El proceso de cultivo de algas para la producción de biocombustibles

Las algas son organismos que crecen en ambientes acuáticos y usan luz y dióxido de carbono (CO₂) para crear biomasa. Hay dos clasificaciones de algas: macroalgas y microalgas. Las macroalgas, que se miden en pulgadas, son las grandes, algas multi-celulares a menudo vistas creciendo en charcas. Estas algas pueden crecer de diversas formas. Las algas multicelulares más grandes pueden ser por ejemplo las plantas kelp gigantes, que pueden tener longitudes de más de 100 pies. Las microalgas, en el otro lado, se miden en micrómetros y son algas unicelulares minúsculas que normalmente crecen en suspensión dentro de un cuerpo de agua.

Las microalgas se han reconocido como buenas fuentes para la producción de biocombustibles debido a su alto contenido en aceite y producción rápida de biomasa. Las microalgas crecen muy rápidamente en comparación con los cultivos terrestres; y en la práctica el cultivo en masa de algas puede realizarse en tierras no arables usando agua salina no potable y aguas residuales. Es por ello que las microalgas como materia prima para biocombustibles biodiesel están ganando interés de los investigadores, emprendedores y el público en general.

Uso potencial actual como biocombustible

La biomasa de algas contiene tres componentes principales: carbohidratos, proteínas, y aceites lípidos/naturales. Debido a que el grueso de los aceites naturales hechos por microalgas están en forma de tricylglycerol, que es el tipo correcto de aceite para producir biodiesel, las microalgas están en el punto de mira de la transformación de algas a biodiesel. Además de biodiesel, las microalgas pueden también usarse para generar energía de varias formas. Algunas especies pueden producir gas hidrógeno bajo condiciones de crecimiento especializado. La biomasa de algas también puede quemarse como la madera o transformarse en digestores anaeróbicos para producir biogás metano para generar calor y electricidad.

Biología y adaptación

Las microalgas crecen rápidamente y tienen un alto contenido en aceite comparado con los cultivos terrestres, los cuales tienen una estación de crecimiento y contienen un máximo de un 5 % de aceite respecto al peso seco. Además, estas algas comúnmente doblan su tamaño cada 24 horas. Durante la estación pico, algunas microalgas pueden doblar su tamaño cada tres horas y media. El contenido de aceite de las microalgas está usualmente entre el 20 y el 50 %, mientras que en algunos casos se puede alcanzar el 80 %. Este es el motivo por el que están en auge las microalgas para producir bioalgas.

El contenido de aceite en las microalgas es el siguiente:

• Botryococcus braunii. 25-75 %
•  Chlorella sp. 28-32 %
•  Crypthecodinium cohnii.  20 %
•  Cylindrotheca sp. 16-37 %
•  Nitzschia sp. 45-47 %
•  Phaeodactylum tricornutum. 20-30 %
•  Schizochytrium sp. 50-77 % Tetraselmis suecia 15-23 %

Por otra parte, la producción de aceite por tipo de cultivos comunes para producir biocombustibles es la siguiente:

•  Maíz 18 %
•  Soja  48 %
•  Canola 127 %
•  Jatropha 202 %
• Coco  287 
•  Aceite de palma  636 %
• Microalgas 6283-14641 %

Información de producción

La mayoría de las microalgas son estrictamente fotosintéticas – esto es, necesitan luz y dióxido de carbono como fuente de energía y de carbono. Este modo de cultivo se denomina usualmente fotoautotrófico. Algunas especies de algas, sin embargo, son capaces de crecer en la oscuridad y usar carbono orgánico tal como glucosa o acetato como fuente de energía y carbono. Este cultivo se denomina heterotrófico. No obstante este modo de cultivo no es competitivo para la fabricación de biocombustibles.

