acrilamidas (Biogel P)

· Esferas de vidrio (sílice)

Cuando se utiliza una solución acuosa para el transporte de la muestra a través de la columna, la técnica es conocida como cromatografía de filtración en gel, para distinguirla de la cromatografía de permeación en gel que se utiliza cuando un disolvente orgánico se usa como fase móvil. Así entonces, la principal aplicación de la cromatografía de filtración en gel es el fraccionamiento de las proteínas y otros polímeros solubles en agua.

Una columna cromatográfica de absorción puede ser modelada como una asociación de reactores de flujo pistón isotérmicos en serie, por el criterio de igualdad, utilizando el respectivo análisis dimensional.





Asociación de Reactores de Flujo Pistón en Serie

El volumen total de una batería de reactores de flujo pistón en serie se comportan como un único reactor de flujo pistón de volumen igual al volumen total de los reactores. Por lo tanto, considerando N reactores tubulares conectados en serie donde las conversiones a la salida de cada reactor son …. Para el componente A.



Analizando el i-ésimo reactor, la ecuación de diseño es: Si es constante en todos los reactores, para N reactores en serie tenemos:

La ecuación de diseño para una asociación de reactores de flujo pistón en serie.

Nota: ф = flujo molar del componente A.

En el caso del diseño de absorción, el bioreactor se comporta como una columna cromatográfica de absorción en donde:

ü El flujo es descendente,

ü El fraccionamiento se basa en la difusión diferencial de las moléculas en los poros del gel,

ü Las moléculas eluyen de la columna en orden decreciente de peso molecular,

ü Las moléculas también eluirán de la columna según su radio de Stokes (aproximación de la esfericidad de la molécula).

Para determinar el peso molecular en proteínas se utiliza el índice de Kovacks: Kd = Ve – Vz / VpDonde Kd = índice de Kovacks; Ve = volumen de elución de la proteína problema; Vz = volumen intersticial; Vp = volumen del poro. Obviamente, en índice de Kovacks se desarrolló para proteínas; pero la formula es valida para cualquier componente bioactivo; sea proteína o no. El volumen intersticial lo determina la matriz formada por la molécula de alto peso molecular utilizada para crear el lecho sólido que inmovilizará a los componentes activos. Existen en el mercado compuestos cuyas matrices desarrollan volúmenes intersticiales predeterminados; por ejemplo, Sephadex es un gel que forma perlas de un polímero polisacárido con diferentes tamaños de poro: G-10, G-25, G-50, G-75, G-100 y G-200; la notación indica el tamaño de poro. Para lograr mayor resolución se utilizan matrices con propiedades de flujo superiores y/o con resistencia a la presión. Eso se logra creando matrices de composición mixta y mejorando la estructura de las perlas; como ejemplos están: Sepharose (polisacárido), Sephacryl (polímero de polisacárido y bis-acrilamida), Superose y Superdex (polisacáridos). Como se indicó, el volumen de poro es la diferencia entre el volumen total y el volumen de exclusión; para calcular el volumen total se añade a la muestra una molécula de bajo peso molecular; por ejemplo, cromato potásico (194,2 Da). El índice de Kovacks (Kd) obtenido para el biocompuesto determinado se debe incluir en una recta de regresión, calculada a partir de proteínas (biocompuestos) patrones, de peso molecular conocido, para obtener la curva (gráfica) Kd versus Log masa molecular. La resolución en una columna cromatográfica es crítica ya que, una gran resolución soporta un mayor número de platos teóricos por metro de elevación. Un plato teórico es el volumen requerido por una molécula para establecer un equilibrio entre ella, la matriz y la fase móvil en el sistema. Actualmente, las columnas con mayor número de platos teóricos son las de Superdex HR que pueden llegar a 30 000 – 40 000 platos teóricos por metro lineal. Es muy importante dimensionar correctamente la altura de columna cromatográfica ya que, a mayor longitud, mayor número de platos teóricos y por lo tanto, mayor resolución; pero también, la muestra (el substrato crudo) puede quedar muy diluido, lo que disminuye la resolución. Tome también en consideración que, si la matriz puede soportar grandes presiones, los flujos obtenidos serán mayores, lo que aumenta la resolución. En estos casos, se puede implementar una columna de elución al vacío para aumentar la resolución y utilizar una columna de gran altura, llegando a un compromiso óptimo de productividad.

Diseño del Reactor de Flujo Pistón: (semicontinuo)

Al diseñar un bioreactor tubular que funcione en flujo pistón, se debe considerar:

ü Aplicar una presión de vacío pequeña (menor a 10psi de vacío),

ü Alimentar un flujo fresco de substrato crudo,

ü Buscar la solución de compromiso óptima entre la altura de la columna (número de platos teóricos) y la resolución de la matriz de adsorción.

En este caso también debemos asumir que la cinética de la reacción es de orden uno; con lo que laecuación de la velocidad sería: Donde: V = volumen del reactor; F = caudal o velocidad de flujo.



Para una resolución más práctica desde el punto de vista ingenieril: θ = tiempo de residencia = V/F; ε = eficiencia volumétrica = Vl /Vt; θ = Vl /F = ε Vt /F con lo que la ecuación cinética de la velocidad se transforma en: = ecuación cinética de diseño de un bioreactor enzimático de flujo pistón. Y: = ecuación de diseño de un bioreactor enzimático de flujo pistón.





Diseño en Quimiostato: (continuo)

También es posible diseñar un sistema continuo o quimiostato, si se toman en cuenta las siguientes consideraciones:

ü Aplicar una presión de vacío moderada (-10psia ≥ presión de vacío ≤ -15psi),

ü Alimentar un flujo fresco de substrato crudo,

ü Alcanzar el Estado Estacionario (EE),

ü Operar en Equilibrio Hidrodinámico,

ü Buscar la solución de compromiso óptima entre la altura de la columna (número de platos teóricos) y la resolución de la matriz de adsorción.

Dadas las anteriores condiciones, la ecuación cinética de la velocidad para un quimiostato es: Donde: D = velocidad o tasa de dilución = F/V.

= velocidad de reacción o conversión.

= ecuación de diseño de un quimiostato.



El tiempo de residencia ya no se denomina así, sino tiempo espacial (t) porque ya no depende del volumen del bioreactor: t = 1/D = µ.



Nota técnica: para poder operar un quimiostato diseñado como bioreactor tubular y no como tanque agitado (condición normal de operación); se debe cambiar la condición de mezcla perfecta lograda por la agitación por una condición de flujo pistón operando bajo una presión diferencial negativa; es decir, vacío. Eso, requiere lograr el equilibrio hidrostático de la presiones para que en el lavado la velocidad de dilución (D) sea la misma que la velocidad de arrastre por vacío; es decir, el flujo volumétrico debido a la succión por vacío. La velocidad de arrastre por vacío debe determinarse una vez alcanzado el estado estacionario (EE) por observación y medición directa (in situ) ya que depende de las condiciones reológicas de mezcla de extractos crudos; así como de la constitución del lecho empacado y de la matriz de adsorción. Por tanto, debe regularse el flujo requerido, ajustando la presión de vacío o succión aplicada a la columna o bioreactor tubular.

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Los números de 2011
Posted on 1 enero, 2012 • Publicado en BIOTECNOLOGÍA PRACTICA Y APLICADA, DESARROLLO AUTOSOSTENIBLE • 2 comentarios






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Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas Parte 2. Bioproceso y Especifidades
Posted on 21 mayo, 2011 • Publicado en BIOTECNOLOGÍA PRACTICA Y APLICADA, DESARROLLO AUTOSOSTENIBLE • 19 comentarios






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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


Fuente: http://www.fao.org/docrep/003/w3732e/w3732e06.htm

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

ü Filtración

ü Centrifugación

ü Flotación

ü Floculación

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:

1. Métodos mecánicos

Los métodos mecánicos pueden ser:

ü Prensa mecánica

ü Extracción asistida por ultrasonido

2. Métodos químicos

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.

Métodos Mecánicos

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

K

MPa(atm)

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.

