Un fotobiorreactor (PBR) se refiere a cualquier sistema de cultivo diseñado para el crecimiento de organismos fotoautotróficos utilizando fuentes de luz artificial o luz solar para facilitar la fotosíntesis. Los fotobiorreactores se utilizan típicamente para cultivar microalgas , cianobacterias y algunos musgos . [1] Los fotobiorreactores pueden ser sistemas abiertos, como estanques de canales , que dependen de fuentes naturales de luz y dióxido de carbono . Los fotobiorreactores cerrados son sistemas flexibles que se pueden controlar según los requisitos fisiológicos del organismo cultivado, lo que da como resultado tasas de crecimiento y niveles de pureza óptimos. Los fotobiorreactores se utilizan típicamente para el cultivo de compuestos bioactivos para biocombustibles , productos farmacéuticos y otros usos industriales. [2]
El primer enfoque para la producción controlada de organismos fototróficos fue un estanque abierto natural o un estanque artificial de tipo raceway . En ellos, la suspensión de cultivo, que contiene todos los nutrientes necesarios y el dióxido de carbono, se bombea en un ciclo, recibiendo la luz solar directa a través de la superficie del líquido. Los estanques de tipo raceway todavía se utilizan comúnmente en la industria debido a su bajo costo operativo en comparación con los fotobiorreactores cerrados. Sin embargo, ofrecen un control insuficiente de las condiciones de reacción debido a su dependencia del suministro de luz ambiental y dióxido de carbono , así como a la posible contaminación de otros microorganismos. El uso de tecnologías abiertas también da como resultado pérdidas de agua debido a la evaporación a la atmósfera. [3]
La construcción de fotobiorreactores cerrados evita pérdidas de agua relacionadas con el sistema y minimiza la contaminación. [4] Aunque los sistemas cerrados tienen una mejor productividad en comparación con los sistemas abiertos debido a esto, aún necesitan ser mejorados para que sean adecuados para la producción de productos básicos de bajo precio, ya que la densidad celular sigue siendo baja debido a varios factores limitantes. [5] Todos los fotobiorreactores modernos han intentado equilibrar una fina capa de suspensión de cultivo, una aplicación de luz optimizada, un bajo consumo de energía de bombeo, un gasto de capital y una pureza microbiana. Sin embargo, la atenuación de la luz y el aumento de los requisitos de dióxido de carbono con el crecimiento son los dos cambios más inevitables en los cultivos fototróficos que limitan gravemente la productividad de los fotobiorreactores. [6] [5] También se cree que la acumulación de oxígeno fotosintético con el crecimiento de microalgas en fotobiorreactores es un factor limitante significativo; sin embargo, recientemente se ha demostrado con la ayuda de modelos cinéticos que los niveles de oxígeno disuelto de hasta el 400% de saturación de aire no son inhibidores cuando la densidad celular es lo suficientemente alta como para atenuar la luz en etapas posteriores de los cultivos de microalgas. [7] Se han probado muchos sistemas diferentes, pero solo unos pocos enfoques pudieron funcionar a escala industrial. [8]
El enfoque más simple es el rediseño de los conocidos fermentadores de vidrio , que son el estado de la técnica en muchas instalaciones de investigación y producción biotecnológicas en todo el mundo. El reactor de musgo, por ejemplo, muestra un recipiente de vidrio estándar, que se suministra externamente con luz. Las boquillas de cabezal existentes se utilizan para la instalación de sensores y para el intercambio de gases. [9] Este tipo es bastante común en escala de laboratorio, pero nunca se ha establecido a mayor escala, debido a su tamaño limitado del recipiente.
Este tipo de fotobiorreactor, fabricado a partir de tubos de vidrio o plástico, ha tenido éxito en la escala de producción. Los tubos están orientados horizontal o verticalmente y se alimentan desde una instalación central de servicios con bomba, sensores, nutrientes y dióxido de carbono . Los fotobiorreactores tubulares se establecen en todo el mundo desde el laboratorio hasta la escala de producción, por ejemplo, para la producción del carotenoide astaxantina a partir del alga verde Haematococcus pluvialis o para la producción de suplementos alimenticios a partir del alga verde Chlorella vulgaris . Estos fotobiorreactores aprovechan los altos niveles de pureza y sus resultados eficientes. La producción de biomasa se puede realizar con un alto nivel de calidad y la alta concentración de biomasa al final de la producción permite un procesamiento posterior energéticamente eficiente. [10] Debido a los precios recientes de los fotobiorreactores, hoy en día solo se pueden encontrar conceptos económicamente viables en mercados de alto valor, por ejemplo, suplementos alimenticios o cosméticos. [11]
Las ventajas de los fotobiorreactores tubulares a escala de producción se trasladan también a escala de laboratorio. Una combinación del mencionado recipiente de vidrio con un serpentín de tubo delgado permite tasas de producción de biomasa relevantes a escala de investigación de laboratorio. Al estar controlado por un complejo sistema de control de procesos, la regulación de las condiciones ambientales alcanza un alto nivel. [12]
Un método alternativo es el de un fotobiorreactor construido con una geometría cónica y que lleva unido de forma helicoidal un sistema de doble circuito de mangueras translúcidas. [13] El resultado es un diseño similar a un árbol de Navidad. El sistema tubular está construido en módulos y, en teoría, se puede ampliar al aire libre hasta la escala agrícola. Una ubicación específica no es crucial, al igual que otros sistemas cerrados, y por lo tanto, también es adecuado el terreno no cultivable. La elección del material debe evitar la bioincrustación y garantizar altas concentraciones finales de biomasa. La combinación de turbulencia y el concepto cerrado debe permitir un funcionamiento limpio y una alta disponibilidad operativa. [14]
Otro enfoque de desarrollo se puede ver con la construcción basada en placas de plástico o vidrio. Las placas con diferentes diseños técnicos se montan para formar una pequeña capa de suspensión de cultivo, lo que proporciona un suministro de luz optimizado. Además, la construcción más sencilla en comparación con los reactores tubulares permite el uso de materiales plásticos menos costosos. A partir del conjunto de diferentes conceptos, por ejemplo, se han realizado diseños de flujo serpenteante o sistemas con gas en el fondo y se han obtenido buenos resultados de producción. Algunos problemas sin resolver son la estabilidad de la vida útil del material o la formación de biopelículas. Las aplicaciones a escala industrial están limitadas por la escalabilidad de los sistemas de placas. [15]
En abril de 2013 se puso en funcionamiento el IBA en Hamburgo, Alemania, un edificio con una fachada con un fotobiorreactor de placas de vidrio integrado. [16]
Este fotobiorreactor de eficacia probada también tiene forma de placa. La geometría patentada del reactor se caracteriza, en particular, por la entrada óptima de luz con una mezcla simultánea sin cizallamiento del cultivo.
