1 - Fundamentos de los procesos basados en microalgas.

1.5 - Tipos de fotobiorreactores

- Generalidades

A continuación, vamos a ver ejemplos de FBRs reales. Más allá de la curiosidad, es importante conocer la morfología y la geometría de los diferentes FBRs ya que éstas tienen efecto en aspectos como la distribución de la luz y el intercambio de gases y los temas siguientes tendrían menos sentido si no vemos algunos ejemplos.

Para estructurar la información, los clasificaremos en dos grandes grupos:

• FBRs ABIERTOS: Se caracterizan por mantener el contacto del cultivo con el medio ambiente. La filosofía de diseño es que son baratos, grandes y poco eficientes. Con muchas especies de microalgas funciona esta estrategia. Son adecuados par aproducto de bajo valor, como biofertilizantes, biofueles, depuración de aguas o biogas.

• FBRs CERRADOS: Mantienen al cultivo (relativamente) aislado del medio ambiente. Son de instalación más cara por ser más complejos, pero tienen una mayor productividad y pueden cultivar cepas débiles o sensibles a la temperatura o a otros factores ambientales. Normalmente son adecuados para el la obtención de productos de alto valor como pigmentos, ácidos grasos o biomasa para acuicultura de alta calidad.

He usado esta clasificación FBRs abiertos/cerrados porque es la más tradicional. Si bien es cierto que a lo mejor tendría más sentido clasificar a los FBRs por su geometría. En este caso tendríamos también dos grupos:

• FBRs con geometría plana

• FBRs con geometría cilíndrica

A continuación vamos a mostrar algunos de estos FBRs. La lista no es exhaustiva pero presenta todos los elementos geométricos necesarios para entender el problema. Vaya usted fijándose en la geometría de cada FBR con respecto a la propagación de la luz.

Diferentes fotobiorreactores externos

- Fotobiorreactores abiertos

Estos sistemas tienen las sigueinte características:

• Sistemas grandes
• Baja concentración de biomasa
• Instalación barata
• Póbremente controlados
• Poco control sobre la biomasa
• Sólo apropiados para especies resistentes

Como hemos comentado, estsos sietemas cuentan con la ventaja de ser baratos. Aunque sean poco productivos, siempre se puede compensar haciendo el FBR más grande. Se pueden encontrar tres tipos fundamentales:

Open ponds

Open pond para cultivo de Dunaliella salina

Son los sistemas más sencillos. No tienen elementos móviles. Se limitan a dejar crecer a las microalgas sin más. Por supuesto, son sistemas muy limitados por su bajo control, que solo se pueden usar en situaciones especiales somo son :

• Cultivo de Spirulina
  • Cianobacteria que crece a pH muy alto.
  • Usa amonio $(NH_4^+)$ como fuente de $N$, mal tolerado por otras especies.
  • Resistenete a condiciones ambientales desfavorables.

Spirulina es muy rica en proteínas y es una gran fuente de SCP (single cell protein) adecuada para consumo humano que ha evitado hambrunas en zonas de Africa donde crece en lagos que son usados como Open Ponds. Se juega con su resistencia al amonio y al pH elevado (>10) para que no se contamine

• Cultivo de Dunaliella salina
  • Producción de $\beta$-caroteno
  • Halotolerante
  • Luminosidad y salinidad favorecen el proceso

Dunaliella salina es una microalga que soporta concentraciones de sal superiores a 100 g/L lo que la protege de invasiones de otras especies. También es muy resistente a la temperatura y luminosidad elevadas. Dunaliella salina puede acumullar en su biomasa hasta un 5% de $\beta$-caroteno y ha sido durante mucho tiempo utilizada en la producción de este colorante para alimentación humana ubicuo (aparece en batidos, mantequilla/margarina, postres lácteos ... etc).

En resumen: puede ser rentable usar Open Ponds en especies adaptadas a condiciones ambientales muy extremas.

Raceways: RFBRs

Los FBRs tipo "Raceway" (RFBRs) son el tipo de fotobiorreactor externo abierto más utilizado.

Open pond para cultivo de Dunaliella salina

A diferencia de los "Open Ponds", los Reaceways tienen todos los elementos de soporte del cultivo que hemos mencionado en los FBRs de laboratorio:

• Mezcla: facilitada por una rueda de paletas o paddle wheel que impulsa el cultivo facilistando su homogeneización, la desaparición de gradientes de concentración de gases y nutriente y evitando la deposición de las microalgas.