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Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas Parte 1. Teoría y Generalidades
Posted on 6 mayo, 2011 • Publicado en Sin categoría • 37 comentarios






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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








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








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








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








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








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








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.








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





Operación Continua y Cultivo de Microalgas en un Fotobioreactor



Operación Continua









9- Esquema de un quimioestato




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"








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








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


Clasificación científica

Cianobacterias


Reino:

Bacteria


Filo:

Cyanobacteria


Órdenes


§ Gloeobacterales

§ Chroococcales

§ Pleurocapsales

§ Oscillatoriales

§ Nostocales

§ Stigonematales






12- Cianobacterias: Croococales









13- Cianobacterias: Lyngbya






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




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.














16- Método de filtración a través de una columna empacada con algodón.




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.








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.








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:




Tripticasa

1.0 gr


Extracto de levadura

1.0 gr


Fosfato Férrico

5 mg


Agar

15.0 gr


Agua envejecida (3 meses)

1 litro


pH = 7.0 – 7.2




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

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


* Se recomienda usar el agua filtrada y pasteurizada y adicionar los ingredientes.





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


Isochrysis (crisoficea)

30.2 h

20°C

10.2μ




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








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




REQUERIMIENTOS

COMPUESTOS QUIMICOS

VALORES


Físicos

Luz



2,000 – 4,000 lux


Temperatura



15 – 22°C


Salinidad



0.37‰


pH



7 – 9


Redox






Nutritivos

C

CO2CO3≃

g/100 ml


O, H

O2H2O

g/100 ml


N

N2NH4+ NO3

g/100 ml


P

PO4≃

g/100 ml


S

SO4≃

g/100 ml


Na, K, Ca, Mg

Sales

g/100 ml


Fe, Zn, Mn, B, Br, Si

Sales

mg/100 ml


Cu, Co, Cl, I, Sr, Rb, Al

Sales

μg/100 ml


Vitaminas

B12, tiamina, biotina

μg/100 ml


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








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








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








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








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


Magnitud

Símbolo

Unidad del SI

Abrev.

Notas


Energía luminosa

Qv

lumen segundo

lm·s

A veces se usa la denominación talbot, ajena al SI


Flujo luminoso

F

lumen (= cd·sr)

lm

Medida de la potencia luminosa percibida


Intensidad luminosa

Iv

candela (= lm/sr)

cd

Una unidad básica del SI


Luminancia

Lv

candela por metro cuadrado

cd/m2

A veces se usa la denominación nit, ajena al SI


Iluminancia

Ev

lux (= lm/m2)

lx

Usado para medir la incidencia de la luz sobre una superficie


Emitancia luminosa

Mv

lux (= lm/m2)

lx

Usado para medir la luz emitida por una superficie


Eficacia luminosa

η

lumen por vatio

lm/W

razón entre flujo luminoso y flujo radiante




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BIODIGESTOR DE BAJO COSTO…
Posted on 31 marzo, 2011 • Publicado en DESARROLLO AUTOSOSTENIBLE • 45 comentarios






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El siguiente es un artículo que con gusto accedí a publicar por,

SU APORTE A LA MITIGACIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO
Y SU POTENCIAL PARA REDUCIR LA POBREZA RURAL
EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE.

EL BIODIGESTOR DE BAJO COSTO, SU APORTE A LA MITIGACIÓN DEL CAMBIO CLIMÁTICO Y SU POTENCIAL PARA REDUCIR LA POBREZA RURAL EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE

Raúl Botero Botero MVZ, MSc. Universidad EARTH, Costa Rica rbotero@earth.ac.cr

La reducción de la pobreza en América Latina y el Caribe se encuentra estancada desde el año de 1997. La pobreza pasó del 42,5% de la población total en el año 2000 al 44,2% en el año 2003, es decir que había 224 millones de personas que vivían con menos de dos dólares al día (umbral de pobreza). De éstas, 98 millones de personas (19,4%) se encontraban en situación de pobreza extrema o indigencia, es decir, vivían con menos de un dólar al día. La pobreza en América Latina y el Caribe también tiene un componente racial o étnico. Así, en países como Bolivia, Brasil, Guatemala o Perú, la pobreza es dos veces mayor entre los indígenas y los afrodescendientes, comparados con el resto de la población (Trigo, 2004).

América Latina y el Caribe es la región más desigual, no la más pobre del planeta. La distancia entre el 10% de la población con mayores ingresos y el 10% con menores ingresos es de 50 a 1, en España es de 10 a 1 y en Noruega de 6 a 1. El problema no es solamente de distribución del ingreso, puesto que en este momento hay 128 millones de personas sin instalaciones sanitarias. Esto contribuye con la alta mortalidad infantil, a causa de la diarrea, por la falta de condiciones mínimas de salud. Hay además 60 millones de personas sin acceso al agua potable y 210 millones que reciben aguas servidas. Esto ocurre en el continente que posee la tercera parte del agua del planeta y el más rico del mundo en agua limpia (FAO, 2008).

América Latina y el Caribe produce alimentos para alimentar tres veces a su población. Sin embargo, en este momento, el 16 % de todos los niños sufre de desnutrición crónica y hay 52 millones de personas con hambre. Estas son desigualdades profundas, que no son solo las desigualdades de ingreso: la falta de acceso al agua potable, salud, vivienda, alimentación, educación, electricidad, etc. El Coeficiente de Gini, que mide la desigualdad, es el más alto del mundo: 0,56. Pero si se toma el Coeficiente de Gini de distribución de la tierra, de acceso a la salud, a la educación, a Internet, etc. los valores son aún peores (Natanson, 2008).

La CEPAL proyectó que la pobreza en América Latina y el Caribe aumentaría 1,1% en el 2009, comparado con el año 2008, subiendo de 180 a 189 millones de personas, y que la indigencia se incrementaría en 0,8%, pasando de 71 a 76 millones de personas. De esta forma, 34% de la población terminó el 2009 sumida en la pobreza y 14% en la indigencia. Este 48% actual de la población en pobreza (280 millones de pobres, de una población total de 580 millones de habitantes, en el año 2010) rompe la tendencia a la baja que se venía registrando desde el año 2002, cuando se inició un sexenio de crecimiento económico, que finalizó en el año 2008 con la debacle financiera y económica mundial (Estrada, 2009). Debido a la crisis económica, el PIB disminuyó en 1,8% para el 2009, y habrá una alta volatilidad y carestía en los precios futuros de los productos agrícolas. La seguridad alimentaria ha retrocedido a los niveles de 1990 (CEPAL; FAO; IICA, 2010).

En el año 2002, ochenta millones de personas vivían en pobreza en el medio rural de América Latina y el Caribe y, de ellas, alrededor de 48 millones, no tenían ni siquiera lo necesario para adquirir una canasta básica de alimentos. (CEPAL; DDPE; RIMISP y FAO, 2003). Entre 2002 y 2006 las exportaciones de alimentos de Latinoamérica y el Caribe crecieron a un ritmo del 12% anual y la contribución actual del sector agrícola al PIB regional oscila entre un 27 y un 34%. Sin embargo, la pobreza rural persiste, con 60% de la población del campo sumida en la pobreza (FAO, 2008). La pobreza rural en América Latina y el Caribe, debe además, ser puesta en el contexto de una continua migración hacia zonas urbanas y hacia países fuera de la región, con un gasto social y de infraestructura que aumentó en casi todos los países (FAO, 2008). Esta migración engrosa los cinturones de miseria en las grandes ciudades, donde los campesinos sufren de marginación, manifestada como subempleo, explotación laboral y falta de oportunidades de capacitación, salud y educación, puesto que su mano de obra no está calificada para trabajar en la ciudad.

