Ingenieria de Procesos aplicada a la Biotecnología de Microalgas
1.7 - Fotobiorreactores para el cultivo masivo de microalgas
Los fotobiorreactores (FBRs) son dispositivos destinados al cultivo masivo de microalgas. Para ello, tienen que mantener un medio estable (temperatura, pH, baja concentración de O2) y proporcionar los nutrientes necesarios para el crecimiento incluyendo la luz. Existen dos filisofías de diseño opuestas. Los reactores abiertos priman la economía aceptando un control pobre del entorno mientras que los FBR cerrados consiguen unas condiciones estrechamente controladas que permiten a las microalgas crecer a una velocidad óptima a cambio de un mayor coste.
Fotobiorreactores
Fotobiorreactores abiertos
En los fotobiorreactores abiertos el cultivo está en contacto con la atmósfera. Son instalaciones que intentan compensar con un bajo coste una baja productividad debida a un control poco estricto o inexistente de condiciones como el pH o la temperatura. Al estar abiertos son susceptibles a la invasión por otros microorganismos incluyendo microalgas, por lo que son especialmente adecuados para especies robustas y de rápido crecimiento.
Sin embargo, pese a estos inconvenientes, la mayoría de las microalgas producidas en el mundo provienen de este tipo de sistemas. Su gran ventaja es que es fácil y económico construirlos en grandes volúmenes incluso de cientos de metros cúbicos.
existen dos tipos básicos de fotobiorreactores abiertos: "open ponds" que, como su nombre indican son simples receptáculos del tamaño y forma adecuado y los "raceways" que, además son capaces de suministrar agitación y mezcla, facilitar el intercambio de gases e incluso controlar el pH en cierta medida.
OPEN PONDS
Como se muestra en la foto de la derecha, son simples balsas de la forma y profundidad adecuada que se llenan de medio con los nutrientes adecuados y se dejan crecer.
El proceo es, pues, muy económico y los costes de operación son muy bajos, pero la productividad por unidad de superficie y la concentración de biomasa son muy bajas.
Las microalgas adecuadas para este tipo de fotobiorreactores son las extremófilas, las capaces de sobrevivir en condicones extremas. Un ejemplo típico es la Dunaliella salina microalga halófila que crece en concetraciones salinas de hasta 100 g/L, lo que impide la proliferación de otras especies
RACEWAYS
Son dispositivos más sofisticados en el sentido de que proveen agitación y mezcla.
También pueden suministrar CO2 al cultivo de forma relativamente eficiente y con pocas pérdidas, lo que permite también un cierto control del pH.
El dispositivo de impulsión más común es la rueda de paletas o "paddle wheel" y consigue mantener el cultivo en suspensión y mezclado con un gasto de potencia de unos pocos watios por metro cúbico.
Fotobiorreactores cerrados
Los fotobiorreactores cerrados se denominan así porque matienen al cultivo totalmente aislado del medo ambiente exterior. Típicamente están equipados con sistemas de agitación, aireación, control del pH, intercambio del calor, adición de medio y CO2. Los fotobioreractores cerrados son dispositivos muy especializados, a menudos diseñados específicamente para una especie concreta.
Los fotobiorreactores tubulares, además, tienen partes separadas para la captación de la luz y para la desgasificació, por lo que permiten optimizar ambas funciones a cambio de un coste mayos que puede ser compensado por una mayor productividad.
COLUMNAS
Son fotobiorreactores cerrados que cosisten en una columna de buerbujeo de material transparente de diámetro d y altura H.
Dentro de los fotobiorreactores cerrados, las columnas son fáciles de construir ya que su forma cilíndrica ayuda a distribuir la luz y soporta bien la presión en la base.
Son dispositivos sencillos ya que el burbujeo proporciona la mezcla del sistema, la retirada del O2 y el aporte de CO2 que se puede mezclar con la corriente de aireación.
Se han utilizado columnas con recirculación interna con el objeto de mejorar el flujo y prolongar el contacto de los gases, mejorando así la transferencia de materia.
Su principal problema es el escalado. Es difícil construirlas de gran volumen ya que al aumentar el diámetro se aumenta muy deprisa la proporción de volumen oscuro, disminuyendo la productividad. Tampoco es posible hacerlas muy altas ya que la presion en la base dificulta el burbujeo y causa estrés hidrodinámico.
Las columnas de burbujeo, por su posición vertical, tampoco son buenas captadoras de luz, especialmente a mediodía, que es precisamente cuando la radiación solar es máxima. Es difícil construir columnas inclinadas ya que pierden muchas de sus ventajas.
Las instalaciones basadas en columnas de burbujeo
REACTORES PLANOS
Los reactores planos son similares a las columnas en su filosofía: aunan agitación e intercambio de materia en el mismo espacio en el que se capta la luz, pero intentan resolver algunos de los problemas de las columnas.
- El paso óptico se puede hacer tan delgado como se quiera.
- Es posible escalar el FBR incrementando su longitud, sin modificar la altura de líquido ni el paso óptimo.
- Pueden construirse de manera muy sencilla y económica: es suficiente un bastidor y un recubrimiento plástico.
- Se pueden construir inclinados y es posible orientarlos hacia el sol, para maximizar así la captación de luz y con ello la productividad.
En la practica no es fácil construir FBRs planos demasiado largos por la dificultad que tiene esta geometría para soportar la presión hidrostática. Además, pese a que pueden inclinarse, siguen siendo dispositivos verticales (dependen del burbujeo) y son por lo tanto pobres captadores de luz en muchos momentos del dia.
REACTORES TUBULARES
Finalmente, los FBRs tubulares son los más sofisticados y los más especializados, pero son tambien los más caros de construir. El diseño distingue dos partes: lazo y desgasificador:
- LAZO : es la parte en la que se lleva a cabo la captación de la energía solar. Se denomina "lazo" porque es un tubo dispuesto de alguna manera que proporcione una forma compacta, lo que requere codos y curvas. El lazo está específicamente diseñado para la captación de la luz, sin tener que preocuparnos por los intercambios de calor o materia, lo que permite optimizar la productividad maximizando la eficiencia fotosintética.
-Desgasificador : es la parte en la que se lleva a cabo el intercambio de materia, especialmente la desorción de O2 y los intercambios térmicos a través de cambiadores de calor que se pueden instalar al efecto.
Existen varias configuraciones en las que no vamos a abundar porque lo veremos más adelante. En las fotografías situadas deba y a la derecha puede vd ver configuracione tipo "valla" (fence-type) y en doble lazo horizontal. Note que en ambos casos los tubos están horizontales.
Los diseños buscan la simplicidad y la economía a la vez que intentan un aprovechamiento óptimo del suelo con el objeto de resultar económicos.
Cuestiones
1 - Enumere las ventajas y los inconvenientes de los fotobiorreactores abiertos.
2 - Clasifique los fotobiorreactores cerrados. ¿En qué se parecen los reactores planos y la columnas?
3 - ¿Qué es un desgasificador? ¿Cual es su misión?
1.7 - Fotobiorreactores para el cultivo masivo de microalgas
