Un biorreactor de algas se utiliza para cultivar micro o macroalgas . Las algas se pueden cultivar con fines de producción de biomasa (como en un cultivador de algas ), tratamiento de aguas residuales , fijación de CO2 o filtración de acuarios/estanques en forma de un depurador de algas . [1] Los biorreactores de algas varían ampliamente en diseño y se dividen en dos categorías: reactores abiertos y reactores cerrados. Los reactores abiertos están expuestos a la atmósfera, mientras que los reactores cerrados, también comúnmente llamados fotobiorreactores , están aislados en diversos grados de la atmósfera. En concreto, los biorreactores de algas se pueden utilizar para producir combustibles como el biodiésel y el bioetanol , para generar piensos para animales o para reducir contaminantes como el NOx y el CO2 en los gases combustibles de las centrales eléctricas. Básicamente, este tipo de biorreactor se basa en la reacción fotosintética que realizan las propias algas que contienen clorofila utilizando dióxido de carbono disuelto y luz solar. El dióxido de carbono se dispersa en el fluido del reactor para hacerlo accesible a las algas. El biorreactor debe estar fabricado de material transparente.
El primer cultivo de microalgas fue el unicelular Chlorella vulgaris realizado por el microbiólogo holandés Martinus Beijerinck en 1890. Más tarde, durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania utilizó estanques abiertos para aumentar el cultivo de algas para su uso como suplemento proteico. [2] Algunos de los primeros experimentos con el objetivo de cultivar algas fueron realizados en 1957 por el Carnegie Institution for Science en Washington. En estos experimentos, se cultivó Chlorella monocelular añadiendo CO 2 y algunos minerales. El objetivo de esta investigación era el cultivo de algas para producir alimento animal barato. [3]
Las algas son principalmente organismos fotoautótrofos eucariotas que realizan la fotosíntesis oxigénica. Este tipo de algas se clasifican por sus pigmentos captadores de luz que les dan su color. [2] Las especies de algas verdes , también conocidas como Chlorophyta, se utilizan a menudo en biorreactores debido a su alta tasa de crecimiento y su capacidad para soportar una variedad de entornos. Las algas verdiazules, también conocidas como cianobacterias , se clasifican como fotoautótrofas procarióticas debido a su falta de núcleo. La luz proporciona la energía esencial que la célula necesita para metabolizar el CO 2 , el nitrógeno, el fósforo y otros nutrientes esenciales. Las longitudes de onda y las intensidades de la luz son factores muy importantes. [4] El CO 2 disponible también es un factor importante para el crecimiento y, debido a la menor concentración en nuestra atmósfera, se puede agregar CO 2 suplementario, como se ve en la columna de burbujeo PBR a continuación. Las microalgas también poseen la capacidad de absorber el exceso de nitrógeno y fósforo en condiciones de inanición, que son esenciales para la síntesis de lípidos y aminoácidos . Las temperaturas más altas y un pH superior a 7 e inferior a 9 también son factores comunes. [4] Cada uno de estos factores puede variar de una especie a otra, por lo que es importante tener las condiciones ambientales correctas al diseñar biorreactores de cualquier tipo.
Los biorreactores se pueden dividir en dos categorías amplias, sistemas abiertos y fotobiorreactores (PBR). La diferencia entre estos dos reactores es su exposición al medio ambiente circundante. Los sistemas abiertos están completamente expuestos a la atmósfera, mientras que los PBR tienen una exposición muy limitada a la atmósfera.
El sistema más simple produce un bajo costo de producción y operación. Los estanques necesitan un mezclador giratorio para evitar la sedimentación de la biomasa de algas. Sin embargo, estos sistemas son propensos a la contaminación debido a la falta de control ambiental. [5]
Una versión modificada de un estanque simple, el estanque de canalización utiliza ruedas de paletas para impulsar el flujo en una dirección determinada. [6] El estanque recolecta biomasa continuamente mientras proporciona dióxido de carbono y otros nutrientes al estanque. Normalmente, los estanques de canalización son muy grandes debido a su baja profundidad de agua. [5]
Los sistemas menos comunes incluyen un sistema de cascada inclinada donde el flujo es impulsado por gravedad hacia un tanque de retención, desde donde se bombea nuevamente para comenzar de nuevo. Este sistema puede producir altas densidades de biomasa, pero también implica mayores costos operativos. [7]
Hoy en día hay que diferenciar tres tipos básicos de fotobiorreactores de algas, pero el factor determinante es el parámetro unificador: la intensidad disponible de la energía solar.