En el año 2008 el precio del trigo a nivel mundial subió 80%, el maíz 90% y el arroz 320%. A inicios del año 2011 los granos básicos volvieron a alcanzar precios record (El Financiero No. 804. 31 de enero al 6 de febrero del año 2011). Se trata del nivel histórico más alto en el precio de los alimentos (tanto real como nominal) desde que la FAO comenzó su medición en 1990 (FAO, 2011). Como consecuencia, 200 millones de personas más en el mundo, ingresaron en esa estadística vergonzosa para la humanidad, la de quienes sufren desnutrición y hambre (Natalicio, 2011). Esto se debe: al crecimiento de la población mundial y de la clase media en China e India; al precio creciente del petróleo y de los fertilizantes y agroquímicos sintéticos derivados de él; al límite en el área de tierra cultivable; a la menor disponibilidad mundial de agua para riego; a los rendimientos agrícolas decrecientes; a la especulación financiera causada por las inversiones a futuro, mediante la compra de granos básicos y al uso de los granos para forraje o para la producción de agrocombustibles (FAO, 2011). Según el Banco Mundial, los crecientes y peligrosos precios mundiales de los alimentos, han hecho que 44 millones de personas más (> 60% son mujeres) hayan ingresado a la pobreza extrema en los últimos ocho meses (dinero.com, 16/2/2011).

La biodigestión fue descubierta por los chinos en el siglo XVIII. La instalación de 14 millones de biodigestores familiares hasta el año 2005, ha mejorado la economía y el bienestar familiar en las áreas rurales de China. Los resultados de varios estudios indican que el uso de biodigestores reduce la pobreza, pues disminuye el gasto en la compra de combustibles, abonos orgánicos y alimentos, liberando recursos que son invertidos por las familias rurales en cubrir otras necesidades. El uso de los residuos del proceso de biodigestión como abono, incrementa la producción agrícola, aunque el soporte de estos beneficios es aún empírico. La salud de la familia se mejora, ya que se reducen los malestares y enfermedades causados por la quema de leña para cocinar y por el consumo de aguas contaminadas. El medio ambiente se beneficia, al reducirse las emisiones de gases de efecto invernadero y de lluvia ácida. En encuestas realizadas entre usuarios o no de biodigestores en las provincias de Gansu y Sichuan, fue evidente que el efecto del uso de biodigestores sobre el bienestar de la familia rural es positivo. Sin embargo, con un soporte técnico apropiado, los beneficios pueden ser incrementados significativamente (van Groenendaal y Gehua, 2009).

Desde su concepción, la Universidad EARTH asumió el reto de rescatar, generar, validar y difundir tecnologías aplicables al trópico y capacitar a sus estudiantes internacionales para que adquieran las destrezas en tecnologías apropiadas, simples, amigables con el ambiente, a escala, de bajo costo y de alta eficiencia y rentabilidad. Al regresar como Ingenieros Agrónomos a sus países de origen, pueden implementar proyectos que demandan estas competencias y obtener beneficios socioeconómicos y ambientales para las comunidades rurales y urbanas en sus naciones.


El biodigestor plástico de bajo costo y de flujo continuo, modelo Taiwán (FIGURAS 1; 2 y 3), que puede ser elaborado en Polietileno, Polipropileno, PVC, EPDM, etc.), se introdujo en la EARTH en 1994, desde la Fundación Centro para la Investigación en Sistemas Sostenibles de Producción Agropecuaria – CIPAV de Colombia (Botero y Preston, 1987). El biogás es una mezcla combustible de gases, que contiene metano. El biogás es producido por las Arqueobacterias metanógenas que se multiplican y actúan en ausencia de oxígeno, viven en el intestino de los humanos y de los animales rumiantes y monogástricos, donde están presentes en grandes cantidades y contribuyen a digerir el alimento. Las aguas servidas, como mezcla del lavado de excrementos animales y humanos y de otras fuentes de materia orgánica, pueden ser tratadas para su descontaminación dentro de un recipiente hermético – el biodigestor.

FUENTE: Adaptado de Lansing, S.; R, Botero. y J,F, Martin. 2008.


FIGURA 1. Diseño del biodigestor de polietileno de bajo costo y de flujo continuo.


El efluente, que sale diariamente del biodigestor debe ser conducido a canaletas de sedimentación, para separar su bajo contenido de lodos, de los líquidos, que se vierten luego a lagunas de descontaminación. El espejo de agua debe ser cubierto con plantas acuáticas flotantes pequeñas (Azolla, Lemna, Salvinia) en alta densidad. Estas plantas evitan la proliferación de las larvas de zancudos transmisores del Dengue y de la Malaria, además se cosechan y utilizan como forraje para animales y como alimento para humanos (berros y espinaca de agua). El efluente se puede utilizar como ferti-riego de cultivos, praderas, jardines y sistemas acuícolas, o bien separar los sólidos con procesos simples de sedimentación y flotación, y reutilizar el agua tratada en el lavado de las instalaciones donde se alojan y manejan animales, o bien potabilizarla como agua de bebida para humanos y animales (FIGURA 4).



FIGURA 4. Plantas acuáticas flotantes, como cobertura en canaletas de sedimentación y en lagunas de descontaminación, que impiden la proliferación de larvas de zancudos en zonas endémicas de Dengue y de Malaria, enfermedades humanas cuya incidencia se verá incrementada debido al calentamiento global.

Un biodigestor familiar instalado en bolsa doble de polietileno tubular transparente, calibre 8, protegido contra rayos ultravioleta, que se alimenta diariamente con 20 a 40 kilos de excrementos animales (2 vacas; 4 caballos; o 10 cerdas de cría o de engorde) y/o humanos frescos u otras fuentes de materia orgánica, solos o mezclados entre sí, y con 100 a 200 litros de agua, demanda una inversión, en materiales y mano de obra, de entre US$ 200 a 500, elimina la necesidad de leña y/o de carbón, permite la cocción diaria de los alimentos para una familia campesina de hasta cinco personas y produce diariamente entre 100 a 200 litros de abono orgánico.

El biodigestor puede producir diariamente un volumen de biogás de entre el 15% al 30%, con relación al volumen de la fase líquida total, que en un biodigestor familiar puede llegar a ser de hasta 50 metros cúbicos. Este biogás alcanza un contenido de entre 60 a 70% de metano, que es un combustible renovable, apto para su uso directo y sin presión en estufas, calentadores, refrigeradores, lámparas incandescentes, etc., o que se debe comprimir para la generación de energía eléctrica. El volumen de producción y el contenido de metano en el biogás dependen de la cantidad y calidad nutricional de la materia orgánica que contengan las aguas servidas tratadas dentro del biodigestor.

Con periodos de retención de entre 20 a 40 días dentro del biodigestor, 10 días dentro de las canaletas de sedimentación y hasta 30 días dentro de tres lagunas de descontaminación, en un total de 60 a 80 días, se logran descontaminar las aguas servidas que ingresan al Sistema de Descontaminación y cumplir con el Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales que se ajusta al Código Internacional Industrial Unificado – CIIU, por el que se rigen los Ministerios de Agricultura y Ganadería, Salud Pública y Ambiente de Costa Rica desde el año 2007 (FIGURA 5).



FIGURA 5. Resultados promedio de siete años, de los análisis de las aguas tratadas en cada uno de los componentes del Sistema de Descontaminación Productiva de Aguas Servidas en la Finca Pecuaria Integrada de la Universidad EARTH.





Se estimó al fin del año 2010, que 2000 unidades de biodigestores del tipo Taiwán se encuentran instaladas y operando en fincas, en agroindustrias y en hoteles de Costa Rica, en trabajo conjunto entre la Universidad EARTH, la Cooperativa de Productores de Leche Dos Pinos; el Ministerio de Agricultura y Ganadería – MAG; El Instituto Costarricense de Electricidad – ICE; La Pastoral Social de Limón; El Proyecto POCOTSI de la Fundación Neotrópica; El Proyecto COBODES de la Unión Europea; la Municipalidad de Heredia y las Empresas privadas Biosinergia Alternativa; Biodigestores de Costa Rica; VIOGAZ; AGROMEC; OLEFINAS y AMANCO.