• Suministro de nutrientes: Gracias a su capacidad de impulsión y mexcla, los RFBRs pueden funcionar en continuo, con adición continua de medio y cosechado simultaneo.

Open pond para cultivo de Dunaliella salina

• Intercambio de gases
  • Los RFBRs pueden ser equipados son sistemas de intercambio de gases.
  • El dispositivo más usado es conocido como "sump", un foso estructurado en canal de bajada y canal de subida.
  • En el sump se puede inyectar aire para la desorción de oxígeno y/o $\boldsymbol{CO_2}$ para la carbonatación.
  • El volumen del sump, análogo al volumen de desgasificador $(V_D)$ se calcula para que pueda desorber/carbonatar según las necesidades del RFBR optimizado.

Los FBRs tipo Raceways tienem una profundidad típica de 15-20 cm y pueden ser construidos con capacidades de cientos de $m^3$. El la imagen inferior se muestra un Raceway de 50 $m^3$.

FBR tipo Raceway de 50000 litros

Fotobiorreactores tipo "Thin Layer" (capa fina) (TLFBRs)

Los fotobiorreactores "capa fina" son la evolución de los FBRs tipo Raceway. El RFBR no puede operar con alturas menores de 12 o 15 cm de capa de cultivo, ya que es imposible conseguir que el fluido circule. Lo TLFBRs están diseñandos para operar con capas de fluído de 1-2 cm.

FBR tipo Thin Layer.

Componentes de un TLFBR.

Esto redunda en las siguientes ventajas:

• Menor volumen de cultivo: ahorro en costes de bombeo.
• Mayor concentración de biomasa: menores costes de cosechado.
• Mejor mezcla vertical: eficiencia fotosintética incrementada.
• Cultivos más estables y resistentes a la contaminación por su elevada densidad celular.

Los TLFBRs pueden construirse cubiertos (que no cerrados), lo que los protege de agentes como la lluvia, fauna e insectos y de la caida de tierra, polvo y suciedad ambiental.

La cubierta parcial tambié puede ser diseñada para reflejar la radición infrarroja y así limitar la temperatura, y para moderar la evaporación, reduciendo las pérdidas de agua.

Por su menor volumen de cultivo, pueden ser equipados con desgasificador/carbonatador (columna o tanque) y con cambiadores de calor para su termostatación.

FBR tipo Thin Layer.

- Fotobiorreactores cerrados

Como ya hemos comentado, lod FBRs cerrados mantienen a la microalgas razonablemente aisladas del medio ambiente de forma que hacen posibles cultivos monoalgales de cepas de lento crecimiento. Sus ventajas son:

• Control riguroso de las condiciones ambientales
• Cultivos libres de contaminación
• Posibilidad de cultivar una ámplia gama de especies
• Condiciones de cultivo reproducibles que dan productos homogeneos y consistentes en el tiempo.

Tradicionalmente, los FBRs cerrados se clasifican en dos tipos:

• FBRs verticales: Columnas de burbujeo y FBRs planos.

• FBRs horizontales: También llamados tubulares (aunque las columnas también son "tubos", no entran en esta categoría). Su característica principal es que tienen dos partes diferenciadas:

  • Lazo o "loop": una sección de tubo horizontal diseñada para que ytenga lugar la fotosíntesis.
  • desgasificador/carbonatador: dispositivo separadp del loop donde tiene lugar el intercambio de gases,la transferencia de calor y la adición de medio de cultivo en su caso.

Veamos ejemplos de estos FBRs:

- Fotobiorreactores cerrados verticales

COLUMNAS de BURBUJEO

Las columnas de burbujeo son dispositivos muy robustos, baratos de fabricar y que cumplen tres necesidades con una sola funcion (el burbujeo): agitación, homogeneización e intercambio de gases (con control de pH).

Columna de burbujeo ara el cultivo de microalgas.

Tienen la ventaja de no tener elementos móviles.