Un reactor de placas consiste simplemente en cajas rectangulares translúcidas inclinadas o dispuestas verticalmente, que a menudo se dividen en dos partes para lograr una agitación del fluido del reactor. Generalmente, estas cajas se organizan en un sistema vinculándolas. Estas conexiones también se utilizan para realizar el proceso de llenado/vaciado, introducción de gas y transporte de sustancias nutritivas. La introducción de los gases de combustión se produce principalmente en el fondo de la caja para garantizar que el dióxido de carbono tenga tiempo suficiente para interactuar con las algas en el fluido del reactor. Normalmente, estas placas están iluminadas por ambos lados y tienen una alta penetración de luz. Las desventajas del diseño de placa plana son la tolerancia limitada a la presión y los grandes requisitos de espacio. [8]
Un reactor tubular consta de tubos conectados entre sí dispuestos vertical u horizontalmente, por los que circula el líquido en suspensión de algas. Los tubos generalmente están hechos de plástico transparente o vidrio de borosilicato y la circulación constante se mantiene mediante una bomba al final del sistema. La introducción del gas se realiza al final/principio del sistema de tubos. Esta forma de introducir gas causa el problema de la deficiencia de dióxido de carbono y la alta concentración de oxígeno al final de la unidad durante la circulación, lo que en última instancia hace que el proceso sea ineficiente. El crecimiento de microalgas en las paredes de los tubos también puede inhibir la penetración de la luz. [8]
Un fotorreactor de columna de burbujas consta de columnas cilíndricas dispuestas verticalmente hechas de material transparente. La introducción de gas tiene lugar en el fondo de la columna y provoca una corriente turbulenta para permitir un intercambio de gases óptimo. El burbujeo también actúa como agitador natural. La luz normalmente proviene del exterior de la columna; sin embargo, los diseños recientes introducen luces dentro de la columna para aumentar la distribución y penetración de la luz. [8]
El cultivo de algas en un fotobiorreactor crea una gama estrecha de posibilidades de aplicación industrial. Hay tres vías comunes para la biomasa cultivada. Las algas pueden utilizarse para mejoras medioambientales, producción de biocombustibles y alimentos/biopiensos. [9] Algunas compañías eléctricas [10] ya han establecido instalaciones de investigación con fotobiorreactores de algas para determinar su eficacia a la hora de reducir las emisiones de CO 2 contenidas en los gases de combustión y cuánta biomasa se producirá. La biomasa de algas tiene muchos usos y puede venderse para generar ingresos adicionales. El volumen de emisiones ahorrado también puede generar ingresos vendiendo créditos de emisión a otras compañías eléctricas. [11] Estudios recientes en todo el mundo analizan el uso de algas para el tratamiento de aguas residuales como una forma de volverse más sostenible. [12]
La utilización de algas como alimento es muy común en las regiones del este de Asia [13] y está apareciendo en todo el mundo para usos como materia prima e incluso en productos farmacéuticos debido a sus productos de alto valor. [9] La mayoría de las especies contienen sólo una fracción de proteínas y carbohidratos utilizables, y muchos minerales y oligoelementos. En general, el consumo de algas debe ser mínimo debido al alto contenido de yodo , especialmente problemático para quienes padecen hipertiroidismo . Asimismo, muchas especies de algas diatomeas producen compuestos que no son seguros para los humanos. [14] Las algas, especialmente algunas especies que contienen más del 50 por ciento de aceite y muchos carbohidratos, pueden usarse para producir biodiesel y bioetanol extrayendo y refinando las fracciones. La biomasa de algas se genera 30 veces más rápido que cierta biomasa agrícola, [15] que se utiliza comúnmente para producir biodiesel.
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La Casa BIQ construida en 2013 [16] [17] en Alemania es una casa biónica experimental que utiliza paneles de fachada de vidrio para el cultivo de microalgas . [18] Una vez que los paneles se calientan, la energía térmica también se puede extraer a través de un intercambiador de calor para suministrar agua caliente al edificio. [18] La tecnología aún se encuentra en una etapa inicial y aún no es apta para un uso más amplio.
Green Power House en Montana, Estados Unidos, utilizó tecnología de acuicultura de algas recientemente desarrollada dentro de un sistema que utiliza la luz solar y desechos de madera de un aserradero para proporcionar nutrientes a ocho estanques de algas del AACT que cubren su piso. [19] Los desafíos identificados de las fachadas de algas incluyen la durabilidad de los paneles de microalgas, la necesidad de mantenimiento y los costos de construcción y mantenimiento [20]
En 2022, los medios de comunicación informaron sobre el desarrollo de biopaneles de algas por parte de una empresa para la generación de energía sostenible con una viabilidad poco clara. [21] [22]
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )la familia Pseudo-nitzschia; bajo ciertas condiciones estas diatomeas pueden producir toxinas dañinas para los humanos