Los datos de la FIGURA 5 indican que las aguas servidas que ingresan al biodigestor tienen una carga orgánica contaminante que no permite verterlas directamente a las fuentes de agua corriente. También, que el tratar las aguas servidas dentro del biodigestor, mantiene el nitrógeno y el fósforo en altas concentraciones. Ambos minerales son los más limitantes en los suelos tropicales y su costo, en los fertilizantes sintéticos que los contienen, se ha incrementado recientemente en un 200% y 300% respectivamente (Murillo, 2008). Por efecto de la fermentación anaeróbica dentro del biodigestor, los minerales esenciales se hacen solubles. Una vez que se aplica el efluente del biodigestor como abono orgánico, los minerales solubles son más rápidamente absorbidos por las raíces de las plantas, reduciendo así su pérdida por lavado o lixiviación y evitando la eutrofización, debida al aumento de sustancias nutritivas en las aguas dulces de lagos y embalses, lo que estimula el desarrollo de una población excesiva de fitoplancton y de plantas acuáticas flotantes y ancladas. La biodigestión reduce la contaminación de las aguas servidas hasta en un 80% y permite cumplir con la legislación ambiental, lo cual hace posible utilizar únicamente el biodigestor, que es el componente del Sistema de Descontaminación Productiva de Aguas Servidas que demanda el menor espacio e inversión.





El biogás, una vez filtrado para reducir hasta 25 ppm o menos el sulfuro de hidrógeno (H2S) que contiene normalmente, que es corrosivo y tóxico y que le confiere el olor a huevos podridos, se puede utilizar como combustible en motores de explosión de cuatro tiempos, a gasolina y en motores diesel. En el motor a gasolina se puede usar el biogás filtrado como combustible único. El motor diesel, al no poseer bujía, no emite chispa para hacer la explosión dentro del cilindro, en cuyo caso se debe utilizar el biogás acompañado del combustible diesel, que si explota por compresión. En el caso de motores diesel se ha logrado sustituir hasta el 65% del combustible diesel por biogás, sin afectar al motor ni su eficiencia (FIGURAS 6 y 7).

FIGURA 6. Motor estacionario a gasolina y motor diesel de un tractor de jardín evaluados con biogás filtrado y sin presión, como combustible.

La EARTH inauguró el 26 de septiembre del 2006 un proyecto de generación de electricidad a partir de biogás, dirigido a suplir esta necesidad en empresas agropecuarias, agroindustriales y poblaciones. El proceso consiste en que, el agua del lavado diario de los pisos, instalaciones y equipos para el alojamiento, manejo y sacrificio de animales de granja y/o las aguas servidas con desechos orgánicos ingresan diariamente y por gravedad al biodigestor.


Allí se fermentan las aguas servidas durante 20 a 40 días, hasta que la bolsa se infla, continua y diariamente, con el biogás que se produce, debido a la fermentación anaeróbica de los excrementos y/o de los desechos orgánicos disueltos en las aguas servidas que ingresan al biodigestor. Posteriormente el biogás se pasa por filtros con limadura de hierro o con abonos orgánicos (compost, bokashi, lombricompost, etc.), donde se retiene el sulfuro de hidrógeno y se almacena el biogás purificado en otra bolsa plástica. De allí es succionado por un compresor, bomba o soplador, que lo deposita y conserva en un tanque metálico a una presión de entre 10 psi a 40 psi, para luego ser utilizado para encender y operar el motor, que mueve el generador de electricidad (FIGURA 8).

El motor de la planta eléctrica fue construido para gas natural y fue calibrado para funcionar con biogás, con un contenido mínimo de 55% de metano y máximo de 25 ppm de sulfuro de hidrógeno (H2S). Esta planta tiene un potencial de generación de energía eléctrica de 40 kilovatios/hora y consume 25 metros cúbicos de biogás por hora, lo que permitiría cubrir la demanda energética diaria de entre 40 a 50 viviendas dotadas con iluminación y con los electrodomésticos básicos. Esta planta suple, durante las 4 horas diarias de mayor demanda, la electricidad de la Finca Pecuaria Integrada de EARTH, compuesta por la porqueriza y la lechería, que consumen actualmente 10 kilovatios/hora. Se conectan a la planta eléctrica en las horas pico de demanda: la bomba de vacío del equipo de ordeño, el tanque de enfriamiento de la leche, la bomba de agua, el pulsador de la cerca eléctrica, la picadora de forraje, un trapiche, un refrigerador, una computadora, un ventilador y 10 bombillas.

Este motor fue construido para hospitales, por lo que produce muy bajo ruido y por ello no afecta el bienestar humano y animal. La energía eléctrica adicional generada se puede introducir y utilizar en la red eléctrica de la EARTH. Mediante transferencia automática, se puede decidir si se utiliza la electricidad del generador o la proveniente del Instituto Costarricense de Electricidad – ICE.

Dependiendo del volumen de captación de excretas animales y/o humanas u otros desechos orgánicos mezclados en las aguas servidas, se puede producir mayor o menor cantidad de biogás y por ello instalar un generador con menor o mayor capacidad. Esto permite un sistema a escala, sin requerir siempre altas inversiones.



FIGURA 8. Infraestructura para la generación de energía eléctrica a partir de biogás. Finca Pecuaria Integrada – Universidad EARTH, 2011.

Luego de varios años de monitoreo, sobre los contenidos de las aguas servidas de origen humano provenientes de las viviendas de los estudiantes de la Universidad EARTH, se documentó que las aguas servidas de las duchas y lavamanos contienen jabones de baño, champú, desodorante, talco, loción, crema dental, enjuague bucal, medicamentos de uso externo, etc. Las aguas servidas provenientes de los inodoros contienen papel higiénico, toallas sanitarias femeninas, tampones, preservativos y sus empaques, sellos y frascos de medicamentos, tapas de refrescos, cajas de cigarrillos y de fósforos, cordones de zapatos, ropa interior, residuos de alimentos, etc. Los productos químicos y desechos no degradables, ya mencionados, quizás afectan la eficiencia en la producción de biogás, pero no la impiden. De todas maneras se debe evolucionar hacia su sustitución por productos biodegradables. Las aguas servidas que ingresan inicialmente al tanque séptico, son filtradas, con el fin de retener y retirar los sólidos no biodegradables, para evitar su ingreso a los demás componentes del Sistema de Descontaminación Productiva de Aguas Servidas. Las aguas servidas de las viviendas de los estudiantes se mezclan con las aguas servidas provenientes del lavado de frutas, hortalizas, cárnicos, lácteos y de otros alimentos crudos, además de la vajilla, accesorios y equipos y de los servicios sanitarios de la cafetería de la Universidad. Se tienen trampas de grasas, que retienen la mayor parte de ellas, para que tampoco ingresen en abundancia al sistema.

Este sistema, con un ingreso de aguas servidas de entre 7 a 20 metros cúbicos por día y con una capacidad total de 150 metros cúbicos de fase líquida, en dos biodigestores tubulares paralelos en PVC, retiene las aguas servidas durante un mínimo de 7,5 días y un máximo de 21 días, se puso en funcionamiento en Abril del año 2009 (FIGURA 9) y produce aproximadamente 30 metros cúbicos de biogás/día, que se almacena en una bolsa aérea adicional en PVC, se conduce por tubería de PVC de dos (2) pulgadas de diámetro y se utiliza para cocinar en la cafetería de la Universidad (FIGURA 10).



FIGURA 9. Biodigestor agroindustrial tipo Taiwán, tratando aguas servidas con excretas humanas, mezcladas con aguas servidas provenientes de la cocina. Universidad EARTH, Abril, 2009.

FIGURA 10. Estufa industrial operada con biogás producido con las aguas servidas provenientes del lavado de alimentos crudos, equipos, utensilios, vajilla, cubiertos, etc. en la cocina y con excretas humanas provenientes de los servicios sanitarios de las viviendas estudiantiles. Cocina Institucional, Universidad EARTH, 2009.