Se han presentado en diversas configuraciones:

• Columnas de burbujeo sencillas

• Columnas con recirculación interna tipo split cylinder (luz cilíndrica interna dividida por un tabique vertical que induce recirculación interna, ordena el flujo y prolonga el contacto gal/cultivo) o tipo tubos concéntricos (que cumplen la misma función que el tabique)

• Columnas anulares, consistentes en dos tubos concéntrico con el cultivo contenido entre ambos tubos

Pese a todas esta ventajas, las columnas de burbujeo, en cualquiera de sus variedades, tienen que operar verticalmente y esto las convierte en malos captadores de luz. Además tienen otras desbventajas clave con vistas a la producción industrial:

• Interceptan poca luz solar. Especialmente en las épocas y horas del día de mayor producción (solsticio de verano, horas centrales del dia). En estos momentos, el sol está más cerca de la vertical, por lo que solo una fracción pequeña incide sobre la superficie de captación de luz.

• Conflicto entre el radio $\boldsymbol{R}$ y el volumen $\boldsymbol{V_R}$: Para obtener un volumen de cultivo $\boldsymbol{V_R}$ adecuado para la produción industrial, el radio $\boldsymbol{R}$ debe tener una dimensión que hace difícil la penetración de la luz ($\boldsymbol{I}$ baja) y ralentiza el crecimiento ($\boldsymbol{\mu}$)

• Difíciles de escalar para conseguir volúmenes de cultivo industriales (varios $m^3$) solo hay dos alternativas, incremantar el radio $\boldsymbol{R}$ o incremantar la altura $\boldsymbol{H}$

  • Los incrementos de R está limitados ya que reducen la velocidad de crecimiento y, por tanto, la productividad.
  • La altura $\boldsymbol{H}$ se incrementa a costa de incrementar la presión en la base, lo que es muy inconveniente ya que perjudica la desorción de $O_2$ (la presión parcial $P_{O_2}$ aumenta).
  • $\boldsymbol{H}$ grande es además muy perjudicial ya que durante el burbujeo de gas en la base se generan tensiones fluidodinámicas muy intensan que pueden dañar a las células de microalgas provocando stress fluidodinámico

Las columnas de burbujeo, por tanto, son dispositivos económicos y estables, en general, poco adecuados para la producción industrial pero adecuados para el mantenimiento de ióculos, función para la cual el lento crecimiento y la estabilidad son ventajas.

En el video nº4 puede ver vd. la inoculación de un FBR tubular con columnas de burbujeo usadas para esta función.

Cuatro variedades de FBRs tipo columna: bolsas colgantes, banco de columnas, columnas delgadas y columnas anulares.

FOTOBIORREACTORES PLANOS

Los fotobiorreactores planos son un intento de solucionar los problemas de las columnas de burbujeo para hacerlas productivas y escalables. esto se consigue a través de un cambio geométrico que desacopla el espesor $\boldsymbol{e}$ y la anchura $\boldsymbol{A}$

FBR tipo Thin Layer.

De esta forma, es posible construir un FBR en el que penetre bien la luz ($\boldsymbol{e}$ pequeño) y que a la vez contenga una gran cantidad de volumen de cultivo ($\boldsymbol{A}$ grande.) Para poder ser competitivos, los "Flat Panel FBRs" (FPFBRs) deben ser ademas baratos de construir, robustos y fáciles de operar.

Componentes de un FBR tipo Flat Panel.

Los FPFBRs, de alguna manera, son los TL de las columnas. Tienen las siguientes ventajas:

• Mejor penetración de la luz: y mayor velocidad de crecimiento y, en consecuencia, mayor productividad.
• Mayor concentración de biomasa: derivada de un menor espesor de cultivo.
• Mejor escalado: en principio, se puede incrementar el ancho del FPFBR indefinidamente y usar el mismo sistema de transferencia de gases, control de pH y transferencia del calor en un FBR de mayor volumen.

FBRs tipo Flat Panel inclinados.

• Cultivos más estables y resistentes a perturbaciones por la mayor densidad celular.
• Capacidad de operar inclinados: a diferencia de las columnas de burbujeo, que a penas pueden inclinarse. Posibilidad de optimizar la captación de luz.

Sin embargo, los "Flat Panel" tienen importantes problemas estucturales. Incluso con alturas moderadas de líquido (cultivo) las fuerzas que genera la presión de la columna de líquido en sus superficies frontal y posterior a menudo llevan a la deformación e incluso a la fractura del dispositivo. El uso de paredes gruesas transparentes conlleva a costos insostenibles y el uso de refuerzos como el mallazo ("malla electrosoldada") que se muestra en la foto superior, contribuye a disminuir la luz que alcanza el FBR.

