Un biorreactor de algas se utiliza para cultivar micro o macroalgas . Las algas pueden cultivarse 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 depurador de algas . [1] Los biorreactores de algas varían ampliamente en diseño, y se dividen en dos categorías generales: reactores abiertos y reactores cerrados. Los reactores abiertos están expuestos a la atmósfera, mientras que los reactores cerrados, también llamados comúnmente fotobiorreactores , están aislados en diversos grados de la atmósfera. Específicamente, los biorreactores de algas se pueden utilizar para producir combustibles como biodiesel y bioetanol , para generar alimento para animales o para reducir contaminantes como NOx y CO2 en los gases de combustión de las centrales eléctricas. Fundamentalmente, este tipo de biorreactor se basa en la reacción fotosintética , que es realizada por 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 que las algas puedan acceder a él. El biorreactor debe estar fabricado con material transparente.
El primer cultivo de microalgas fue de la Chlorella vulgaris unicelular 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 Instituto Carnegie para la Ciencia en Washington. En estos experimentos, se cultivaron Chlorella monocelulares añadiendo CO2 y algunos minerales. El objetivo de esta investigación era el cultivo de algas para producir un alimento barato para animales. [3]
Las algas son organismos fotoautotróficos principalmente eucariotas que realizan la fotosíntesis oxigenada. Estos tipos 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 capacidad para soportar una variedad de entornos. Las algas verdeazuladas, también conocidas como cianobacterias , se clasifican como fotoautotrofas procariotas debido a su falta de núcleo. La luz proporciona la energía esencial que la célula necesita para metabolizar CO 2 , nitrógeno, fósforo y otros nutrientes esenciales. Las longitudes de onda e 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 con la columna de burbujas 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 y 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 grandes categorías: sistemas abiertos y fotobiorreactores (PBR). La diferencia entre estos dos reactores es su exposición al entorno circundante. Los sistemas abiertos están totalmente 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 rotatorio 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 de manera continua mientras le devuelve dióxido de carbono y otros nutrientes. Por lo general, los estanques de canalización son muy grandes debido a su baja profundidad de agua. [5]
Otros sistemas menos comunes son los de cascada inclinada, en los que el flujo se conduce por gravedad hasta un tanque de retención, desde donde se bombea hacia arriba para volver a empezar. Este sistema puede producir altas densidades de biomasa, pero también implica mayores costos operativos. [7]
Hoy en día se deben diferenciar tres tipos básicos de fotobiorreactores de algas, pero el factor determinante es el parámetro unificador: la intensidad de la energía solar disponible.
Un reactor de placas consiste simplemente en cajas rectangulares translúcidas dispuestas de forma inclinada o vertical, que a menudo se dividen en dos partes para lograr una agitación del fluido del reactor. Generalmente, estas cajas se disponen en un sistema uniéndolas. Esas conexiones también se utilizan para realizar el proceso de llenado/vaciado, introducción de gas y transporte de sustancias nutritivas. La introducción del gas de combustión ocurre principalmente en la parte inferior de la caja para garantizar que el dióxido de carbono tenga tiempo suficiente para interactuar con las algas en el fluido del reactor. Por lo general, estas placas están iluminadas desde ambos lados y tienen una alta penetración de luz. Las desventajas del diseño de placa plana son la tolerancia de presión limitada y los altos requisitos de espacio. [8]
Un reactor tubular está formado por tubos dispuestos vertical u horizontalmente, conectados entre sí, por los que circula el fluido en suspensión de algas. Los tubos están generalmente hechos de plástico transparente o vidrio de borosilicato , y la circulación constante se mantiene mediante una bomba situada al final del sistema. La introducción del gas se realiza al principio o al final del sistema de tubos. Esta forma de introducir el gas provoca el problema de la deficiencia de dióxido de carbono y una 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 burbujeo consta de columnas cilíndricas dispuestas verticalmente hechas de material transparente. La introducción de gas se produce en la parte inferior de la columna y provoca una corriente turbulenta que permite un intercambio gaseoso óptimo. El burbujeo también actúa como un agitador natural. La luz suele provenir del exterior de la columna, sin embargo, los diseños más recientes introducen luces dentro de la columna para aumentar la distribución y la penetración de la luz. [8]
El cultivo de algas en un fotobiorreactor crea un rango limitado de posibilidades de aplicación industrial. Hay tres vías comunes para la biomasa cultivada. Las algas pueden usarse para mejoras ambientales, producción de biocombustibles y alimentos/biopiensos. [9] Algunas compañías energéticas [10] ya establecieron instalaciones de investigación con fotobiorreactores de algas para averiguar cuán eficientes podrían ser en la reducción de las emisiones de CO2 , que están 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, mediante la venta de créditos de emisión a otras compañías energéticas. [11] Estudios recientes en todo el mundo analizan el uso de algas para tratar aguas residuales como una forma de volverse más sustentable. [12]
El uso de algas como alimento es muy común en las regiones del este asiático [13] y está apareciendo en todo el mundo para su uso en materias primas e incluso productos farmacéuticos debido a sus productos de alto valor. [9] La mayoría de las especies contienen solo una fracción de proteínas y carbohidratos utilizables, y una gran cantidad de minerales y oligoelementos. En general, el consumo de algas debe ser mínimo debido al alto contenido de yodo , particularmente problemático para quienes padecen hipertiroidismo . Asimismo, muchas especies de algas diatomeas producen compuestos peligrosos para los humanos. [14] Las algas, especialmente algunas especies que contienen más del 50 por ciento de aceite y una gran cantidad de carbohidratos, se pueden utilizar para producir biodiésel y bioetanol extrayendo y refinando las fracciones. La biomasa de algas se genera 30 veces más rápido que alguna biomasa agrícola, [15] que se utiliza comúnmente para producir biodiésel.
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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, también se puede extraer energía térmica a través de un intercambiador de calor para suministrar agua caliente al edificio. [18] La tecnología aún se encuentra en una etapa temprana y aún no es apta para un uso más amplio.
La Green Power House de Montana, Estados Unidos, utilizó una tecnología de acuicultura de algas recientemente desarrollada dentro de un sistema que utiliza la luz solar y los desechos leñosos 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]
la familia Pseudo-nitzschia; en determinadas condiciones, estas diatomeas pueden producir toxinas dañinas para los humanos.