En los sitios en los que no se tratan las excretas y los demás desechos orgánicos, estos se descomponen a cielo abierto, contaminan, con sus efluentes, las fuentes de agua y producen gases como metano, óxido nitroso, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, monóxido y dióxido de carbono, los cuales se liberan a la atmósfera, contribuyendo al calentamiento global del planeta, debido al efecto invernadero que causan algunos de estos compuestos. El metano (CH4) y el óxido nitroso (N2O) tienen respectivamente 25 y 310 veces mayor efecto invernadero, comparados con el dióxido de carbono (CO2). El quemar el metano como combustible lo convierte en CO2, lo que reduce en 23 veces su efecto invernadero. El amoníaco (NH3), el óxido nitroso (N2O) y el sulfuro de hidrógeno (H2S) contribuyen con la lluvia ácida. Debido al calentamiento global está ocurriendo el cambio climático, que afecta a todo el planeta y que se manifiesta en la forma de lluvias y de sequías más intensas, prolongadas, destructivas e impredecibles. Ejemplo de ello son los desastres naturales, debidos a las inundaciones que se presentaron recientemente en Argentina, Australia, Brasil, Colombia, Ecuador, México, Pakistán, Perú y Venezuela o por las recientes sequías, sin precedentes, ocurridas en Guatemala y Rusia. Según reportes científicos recientes de Brasil, es de esperar que el cambio climático sea más intenso en el futuro, ya que, si el mundo se continúa calentando, habrá cada vez mayor humedad (vapor de agua) en la atmósfera, e inclusive se podría llegar a presentar una temporada anual de huracanes en el atlántico sur, frente a las costa de Brasil, donde nunca antes había ocurrido.

El Biodigestor de bajo costo, que está siendo difundido por la Fundación CIPAV y por la Universidad Tropical de Agricultura – UTA en Colombia, por la Universidad EARTH en Costa Rica y en los 25 países en los que trabajan sus egresados y por la Red de Biodigestores para Latinoamérica y el Caribe – RedBioLAC, permite que: – Los materiales para la construcción del biodigestor, y de la caseta para su protección, puedan ser de bajo costo y que la mano de obra para instalarlo, operarlo, darle mantenimiento y repararlo no requiera de alta capacitación. La estructura del techo, paredes y puertas fuertes y sólidas de la caseta pueden construirse en madera, metal o en tubería de PVC, que se puede recubrir por completo con lámina de polietileno transparente, a manera de un secador solar. Este tipo de caseta protege la bolsa de polietileno de su tostado y rápida degradación, causada por los rayos ultravioleta del sol, potencializa el calor del sol, lo que permite obtener una mayor producción de biogás, y lo protege del viento y del frío. Permite el secado rápido y sin costo de las ropas de la familia, después del lavado, y las protege de la humedad ambiental, de la lluvia y del polvo. También, permite almacenar los granos secos para consumo, reduciendo el riesgo del ataque de hongos e insectos – plaga (gorgojos). Se logran deshidratar de manera natural y a muy bajo costo: forrajes (heno), frutos, granos, semillas y plantas alimenticias, medicinales, aromáticas y ornamentales. Permite almacenar, secar y mantener secos, la sal de cocina y la sal mineralizada para el ganado, el azúcar y la panela, raspadura o tapa de dulce, los fertilizantes y los aperos para animales de paseo, trabajo y transporte. Adicionalmente, el techo permite captar agua lluvia limpia, que se puede almacenar en un depósito cercano a la vivienda, para el consumo y comodidad de la familia, sin mayor riesgo de contaminación.

Si la caseta se construye con techo en lámina de polietileno transparente, pero con las paredes en malla de sarán o polisombra, esta se puede utilizar como invernadero para la producción intensiva, hidropónica y/o sobre el suelo, de vegetales y de plantas medicinales, aromáticas, ornamentales, etc. para consumo y/o para la venta, o también como mariposario, aviario, ranario, producción de caracoles, etc. Se deben colocar extinguidores de incendios apropiados en número, tamaño, localización y distribución, según el origen o la clase de llama a apagar, además de avisos con figuras visibles y claras de no fumado y de no producir chispas ni llamas. Esto permite prevenir accidentes y velar por la salud ocupacional en el medio rural.

- Se traten las aguas servidas de viviendas, plantas agroindustriales de sacrificio, procesamiento y empaque de cárnicos, lácteos y vegetales, aguas-mieles de café y cacao, cuarteles, centros de estudio, salud, rehabilitación y recreación, restaurantes, hoteles y poblados. Estas aguas servidas deben contener exclusivamente desechos orgánicos provenientes del lavado de vegetales, azúcares, harinas, huevos, lácteos, cárnicos, aceites y grasas animales y vegetales, vajillas y equipos para la preparación de alimentos, sangre, contenidos digestivos o cadáveres de animales pequeños, excretas animales y humanas, etc. Las grasas y aceites animales y vegetales (en cuyo caso, un litro de aceite de desecho de fritura tiene el potencial de contaminar un millón de litros de agua), que ingresen al biodigestor diariamente, deben hacerlo en una proporción no mayor al 2,5 % de la fase líquida diaria y total. Durante su permanencia dentro del biodigestor son consumidos, como fuente de energía, por las Arqueobacterias metanógenas, aumentando así la producción diaria de biogás hasta el 30%, con relación al volumen de la fase líquida total, y el efluente que sale del biodigestor no contamina las aguas limpias con grasas y aceites.

- Se utilice el tubo de entrada al biodigestor para instalar el servicio sanitario, para depositar allí las excretas humanas y animales. La fermentación anaeróbica de las excretas y de los demás desechos orgánicos destruye los huevos y larvas de insectos y de parásitos gastrointestinales y pulmonares, y reduce o elimina algunas bacterias patógenas (coliformes fecales) contenidas en las excretas animales y humanas.

- Las aguas servidas, con materia orgánica cruda, no deben ser vertidas directamente a las fuentes de agua corriente, puesto que, para su descontaminación, las bacterias consumen todo el oxígeno disuelto en el agua, lo que impide la sobrevivencia de los organismos acuáticos. Por ello, se deben descontaminar previamente las aguas servidas mediante biodigestión y utilizar su efluente como abono orgánico, que puede emplearse en la finca o venderse, y que permite aumentar los rendimientos de los cultivos alimenticios de uso humano y animal, para autoabastecer con alimentos a la familia rural y producir excedentes, para su conservación para las épocas de escases y/o para la venta. La disponibilidad permanente y abundante de alimentos sanos y de alta calidad, permitiría reducir la desnutrición que se presenta actualmente en el medio rural en América Latina y el Caribe.

- Por cada 10 metros cúbicos de fase líquida acumulada dentro del biodigestor, se produzcan entre 1.500 a 3.000 litros de biogás diariamente. Cada hornilla o quemador de una estufa consume cerca de 300 litros de biogás por hora, lo que permite cocinar, freír y hornear los alimentos y hervir, para potabilizar, el agua para el consumo de la familia. Los calentadores para agua y para humanos, lechones y pollitos, refrigeradores y lámparas incandescentes para iluminación consumen cerca de 150 litros de biogás por hora de funcionamiento. La captación, almacenamiento y utilización del biogás como combustible, evita su liberación a la atmósfera y reduce o elimina el gasto de leña y/o de carbón, requeridos para la cocción, conservación y para dar valor agregado a los alimentos y productos para consumo o para la venta. El humo proveniente de la quema de la leña causa serios problemas para la salud humana. Además, se puede empacar biogás a presión en cilindros, para facilitar su transporte, uso y comercialización y/o generar energía eléctrica para el consumo propio y venta a los vecinos. Todo esto permite actuar eficazmente, muy rápido y a muy bajo costo contra el calentamiento global y su efecto sobre el cambio climático.

- Se reduzca la deforestación y el tiempo requerido para la cosecha, transporte, almacenamiento bajo techo y acondicionamiento de la leña para su uso, y/o para la elaboración de carbón vegetal, liberando tiempo a vecinos, amigos, parientes, padres e hijos, para compartir y para realizar actividades de educación, capacitación, deporte y diversión sana en el medio rural.

- Al reducir la deforestación, se promuevan la regeneración natural y la reforestación, aumentando así la cobertura arbustiva y arbórea, su sombra refrescante, el crear barreras contra el viento y mitigar su efecto desecante sobre los cultivos durante la sequía, la conservación de las fuentes de agua, la producción de oxígeno y la fijación e inmovilización del carbono en la madera, en las raíces y en el suelo, puesto que los arbustos y árboles actúan como sumideros de carbono. Se puede también incrementar la fijación del nitrógeno atmosférico en las raíces de las hierbas, arbustos y árboles leguminosos. Se reduce entonces la liberación a la atmósfera de algunos de los gases causantes del efecto invernadero y de la lluvia ácida, lo cual debería significar ingresos futuros, provenientes del pago por servicios ambientales a las comunidades rurales de América Latina y el Caribe.

