Un fotobiorreactor (PBR) se refiere a cualquier sistema de cultivo diseñado para el cultivo de organismos fotoautótrofos utilizando fuentes de luz artificial o luz solar para facilitar la fotosíntesis. Los fotobiorreactores se utilizan normalmente para cultivar microalgas , cianobacterias y algunos musgos . [1] Los fotobiorreactores pueden ser sistemas abiertos, como estanques de canalización , que dependen de fuentes naturales de luz y dióxido de carbono . Los fotobiorreactores cerrados son sistemas flexibles que pueden controlarse según los requisitos fisiológicos del organismo cultivado, lo que da como resultado tasas de crecimiento y niveles de pureza óptimos. Los fotobiorreactores se utilizan normalmente 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 natural abierto o un estanque artificial con canales . Allí se bombea cíclicamente la suspensión del cultivo, que contiene todos los nutrientes necesarios y dióxido de carbono, siendo iluminada directamente por la luz solar a través de la superficie del líquido. Los estanques con canales 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 una posible contaminación por otros microorganismos. El uso de tecnologías abiertas también provoca pérdidas de agua por 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 mejorarse para hacerlos adecuados para la producción de productos de bajo precio, ya que la densidad celular sigue siendo baja debido a varios factores limitantes. [5] Todos los fotobiorreactores modernos han intentado equilibrar entre 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 importante; sin embargo, recientemente se ha demostrado con la ayuda de modelos cinéticos que 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 sólo unos pocos enfoques pudieron funcionar a escala industrial. [8]
El enfoque más sencillo es rediseñar los conocidos fermentadores de vidrio , que son lo último en tecnología 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 alimenta de luz desde el exterior. Las boquillas de cabezal existentes se utilizan para la instalación de sensores y para el intercambio de gases. [9] Este tipo es bastante común a escala de laboratorio, pero nunca se ha establecido a mayor escala, debido al tamaño limitado de su recipiente.
Fabricado a partir de tubos de vidrio o plástico, este tipo de fotobiorreactor ha tenido éxito a escala de producción. Los tubos están orientados horizontal o verticalmente y se alimentan desde una instalación central de servicios públicos con bomba, sensores, nutrientes y dióxido de carbono . Los fotobiorreactores tubulares se utilizan en todo el mundo desde el laboratorio hasta la escala de producción, p. ej. para la producción del carotenoide astaxantina a partir del alga verde Haematococcus pluvialis o para la producción de complementos 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 recientes precios de los fotobiorreactores, hoy en día sólo se pueden encontrar conceptos económicamente viables en mercados de alto valor, como por ejemplo los complementos alimenticios o los cosméticos. [11]
Las ventajas de los fotobiorreactores tubulares a escala de producción también se trasladan a escala de laboratorio. Una combinación del recipiente de vidrio mencionado con una bobina de tubo delgado permite tasas de producción de biomasa relevantes a escala de investigación de laboratorio. Al estar controlada por un complejo sistema de control de procesos, la regulación de las condiciones ambientales alcanza un alto nivel. [12]
Un enfoque alternativo lo muestra un fotobiorreactor, que está construido en una geometría cónica y que lleva un sistema de circuito de doble manguera translúcido unido helicoidalmente. [13] El resultado es un diseño similar a un árbol de Navidad. El sistema tubular está construido en módulos y teóricamente se puede escalar al aire libre hasta escala agrícola. Una ubicación exclusiva no es crucial, como ocurre con otros sistemas cerrados, por lo que las tierras no cultivables también son adecuadas. La elección del material debería evitar la bioincrustación y garantizar altas concentraciones de biomasa final. La combinación de turbulencia y el concepto cerrado debería permitir un funcionamiento limpio y una alta disponibilidad operativa. [14]
Otro enfoque de desarrollo se puede ver en la construcción a base de placas de plástico o vidrio. Se montan placas con diferentes diseños técnicos 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, diseños de flujo serpenteante o sistemas de gasificación de fondo, se han realizado y han mostrado buenos resultados. Algunas cuestiones 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 de Hamburgo, Alemania, un edificio con una fachada de fotobiorreactor de placa de vidrio integrada. [dieciséis]
Este fotobiorreactor consolidado también tiene forma de placa. La geometría patentada del reactor se caracteriza especialmente por una entrada de luz óptima con una mezcla simultánea del cultivo sin cizallamiento.
La mezcla de CO 2 y aire, de ajuste variable, se introduce en el fondo del fotobiorreactor a través de una membrana especial en un gran número de pequeñas burbujas de aire. El ascenso 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 CO 2 y aire y, por tanto, una muy buena entrada de CO 2 (grado de utilización). ) en la cultura. Por otro lado, la mezcla homogénea garantiza una muy buena entrada de luz de los LED de cultivo instalados habitualmente a ambos lados del sistema y, por tanto, un aprovechamiento muy alto de la energía luminosa.
Dado que la geometría del reactor integra una o varias cámaras inferiores que transportan el cultivo desde la zona superior hasta la zona inferior, el cultivo recibe constantemente y de forma homogénea los factores relevantes para la fotosíntesis, consiguiendo así una alta productividad.
El reactor fue desarrollado en el renombrado Instituto Fraunhofer de Alemania y fabricado por Subitec GmbH.
Este tipo de fotobiorreactor consta de una geometría básica en forma de placa con picos y valles dispuestos a una distancia regular. 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 sensiblemente a altas intensidades de luz. La mayoría de las microalgas experimentan saturación de luz ya a intensidades de luz que oscilan sustancialmente por debajo de la intensidad máxima de luz diurna de aproximadamente 2000 W/m 2 . Al mismo tiempo, se puede aprovechar una mayor cantidad de luz para mejorar la eficiencia de la fotoconversión. La mezcla se logra mediante una bomba rotativa, que provoca una rotación cilíndrica del caldo de cultivo. A diferencia de los diseños verticales, los reactores horizontales contienen sólo finas capas de medio con una presión hidrodinámica correspondientemente baja. Esto tiene un impacto positivo en el consumo de energía necesario y al mismo tiempo reduce los costes de material.
La presión de los precios del mercado ha llevado al desarrollo de tipos de fotobiorreactores basados en láminas. Se colocan láminas económicas de PVC o PE para formar bolsas o recipientes que cubren suspensiones de algas y las exponen a la luz. Con los sistemas de láminas se han ampliado los rangos de precios de los tipos de fotobiorreactores. Hay que tener en cuenta que estos sistemas tienen una sostenibilidad limitada ya que las láminas deben sustituirse de vez en cuando. Para saldos completos, también se debe calcular la inversión en los sistemas de soporte necesarios. [17]
El biorreactor de sustrato poroso [18] (PSBR), desarrollado 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 porosa del reactor sobre la que se encuentran las microalgas. atrapados en biopelículas. Este nuevo procedimiento reduce hasta en cien veces la cantidad de líquido necesario para su funcionamiento respecto a la tecnología actual, que cultiva algas en suspensión. Como tal, el procedimiento PSBR reduce significativamente la energía necesaria al tiempo que aumenta la cartera de algas que se pueden cultivar.
El debate sobre las microalgas y su potencial en 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. Se prueban nuevos enfoques, 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 genéticamente modificadas y optimizadas.