Ingenieria de Procesos aplicada a la Biotecnología de Microalgas
1.6 - Interacción de las microalgas con la luz
La luz es el nutriente que proporciona la energía a las microalgas para que puedan llevar a cabo la generación de nueva biomasa y es por tanto el motor del crecimiento. La luz es siempre el nutriente limitante en un fotobiorreactor bien diseñado, ya que los demás nutrientes se pueden añadir en exceso. Sin embargo, la luz es limitada y además es difícil hacerla penetrar en el fotobioreractor.
Es difícil entender que la luz, un nutriente que llega continuamente, pueda ser un factor limitante. Para ello hay que entender que las microalgas absorben la luz muy intensamente, en mucha mayor cantidad de lo que pueden asimilar.
La luz como nutriente limitante: cultivos ópticamente densos
Las microalgas obsorben muy intensamente la luz. Con un coeficiente de extinción, ka, del orden de 0,5 m2/g, se puede comprobar usando la ley de Lambert Beer:
Estequiometría de la fotosíntesis y rendimiento cuántico
La estequimetría de la fotosíntesis, incluyendo los fotones consumidos, permite establecer ciertas relaciones cuantitativas entre la luz absorbida, el carbono fijado y el oxígeno liberado que nos interesa conocer para el diseño y análisis de FBRs. La ecuación general de la fotosíntesis es la siguiente:
Capacidad fotosintética de la biomasa
Usando el último número que hemos calculado y el concepto de velocidad específica de crecimiento máxima (µmax), podemos realizar el siguiente balance de fotones con el objeto de averiguar la mínima concentración de biomasa necesaria para metabolizar la radiación que llega al cultivo.
El balance es el siguiente:
(moles de fotones metabolizados por unidad de area y tiempo)=(moles de fotones que llegan)
es fácil comprobar que incluso en cultivos relativamente diluidos (Cb=500 g/m3 por ejemplo) la intensidad de luz (I) se reduce a una fracción de la incidente (Io) a pocos centímetros bajo la superficie del cultivo (x).
Esto explica por qué incluso estando iluminados por intensidades de iluminacion tan altas como la del sol de Almería a mediodía en verano (Io=2500 µE m-2 s-1 esto es llegan 2500 milimoles de luz por metro cuadrado y segundo) los cultivos pueden estar fotolimitados. Esto ocurre porque se producen amplias zonas oscuras en el seno de los cultivos y, aunque existen zonas muy iluminadas, en promedio, el volumen del fotobiorreactor puede estar muy oscuro.
Esta es la definición de cultivos densos: cultivos en los que existen fuertes gradientes espaciales de iluminación. Es decir: coexisten zonas oscuras y zonas muy iliminadas.
Esta situación es inevitable cuando se usa luz solar por varios motivos.
- En primer lugar, porque si se absorbe la luz eficazmente es obvio que se produciran zonas oscuras.
- En segundo lugar, porque las irradiancias solares son excesivas y provocan daños a las microalgas. Por tanto interesa que existan zonas oscuras de forma que en promedio la irradiancia interna sea del orde de 10 veces inferior a la solar (esto es una aproximación bastante burda pero que sirve de ejemplo).
La atenuación de la luz es un fenomeno complejo que se estudia en el siguiente tema, en el que interactuan variables como la irradiancia incidente (Io) la concentración de biomasa (Cb) el coeficiente de extinción de la biomasa (ka, una medida de la eficiencia con la que absorbe la luz) y la geometría del fotobiorreactor.
Los 8 fotones que requiere la reducción de un CO2 son el mínimo necesario. Esto no quiere decir que todos los fotones que se absorben se usen en producir la reacción de arriba. De hecho, en zonas del cultivo muy iluminadas pueden desprovecharse 9 de cada 10 fotones absorbidoa que se reemiten como fluorescencia o se disipan como calor. pero sí nos permite acotar los máximos de generacion de biomasa y oxígeno y de consumo de CO2.
Para los cálculos que siguen asumimos como aproximación que el 50% de la biomasa es carbono (xC=0,5 gC/gbiomasa), lo que es aproximadamente cierto, pero vd. usar el valor que quiera si desea repetir los cálculos. También ignoramos por simplicidad la reducción del nitrato (suponiendo que el nitrato sea la fuente de nitrógeno) que requiere otros 8 e- por molécula (8 moles de e- por mol de N reducido).
Vamos a poner la generación de oxígeno, biomasa y la fijación de C en función del flujo luminoso incidente en moles de fotones.
ESTEQUIOMETRÍA DE LA GENERACIÓN DE OXÍGENO
Puesto que 8 moles de fotones generan un mol de O2, podemos escribir el siguiente cociente:
Que nos permite estimar la generación de oxígeno a partir de la luz disponible.
ESTEQUIOMETRÍA DEL CONSUMO DE CO2 Y DE LA FIJACIÓN DE C
Análogamente, se puede escribir un cociente para el consumo fotosintético de CO2:
Y para la fijación de carbono:
ESTEQUIOMETRÍA DE LA GENERACIÓN DE BIOMASA
Finalmente, usando la composición en carbono de la biomasa (xC=0,5 gC/gbiomasa), podemos escribir el último coeficiente de rendimiento que nos interesa:
Donde, recordemos, VR es el volumen del reactor, a es la relación superficie volumen (a=VR/S, S es la superficie ocupada incluyendo la sombra proyectada) e Io es la irradiancia incidente en moles de fotones por unidad de superficie y tiempo. De esta expresión podemos despejar la que sería la concentración de biomasa mínima para metabolizar una Io dada.
Teniendo en cuenta que al producto Cb·a se le llama concentracion areal (g de biomasa por m2 de suelo ocupado) tambien se puede escribir:
El cociente
es la capacidad de metabolizar fotones de la biomasa microalgal en moles de fotones por gramo de biomasa y en la unidad de tiempo.
Cuestiones
1 - Un fotobiorreactor produce 0,45 g/L/dia ¿Qué flujo fotónico mínimo necesitaría?
2 - Un fotobiorreactor produce 24,3 g/L/m2 ¿Qué irradiancia incidente mínima necesitaría?
3 - ¿Cuanto O2 estarían produciendo los FBRs de las cuestiones anteriores?
4 - ¿Cuanto CO2 estarían consumiendo?
1.6 - Interacción de las microalgas con la luz
Por muy itensa que sea la iluminación externa, el interior de un cultivo denso puede estar prácticamente en la oscuridad (sin luz suficiente para producir fotosíntesis). Esta cubeta de L=8 cm está iluminada con Io=1500 µE m-2 s-1.
En esta foto de detalle, se aprecia que la mayoría del FBr está oscuro, aunque la foto ha sido tratada con HDR para disminuir los contrastes y que se vea con claridad.
Incluso en este sistema con un paso óptico muy reducido ( L=2 cm) existe una zona oscura limitada por luz.
La luz, nutriente limitante (o recurso limitante): La luz, por tanto, se vuelve limitante en los fotobiorreactores porque la aparición de zonas oscuras hace que, en promedio, el FBR esté oscuro incluso si la iluminación externa es muy elevada.