- Se eliminen los malos olores, el consumo de aguas contaminadas y se reduzca la proliferación y el ataque de insectos – plaga, parásitos, hongos y de enfermedades (Gastroenteritis, Fiebre Tifoidea, Hepatitis, Cólera, Dengue y Malaria), estimuladas por la descomposición de los desechos orgánicos sólidos, de las excretas animales y humanas y de las aguas servidas a cielo abierto. Además, de no contaminar el aire ni las fuentes de agua, en beneficio del bienestar comunitario.

- En regiones con sequías estacionales fuertes, y por ello con escases temporal de aguas corrientes, almacenadas y de aguas lluvias, el efluente líquido, que sale diariamente del biodigestor, se puede utilizar para el lavado de instalaciones y equipo y mezclarlo con excretas o con materia orgánica frescas e introducirlo, de nuevo, como fuente de alimentación del biodigestor (afluente).

- Los biodigestores construidos en concreto, en bloques de barro o de cemento o en lámina metálica tienen un alto costo de construcción y de mantenimiento, posibilidades de fugas de biogás por agrietamiento y/o por corrosión y un alto riesgo de daño o destrucción en regiones con ocurrencia de sismos fuertes, como lo es toda América Latina y el Caribe. En los biodigestores plásticos tipo Taiwán, que se protegen dentro de una fosa en tierra, sus riesgos de corrosión debidos a los componentes del biogás, y de daño o destrucción por sismos, son mínimos o simplemente no ocurren.

- El biodigestor en bolsa doble o triple de polietileno tiene una vida útil de 10 años y la inversión se recupera en 6 meses, al valorar los minerales contenidos en el efluente utilizable como abono orgánico, y su equivalente en el costo del fertilizante sintético sustituido y al valorar también el biogás producido, comparado con el costo del uso de gas propano o GLP. En los biodigestores construidos en geomembrana de Polipropileno, PVC y EPDM, su vida útil se puede aumentar a 20 años o más, pero el costo de la geomembrana es mayor. El monto de la inversión en la instalación es variable, pero la asistencia técnica, la operación, el mantenimiento y las reparaciones requeridas por un biodigestor plástico tipo Taiwán, son sencillos y de bajo costo.

Estos beneficios reales y el apoyo de los gobiernos, eliminando el impuesto de venta de los plásticos utilizados para construir los biodigestores, de los generadores de electricidad y demás equipos a base de biogás, su apoyo, sin paternalismo, con personal competente de los Ministerios respectivos para que aporte la asistencia técnica para la instalación y reparación oportuna y eficiente de los biodigestores, y el destinar recursos para efectuar el pago justo y oportuno por los servicios ambientales prestados así por los productores rurales, permitirían, no solo la adopción masiva de esta tecnología simple y de efecto inmediato en la lucha contra el cambio climático, sino que procuraría bienestar a la familia campesina, puesto que el biodigestor representa una herramienta efectiva para reducir la marcada desigualdad social y la pobreza rural que se presentan actualmente en América Latina y el Caribe.

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AGRICULTURA URBANA, PERIURBANA Y RURAL SOSTENIBLE
Posted on 13 marzo, 2011 • Publicado en DESARROLLO AUTOSOSTENIBLE • 10 comentarios






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AGRICULTURA URBANA, PERIURBANA Y RURAL SOSTENIBLE
Techos y Paredes Verdes, Hidroponía, Huertos Urbanos y Agricultura Ecológica
Reinhardt Acuña Torres



Introducción

El creciente aumento de la población, la reducción de los espacios libres, el agotamiento de los recursos y la mayor demanda, harán que en un futuro no muy lejano, el suministro alimentario para los centros urbanos sea un serio problema; no sólo por el abastecimiento, también por la escases y la producción limitada. Eso lo convierte en un problema biotecnológico, social y alimentario; afortunadamente, existen soluciones; y desde diferentes ángulos.

Bajo el concepto de desarrollo sostenible: “Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades”. Informe de la Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo (Comisión Brundtland): Nuestro Futuro Común.



El ámbito de desarrollo puede dividirse conceptualmente en tres partes: ecológico, económico ysocial. Los tres se relacionan e interrelacionan entre sí, mediante un diagrama de grupo como el que muestra la Figura 1. Las intersecciones son un triple resultado que marcan un conjunto de indicadores de desempeño para la organización en las tres áreas.

Continuando, la gestión ambiental responde al "cómo hay que hacer" para conseguir que los objetivos planteados por el desarrollo sostenible, puedan lograr un equilibrio adecuado para el desarrollo económico, el crecimiento de la población, el uso racional de los recursos, la protección y conservación del ambiente; es decir, para lograr el triple resultado. Es por eso que las áreas normativas y legales que involucran la gestión ambiental son:

1. La política ambiental: relacionada con la dirección pública o privada de los asuntos ambientales internacionales, regionales, nacionales y locales.

2. Ordenamiento territorial: entendido como la distribución de los usos del territorio de acuerdo con sus características.

3. Evaluación del impacto ambiental: conjunto de acciones que permiten establecer los efectos de proyectos, planes o programas sobre el medio ambiente y elaborar medidas correctivas, compensatorias y protectoras de los potenciales efectos adversos.

4. Contaminación: estudio, control, y tratamiento de los efectos provocados por la adición de sustancias y formas de energía al medio ambiente.

5. Vida silvestre: estudio y conservación de los seres vivos en su medio y de sus relaciones, con el objeto de conservar la biodiversidad.

6. Educación ambiental: cambio de las actitudes del hombre frente a su medio biofísico, y hacia una mejor comprensión y solución de los problemas ambientales.

7. Paisaje: interrelación de los factores bióticos, estéticos y culturales sobre el medio ambiente.

La agroecología es la aplicación de los conceptos y principios de la ecología al diseño, desarrollo y gestión de sistemas agrícolas sostenibles. Es concepto se relaciona con otro muy similar, el de laagricultura ecológica que se define como un sistema para cultivar una explotación agrícolaautónoma, basada en la utilización óptima de los recursos naturales, sin emplear productos químicos de síntesis, u organismos genéticamente modificados (OGMs) ni para abono, ni para combatir las plagas. Su objetivo primordial es obtener alimentos orgánicos, a la vez que, conservar la fertilidad del suelo y respetar el medio ambiente.

Agricultura Urbana y Periurbana

El problema ahora es ¿Cómo integrar todos estos conceptos en un ambiente urbano? La solución más factible es la agricultura urbana o periurbana que es la práctica de la agricultura dentro, o en los alrededores, de un área urbana. La tierra usada puede ser privada, residencial o publica: balcones, paredes o techos de edificios, calles públicas o márgenes y antiguos sotos deforestados de los ríos. El concepto de agricultura urbana tiene dos aspectos o ejes principales.

1 º Se extiende más allá del ámbito puramente agrícola, también es extensible a cultivos o formas de cultivo alternas (como hidroponía o ambientes controlados), ganados, pesca, y forestación.

2º Provee de vegetales, frutos frescos y otros productos agrícolas y agropecuarios a los consumidores urbanos.

Con esos objetivos la agricultura urbana promueve la práctica de actividades de producción de alimentos en las zonas urbanas, que por tradición, no lo hacen; y a la vez, contribuye a la seguridad alimentaria, con alimentos seguros de dos maneras:

1- Incrementando la cantidad de alimentos disponibles para los habitantes de ciudades, y

2- 2- Promoviendo el ahorro de energía con la producción local de alimentos.

Por todo lo anterior, la agricultura urbana y periurbana es considerada una actividad desostenibilidad.