Adicionalmente, la geometría con vértices y aristas, agrava el problema del ensuciamisnto (fouling).

Cuando se usan bolsas de plástico (lámina de plástico) como material transparente sostenido por bastidores de malla electrosoldada, la itrregularidad de la superficie hace que el plástico se ensucie con rapidez y es necesario el cambio frecuente con el downtime y costos que conlleva el procedimiento.

En resumen, las desventajas de los FPFBRs son:

• Debilidad estructural: que conlleva disminución de la captación de luz al requerir refuerzos.

• Ensuciamiento: la presencia de esquinas y aristas, dificulta mucho el mantenimiento. El uso de recubrimientos de plático requiere cambios frecuentes.

• Pérdida de viabilidad prematura: aunque el cultivo resiste, el deterioro de las superficies internas limita la duración de los ciclos de cultivo, disminuyendo la productividad.

Paradójicamente, todas estas desventajas se magnifican cuanto más se amplia la relación ancho/espesor $\boldsymbol{A/e}$, que es la ventaja fundamental de los FPFBRs.

FPFBRs con refuerzos estructurales.

- Fotobiorreactores cerrados horizontales: FBRs tubulares (TFBRs)

Los FBRs horizontales se denominan así porque la captación de luz y fotosíntesis tienen lugar el un conjunto de tubos (denominados lazo o loop) con diversas disposiciones que están situados horizontalmente respecto del suelo.

Se han propuesto muchos modelos de este tipo de FBRs. El problema principal siempre ha sido empaquetar el mayor número de tubos posibles (para aprovechar el terreno disponible) evitando el sombreado estre tubos en lo posible.

El problema no es trivial porque los tramos de tubo recto van unidos por codos que los separan, de forma que es muy difícil empaquetar tubos en un único plano. Para ello se han propuesto muchas soluciones aunque aquí solo vamos a ver los diseños más utilizados, que son:

• FBR tubular de doble lazo: caracterizado por un lazo en dos planos que alternan los tubos de forma que unos no impidan la llegada de luz a otros.

• FBR tubular tipo "valla" o "fence": caracterizado por un bastidor vertical en el que se montan los tubos en posición (casi) horizontal.

Existen otra variedad (menos en uso) que se muestran en la figura inferior. Los tipo "coil" o bobina enrollan el tubo en torno a un eje, pero no pueden evitar intensas sombras internas. En el tipo "manifold", un tubo central opaco distribuye el cultivo a un conjunto de tubos transparentes (verticales en el caso mostrado, pero pueden ser horizontales). A la derecha aparece un TFBR tipo horizontal monopalno en el que se aprecia la dificultad constructiva que conlleva instalar los tubos unos cerca de otros.

Diversidad de FBRs tipo tubular: Biocoil, Manifold, Fibbonacci-coil, horizontal monoplano.

FBR tubular de doble lazo

La figura inferior muestra un TFBR de doble plano, que es una de las formas más eficientes de construir este tipo de FBRs ya que permite un empaquetamiento razonable de tubos ($m^2$ de sombra por $m^2$ de suelo ocupado), siendo la luz no interceptada aprovechada como albedo (reflejo difuso desde el suelo, que se hace blanco con ese propósito).

La eficiencia constructiva del lazo este tipo de TFBRs viene de diversos factores:

• Se pueden usar tubos largos todos de igual longitud (a diferencia del FBR que puede ver eb la figura superior derecha), disminuyendo la complejidad estructura.

• El diseño en doble lazo en doble plano es eficiente en la intercepción de luz sin ser demasiado complejo.

• Los codos son relativamente amplios, limitando el estrés hidrodimámico producido por la turbulencia que tiene lugar en curvas muy cerradas.

• El bastidor en el que se asienta es relativamente sencillo. El bastidor es muy importante para prevenir la acumulación de gases en los tubos. Para ello, debe mantener en todo momento una ligera inclinación positiva en el sentido del flujo. De otra forma, aparecen bolsas de gas que inutilizan parte del volumen útil de cultivo del TFBR

FBR tubular (TFBR) de doble lazo.

Desgasificador/carbonatador

Como se ha comentado, en los TFBRs, la adición de medio, intercambio de gases y la transferencia del calor se llevan a cabo en un elemento separado denominado símplemente "Desgasificador" aludiendo solo a su papel en la eliminación del $O_2$ generado en el lazo durante la fotosíntesis.