La mezcla de aire y CO2, regulable de forma variable, se introduce en el fondo del fotobiorreactor a través de una membrana especial en forma de un gran número de pequeñas burbujas de aire. La elevación de las burbujas de aire en el reactor de placas de forma especial crea una mezcla homogénea del cultivo y, por un lado, un tiempo de residencia muy largo de la mezcla de aire y CO2 y, por lo tanto, una muy buena entrada de CO2 ( grado de aprovechamiento) en el cultivo. Por otro lado, la mezcla homogénea garantiza una muy buena entrada de luz de los LED de cultivo instalados normalmente en ambos lados del sistema y, por lo tanto, un muy alto aprovechamiento de la energía luminosa.
Como la geometría del reactor integra una o más cámaras inferiores que transportan el cultivo desde la zona superior hasta la zona inferior, el cultivo se suministra de forma constante y homogénea con los factores relevantes para la fotosíntesis, lográndose así una alta productividad.
El reactor fue desarrollado en el renombrado Instituto Fraunhofer de Alemania y fabricado por Subitec GmbH.
Este tipo de fotobiorreactor se compone de una geometría básica en forma de placa con picos y valles dispuestos a distancias regulares. Esta geometría provoca la distribución de la luz incidente sobre una superficie mayor, lo que corresponde a un efecto de dilución. Esto también ayuda a resolver un problema básico en el cultivo fototrófico, porque la mayoría de las especies de microalgas reaccionan de manera sensible a altas intensidades de luz. La mayoría de las microalgas experimentan saturación de luz ya a intensidades de luz que se encuentran sustancialmente por debajo de la intensidad máxima de luz diurna de aproximadamente 2000 W/m2 . Al mismo tiempo, se puede aprovechar una mayor cantidad de luz para mejorar la eficiencia de la fotoconversión. La mezcla se realiza mediante una bomba rotatoria, que provoca una rotación cilíndrica del caldo de cultivo. A diferencia de los diseños verticales, los reactores horizontales contienen solo capas delgadas de medio con una presión hidrodinámica correspondientemente baja. Esto tiene un impacto positivo en el aporte de energía necesaria y reduce al mismo tiempo los costos de material.
La presión de los precios del mercado ha llevado al desarrollo de fotobiorreactores basados en láminas. Se montan láminas de PVC o PE económicas para formar bolsas o recipientes que cubren suspensiones de algas y las exponen a la luz. Los rangos de precios de los fotobiorreactores se han ampliado con los sistemas de láminas. Hay que tener en cuenta que estos sistemas tienen una sostenibilidad limitada, ya que las láminas deben sustituirse de vez en cuando. Para obtener balances completos, también hay que calcular la inversión en sistemas de soporte necesarios. [17]
El biorreactor de sustrato poroso [18] (PSBR), que se está desarrollando en la Universidad de Colonia, también conocido como sistema de doble capa, utiliza un nuevo principio para separar las algas de una solución nutritiva mediante una superficie de reactor porosa en la que las microalgas quedan atrapadas en biopelículas. Este nuevo procedimiento reduce en un factor de hasta cien la cantidad de líquido necesario para el funcionamiento en comparación con la tecnología actual, que cultiva algas en suspensiones. De este modo, el procedimiento PSBR reduce significativamente la energía necesaria al tiempo que aumenta la gama de algas que se pueden cultivar.
El debate en torno a las microalgas y su potencial para el secuestro de dióxido de carbono y la producción de biocombustibles ha generado una gran presión sobre los desarrolladores y fabricantes de fotobiorreactores. [19] Hoy en día, ninguno de los sistemas mencionados es capaz de producir biomasa de microalgas fototróficas a un precio que pueda competir con el petróleo crudo. Los nuevos enfoques prueban, por ejemplo, métodos de goteo para producir capas ultrafinas para un crecimiento máximo con la aplicación de gases de combustión y aguas residuales. Además, se realizan muchas investigaciones en todo el mundo sobre microalgas modificadas genéticamente y optimizadas.