No obstante, la agricultura urbana también plantea algunos problemas para su implementación como lo son: posibles conflictos sociales derivados de la utilización de terrenos urbanos abandonados, ya sean públicos o privados y la generación de "huertos familiares" fuera de la regulación o clandestinos. Estas actuaciones incontroladas, pueden ocasionar problemas derivados como uso o la falta de calidad en las aguas utilizadas para el riego; por ejemplo, con aguas residuales. La implementación de una agricultura urbana o periurbana requiere por tanto un tipo de gestión que vaya más allá de lo agronómico y lo social, e incluya y atienda aspectos de ordenación urbanística.

Usos y Aplicaciones Según el Espacio

Como se indicó, la tierra o el suelo utilizado puede provenir de diferentes espacios tales como: balcones, paredes o techos de edificios, márgenes de calles públicas y o antiguos sotos deforestados de ríos; y cuando la legislación así lo permite, lotes y espacios públicos abandonados o en desuso. A continuación, algunos de esos usos para diferentes espacios.

Espacios Urbanos: Paredes y Techos Verdes

Paredes Verdes

Una pared de cultivo o pared verde es una especie de jardín de construcción vertical. En las paredes de cultivo, las plantas se enraízan en compartimientos, entre dos láminas de material fibroso anclado a la pared. El suministro de agua requerido se provee entre las láminas, mediante un sistema de tubería adecuado.



En una variante más tecnológica, las ‘paredes activas’ se unen al sistema de circulación de aire de la construcción; ventiladores soplan aire a través de la pared y luego, luego este recirculado a través del edificio. De esta forma se filtra y purifica el aire de manera; a la vez que se nutre y ventila la pared verde; recuerde que, las bacterias en las raíces de las plantas metabolizan las impurezas del aire; así como, compuestos orgánicos volátiles. Algunas paredes activas se pueden construir con superficies vidriadas para que los efectos de los flujos de aire sean más predecibles. También es válido diseñar sistemas con ‘paredes inactivas’ o ‘pasivas’, las cuales no tienen circulación de aire mecanizada, pero, están abiertas para promover la libre circulación del aire; por lo que, pueden ser colocadas tanto en el exterior como en el interior del espacio seleccionado. Como tales, las paredes de cultivo son una forma de agricultura urbana o jardinería urbana. Urbanísticamente, pueden considerarse como un trabajo artístico por su belleza y paisajísticamente, mejoran y asocian el entorno con la naturaleza. Además, sirven para la cura delsíndrome del edificio enfermo, incrementar los niveles de oxígeno en el aire de recirculación y combatir la contaminación del aire. También son un medio de reutilización del agua utilitaria y pueden servir para purificar el agua contaminada (agua gris) vía digestión (absorción) de los contaminantes, que a las plantas sirven como nutrientes disueltos. Las bacterias en las raíces de las plantas mineralizan los componentes orgánicos para hacerlos disponibles para las plantas. Arquitectónicamente, las paredes de cultivo son muy útiles en ciudades con grandes espacios o áreas verticales; también para zonas o áreas áridas ya que, el agua de circulación en la pared vertical es menos propensa a la evaporación que el agua en jardines horizontales. Además, en zonas urbanas calurosas, estas paredes pueden formar parte de las paredes externas de un edificio, para refrescar el entorno.

Techos Verdes





Un techo verde es un techo que está parcial o totalmente cubierto de vegetación; ya sea que elsubstrato sea un suelo o un medio de cultivo apropiado. Se refiere por lo tanto al uso de tecnologías apropiadas para mejorar el hábitat o ahorrar consumo de energía; siendo el hábitat, el ecosistema natural o artificial que se conforma; es decir, biotecnologías que cumplen una función ecológica. Es por eso que, en ese sentido el término techo verde también se usa para indicar otras tecnologías "verdes" o alternativas tales como, paneles solares fotovoltaicos omódulos fotovoltaicos.

Los techos verdes se pueden usar para:

ü Cultivar frutas, verduras y flores

ü Mejorar la climatización del edificio

ü Prolongar la vida del techo

ü Reducir el riesgo de inundaciones

ü Filtrar contaminantes y CO2 del aire

ü Actuar como barrera acústica

ü Filtrar contaminantes y metales pesados del agua de lluvia

ü Proteger la biodiversidad de zonas urbanas

Los techos verdes pueden ser clasificados en:



ü Intensivos

ü Semi-intensivos

ü Extensivos

La clasificación se hace, según sea la profundidad del medio de cultivo y del grado de mantenimiento requerido.



Cuando se requiere de un espesor de suelo considerable (1 metro o más) para cultivar plantas grandes o arboles; así como césped, flores y hortalizas de la manera tradicional; se considera al techo verde como un sistema de cultivo intensivo por el trabajo que requiere, además de la irrigación, el abono y otros cuidados.

Los techos intensivos por lo general se diseñan como un parque de fácil acceso; por lo que pueden incluir aspectos recreativos y especies varas desde hierbas y hortalizas para la cocina, hasta arbustos y árboles pequeños o frutales. Lógicamente, los techos verdes intensivos deben construirse en los techos o azoteas de edificios grandes.

Los techos verdes extensivos en cambio, están diseñados para requerir un mínimo de atención; en general, se diseñan para se sostengan solos, de manera natural y se visitan sólo para su mantenimiento. Se los puede cultivar en una capa muy delgada de suelo (10cm a 30cm); por lo que, la mayoría usa una fórmula especial de compost o lo que se conoce como "lana de roca", aplicado directamente encima de una membrana impermeable. No obstante el sustrato puede ser sustituido otras especies como musgos o Sedum.



Los techos verdes semi-intensivos son una ponderación entre ambos extremos, se construyen sobre capas de suelo de mediano espesor (50cm a 1m) con substratos que pueden ser tanto minerales como orgánicos; por lo general, se utilizan ambos.

Como distinción importante, los techos verdes semi-intensivos pueden ser horizontales o conpendiente.



El declive en los techos verdes con pendiente reduce el riesgo de un mal drenaje del agua. Por otro lado, presenta mayores problemas para mantener húmeda la tierra (escurrimiento).

Los techos verdes horizontales se prestan para una mayor variabilidad de diseño e ideas.

Requisitos Técnicos y Constructivos:

Por tener que soportar grandes capacidades de carga, los techos verdes tienen mayores requisitos estructurales; en especial, los intensivos. Este es un aspecto de primordial consideración, ya que, los edificios ya existentes, principalmente los antiguos, por lo general, no pueden ser modificados para soportar la capacidad combinada de carga del peso del suelo más la vegetación. Los costos de mantenimiento varían según el tipo de techo; como se indicó, los techos verdes intensivos llevan los mayores costos de mantenimiento y los extensivos, los mínimos. En ese sentido, laimpermeabilización al agua es uno de los principales aspectos técnicos constructivos; se debe instalar una adecuada capa impermeable, a prueba de raíces y eso aumenta el costo de instalación. Las cubiertas ajardinadas también suelen incorporar paneles de nódulos que poseen relieves en forma de botón para embalsar pequeñas cantidades de agua; de esa manera, las plantas pueden acceder a esa reserva en temporadas secas. Bajo las láminas impermeabilizantes también se debe colocar un aislamiento térmico (normalmente paneles rígidos) para soportar el peso de la tierra y de las plantas, sin que se deforme la lámina impermeabilizante del propio edificio.



Espacios Periurbanos: Huerta a Cuadros y Jardín de Macetas

Un jardín de macetas es la práctica de cultivar plantas exclusivamente en contenedores o macetas, en vez de plantarlos en la tierra directamente. Este método de cultivo se puede utilizar tanto para propósitos ornamentales como agrícolas. El método es útil en áreas donde el suelo es inadecuado para cultivar las plantas o para obtener cosechas. También donde el espacio es limitado o no apto para jardinería. Un macetohuerto es el cultivo de plantas y hortalizas en macetas o jardineras. Recuerde que la siembra en macetas, se puede implementar tanto para substratos minerales (suelo), orgánicos (compost) como artificiales (hidroponía). Por todo eso, es especialmente recomendado para zonas o espacios periurbanos.