FBR tubular (TFBR) de doble lazo con esquema del desgasificador.

Desgasificador con cambiador de calor.

La presencia de un desgasificador (común con los fence-type FBRs) permite la especialización de los dos componentes del FBR, el lazo (loop) diseñado específicamente para optimizar la fotosíntesis y el crecimiento y el desgasificador diseñado para el resto de las funciones necesarias para el mantenimiento del cultivo.

En la imagen de la derecha se muestra un desgasificador provisto con un cambiador de calor de acero inoxidable por el que se puede circular un refrigerante para mantener la temperatura del cultivo. El cálculo de estos intercambiadores se verá en el Tema 6.

FBR tubular tipo "valla" o "fence"

La construcción de los FBRs de doble plano, como se ha comentado, es relativamente sencilla y robusta.

Sin embargo, es superada en sencillez, flexibilidad y facilidad de mantenimiento por la utilización de los bastidores verticales que caracterizan a los FTFBRs (Fence-Type FBRs, para abreviar).

Los FTFBRs siguen siendo fotobiorreatores tubulares horizontales ya que, pese a su evolución vertical, los tubos que componen el lazo o loop sigue estando dispuestos en posición horizontal.

Los FBRs tipo valla, tienen las siguientes ventajas comparados con los de lazo en uno o dos planos:

• Bastidor más sencillo y fácil de fabricar.

• Permite controlar con más facilidad la separación vertical entre tubos y la separación horizontal entre planos.

• Es más fácil mantener la inclinación positiva de los tubos en el sentido del flujo para evitar la acumulación de gases.

• Es relativamente fácil de mantener y de dar servicio. Cosas como la limpieza o el reemplazo de un tubo puede ser muy complicados en FBRs tubulares horizontales de simple o doble plano.

FBR tipo valla o fence. Biofence es un nombre comercial de este tipo de FBRs.

Probablemente, el FBR tipo valla es el fotobiorreactor cerrado más utilizado para la producción de microalgas a nivel industrial.

Este tipo de FBR también se fabrica con los tubos en un único plano.

Representación CAD de un FBR tipo valla.

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- Videos ilustrativos: FBRs en operación.

Flat panel en laboratorio

Thin-layer en invernadero

Raceway pond - IFAPA

Inoculación de TFBR

Vista aérea - IFAPA

Resumen - Tipos de fotobiorreactores

Clasificación

FBRs Abiertos → baratos, poco eficientes, solo para especies resistentes FBRs Cerrados → caros, mayor productividad, amplio rango de especies

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FBRs Abiertos

Open Ponds - los más simples, sin elementos móviles. Solo viables con especies muy resistentes (Spirulina, Dunaliella salina).

Raceways (RFBRs) - los más utilizados. Rueda de paletas para mezcla, pueden operar en continuo. Profundidad típica 15-20 cm. Capacidad de cientos de m³.

Thin Layer (TLFBRs) - evolución del Raceway. Capa de fluido de 1-2 cm → mayor concentración de biomasa, mejor mezcla vertical, menor volumen. Pueden cubrirse parcialmente.

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FBRs Cerrados Verticales

Columnas de burbujeo - baratas, sin elementos móviles, robustas. El burbujeo cumple tres funciones: agitación, homogeneización e intercambio de gases. Poco adecuadas para producción industrial (captan poca luz solar, difícil escalado). Ideales para mantenimiento de inóculos.

Flat Panel (FPFBRs) - mejor penetración de luz, mayor concentración de biomasa, mejor escalado. Desventajas importantes: debilidad estructural, ensuciamiento y pérdida prematura de viabilidad.

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FBRs Cerrados Horizontales: Tubulares (TFBRs)

Formados por un lazo (loop, donde ocurre la fotosíntesis) y un desgasificador (intercambio de gases, control pH, transferencia de calor).

Doble lazo - empaquetamiento eficiente, tubos de igual longitud, codos amplios (bajo estrés hidrodinámico).

Tipo valla o "fence" (FTFBRs) - bastidor vertical, más sencillo y flexible. Fácil mantenimiento, control de separación entre tubos, fácil evitar acumulación de gases.

- Cuestiones

¿Cuál es la ecuación de Beer-Lambert?

I = I₀ · e^(-k·C·x)

I = I₀ · k · C · x

I = I₀ / (k·C·x)

I = I₀ + k·C·x