Huerta a Cuadros

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El concepto de una huerta a cuadros fue desarrollado originalmente en USA, Square Foot Gardening, es la práctica de planear un huerto o jardín en cuadros, consiguiendo en un espacio pequeño, el uso intensivo del suelo disponible. El método combina conceptos de la horticulturaecológica, mediante el uso de compost para levantar las “camas de tierra” en las que crecerán los cultivos y la atención biointensiva de los cultivos en áreas reducidas y bien definidas. Los partidarios de este método aseguran que es muy apropiado para áreas con suelos pobres, jardineros novatos, huertos escolares y como actividad para personas con alguna discapacidad. El método utiliza una caja con fondo (cajón), abierta por encima; el arreglo contiene una cantidad fija de tierra para cada sección; ésta se divide con una rejilla, en varias secciones cuadradas. La idea es tener una variedad de cultivos, que se puedan rotar a lo largo del tiempo. En cada sección (cuadrado) se sembrará un tipo de planta diferente; lógicamente, el número de plantas por cuadrado, dependerá del tamaño de cada planta. Así por ejemplo, una planta grande o que extienda como el tomate, puede ocupar un cuadrado entero, pero hierbas y hortalizas como la albahaca, o el rábano, pueden plantarse en grupos de cuatro o hasta dieciséis. Las plantas altas, escaladoras o enredaderas deben plantarse en la línea norte (en el hemisferio norte, sur en el hemisferio sur) para no dar sombra a otras plantas y sujetarse con redes o cuerdas. La lógica de utilizar camas de tierra es que se adaptan fácilmente y el jardinero puede abarcar toda el área desde los bordes, sin tener que pisar la tierra, compactando el suelo. El autor del método sugiere también utilizar una "barrera contra malezas"(tela o cedazo) sobre la base de la caja y rellenarla por encima con una combinación por volumen de 1/3 musgo, 1/3 vermiculita y 1/3 compost. A mi criterio es más recomendable utilizar control biológico con insectos y hongos beneficiosos. Por accesibilidad, estas cajas pueden tener bases con caballetes para estar a una altura más cómoda, rellenas con unos 15 cm de mezcla de suelo por cuadro.

Espacios Rurales: Horticultura Orgánica



El término horticultura deriva de las palabras latinas hortus (planta hortaliza) y cultura (cultivo); pero también se puede definir como el cultivo de plantas sin hacer uso del arado. La horticultura entonces requiere el trabajo humano con herramientas y maquinaria pequeña. La horticultura orgánica es la ciencia y el arte de cultivar frutas, verduras, flores y plantas ornamentales, usando los principios básicos de la agricultura orgánica para, mejorar y conservar los suelos, controlar las plagas y preservar variedades o cultivares ancestrales. En ese sentido, se utilizan diversos métodos y sistemas de cultivo tales como: el acolchado o “mulch”, compost, abono de estiércol,vermicompostaje y suplementos minerales como substratos y para mejorar el suelo; control biológico o manejo integrado de plagas para reducir y controlar los problemas de plagas deinsectos y hongos; o, etc. si se presta atención a las condiciones de salud del suelo y de las plantas. Dentro de la horticultura orgánica usar trampas de feromonas, jabones insecticidas y otros medios, también son válidos.

La horticultura incluye cinco áreas de estudio:

ü La floricultura (producción y mercadeo de flores),

ü La horticultura de paisaje (producción y mercadeo de plantas decorativas),

ü La olericultura(producción y mercadeo de verduras),

ü La pomología (producción y mercadeo de frutas) y

ü La fisiología post-cosecha (mantenimiento y preservación de las cosechas).

Es posible aplicar los principios de cultivo orgánico a todas estas ramas de la horticultura. La horticultura orgánica se basa en el conocimiento y técnicas acumulados a través de miles de años. En términos generales la horticultura orgánica usa los procesos naturales, que a veces requieren largos períodos de tiempo, y estrategias holísticas, sostenibles y naturales. Evita en lo posible los métodos químicos y las estrategias simplificadas que se ocupan solamente de los efectos aislados.

El Futuro: Bioconstrucción y Arquitectura Bioclimática

Bioconstrucción

Reciben el nombre de bioconstrucción los sistemas de edificación o establecimiento de viviendas,refugios u otras construcciones, realizados con materiales de bajo impacto ambiental o ecológico, reciclados o altamente reciclables, o extraíbles mediante procesos sencillos y de bajo costo como, por ejemplo, materiales de origen vegetal y biocompatibles. Según la obra Bioética, como puente entre ciencia y sociedad:

La toma de conciencia sobre el entorno, es lo que lleva a formular modelos o aplicación de técnicas de diseño y construcción para edificaciones verdes, edificaciones con opciones de sostenibilidad, procesos constructivos a favor de las arquitecturas de Tierra que evocan la presencia de los cuatro elementos de la naturaleza: tierra, agua, aire y fuego, en los procesos de la vida en justaproporción, donde si analizamos esta proporción para aproximarnos a la óptima, desde una perspectiva biológica, que considera la resonancia entre la arquitectura y sus moradores, se pondrían en valor estas arquitecturas de tierra, ya que en combinación con la piedra para loscimientos, la madera para las techumbres, la arcillacocida para cubiertas y las formas dadas a estos materiales, resuelven la armonía de estos elementos. La tierra, y su forma simbólica asociada, el círculo, han resuelto históricamente el fundamento de la arquitectura habitacional.

Para ello se deben de tener en consideración:

ü GESTIÓN DEL SUELO

ü GESTIÓN DEL AGUA

ü GESTIÓN DEL AIRE

ü GESTIÓN DE LA ENERGIA

ü CONSUMO Y DESARROLLO LOCAL

Con dichas consideraciones en mente se creó:

Decálogo de la Bioconstrucción

1. Ubicación adecuada.

2. Integración en su entorno más próximo.

3. Diseño personalizado según las necesidades del usuario.

4. Adecuada Orientación y distribución de espacios.

5. Empleo de materiales saludables y biocompatibles.

6. Optimización de recursos naturales.

7. Implantación de sistemas y equipos para el ahorro.

8. Incorporación de sistemas y equipos de producción limpia.

9. Programa de tratamiento de los elementos residuales.

10. Manual de usuario para su utilización y mantenimiento.

Arquitectura Bioclimática



La vivienda bioclimática consiste en el diseño de edificaciones, teniendo en cuenta las condiciones climáticas, aprovechando los recursos disponibles (sol, vegetación, lluvia, vientos) para disminuir los impactos ambientales, intentando reducir los consumos de energía. Una vivienda bioclimática puede conseguir un gran ahorro e incluso llegar a ser sostenible en su totalidad. Aunque el coste de construcción puede ser mayor, puede ser rentable, ya que el incremento de la vivienda se compensa con la disminución de los recibos de energía.

El hecho de que la construcción hoy en día no tenga en cuenta los aspectos bioclimáticos, se une al poco respeto por el ambiente que inunda a los países desarrollados y en vías de desarrollo, que no ponen los suficientes medios para frenar el desastre ecológico que dejamos a nuestro paso. Laarquitectura sustentable, también denominada arquitectura sostenible, arquitectura verde, eco-arquitectura y arquitectura ambientalmente consciente, es un modo de concebir el diseño arquitectónico de manera sostenible, buscando aprovechar los recursos naturales de tal modo que, minimicen el impacto ambiental de los edificios sobre el medio ambiente y sus habitantes.

Los principios de la arquitectura sustentable incluyen:

ü La consideración de las condiciones climáticas, la hidrografía y los ecosistemas del entorno en que se construyen los edificios, para obtener el máximo rendimiento con el menor impacto.

ü La eficacia y moderación en el uso de materiales de construcción, primando los de bajo contenido energético frente a los de alto contenido energético

ü La reducción del consumo de energía para calefacción, refrigeración, iluminación y otros equipamientos, cubriendo el resto de la demanda con fuentes de energía renovables

ü La minimización del balance energético global de la edificación, abarcando las fases de diseño, construcción, utilización y final de su vida útil.

ü El cumplimiento de los requisitos de confort higrotérmico, salubridad, iluminación y habitabilidad de las edificaciones.

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Los números de 2010
Posted on 2 enero, 2011 • Publicado en BIOTECNOLOGÍA PRACTICA Y APLICADA, DESARROLLO AUTOSOSTENIBLE • Deja un comentario






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