Las microalgas fototróficas requieren luz, dióxido de carbono, agua y sales inorgánicos para crecer. La temperatura de cultivo estará entre 15 y 30 ºC para un crecimiento óptico. Al medio de crecimiento deben contribuir los elementos inorgánicos que ayudan a crecer las células de algas, tales como nitrógeno, fósforo, hierro, y a veces silicio. En la producción de microalgas a gran escala, las células de algas deben continuamente mezclarse para prevenir que la biomasa de las algas se asiente, y los nutrientes deben proporcionarse durante las horas de luz, cuando las algas se están reproduciendo.

Actualmente están disponibles diferentes sistemas de cultivos de microalgas fotoautotróficos. Por ejemplo, las algas pueden crecer en suspensión o fijadas en la superficie de suelo. Cada sistema tiene sus propias ventajas y desventajas. Actualmente, lagunas abiertas basadas en la suspensión y fotobioreactores se usan comúnmente para la producción de biocombustibles.

Lagunas abiertas

Las lagunas abiertas son los sistemas más simples para el cultivo de microalgas. En este sistema, se usan lagunas poco profundas con una profundidad aproximada de 30 cm donde las algas se cultivan bajo condiciones idénticas a su ambiente natural. La laguna se diseña con la configuración de un circuito, en el que una rueda de paletas proporciona la circulación y mezcla de las células de algas y nutrientes. El circuito típicamente se hace de hormigón o se excava en tierra revestido con plástico para prevenir que se escape el líquido. Deflectores en el canal guían el caudal alrededor de las curvas para minimizar el espacio. El sistema a menudo opera en modo continuo. Las algas se cosechan después de haber circulado a través del bucle. Dependiendo de los nutrientes requeridos por las especies de algas, pueden usarse una gran variedad de fuentes de aguas residuales para el cultivo de algas, tales como los efluentes de vaquerías, granjas de cerdos o residuos municipales. Para algunos tipos de microalgas, puede usarse agua marina o agua con alta salinidad.

Aunque las lagunas abiertas cuestan menos de operar que los fotobiorreactores cerrados, este sistema de cultivos tiene sus desventajas. Ya que son sistemas abiertos, a menudo experimentan mucha pérdida de agua debido a la evaporación. Por ello, las microalgas creciendo en una laguna abierta a menudo no acumulan dióxido de carbono eficientemente, y la producción de biomasa es limitada. La productividad de biomasa también está limitada por la contaminación de especies de algas no deseadas y otros organismos. Adicionalmente, las condiciones ópticas de cultivo son difíciles de mantener en lagunas abiertas, y la recuperación de biomasa de tales medios diluidos es costosa.

Biorreactores cerrados

Los biorreactores cerrados se han empleado para superar los problemas de contaminación y evaporación encontrados en las lagunas abiertas. Estos sistemas están hechos de materiales transparentes y generalmente se colocan en exteriores para iluminación por luz natural. Los recipientes de cultivo tienen un gran ratio área a volumen.

El diseño más común es el fotobiorreactor con diseño tubular, con numerosos tubos transparentes, usualmente alineados con los rayos del sol. Los tubos tienen generalmente menos de 10 cm de diámetro para maximizar la penetración de la luz del sol. El medio acuoso se hace circular a través de una bomba a los tubos, donde se expone a la luz por fotosíntesis, y luego vuelve a un depósito. Debe prevenirse que la biomasa de algas sedimente manteniendo un caudal altamente turbulento dentro del reactor, usando una bomba mecánica o una bomba de elevación de aire. Una porción de las algas usualmente se cosecha después de los tubos de colección solar. De esta forma es posible un cultivo continuo de algas. Existen biorreactores donde los tubos son espirales en forma de serpentín, se conocen como fotobiorreactores tubulares helicoidales, pero estos a veces requieren iluminación artificial, que añadir al coste de producción. Por lo tanto, esta tecnología solamente se usa para productos de valor añadido, no materia prima para biodiesel.

El proceso de fotosíntesis genera oxígeno. En un sistema en circuito abierto, esto no es un problema ya que el oxígeno simplemente retorna a la atmósfera. Sin embargo, en un fotobiorreactor cerrado, los niveles de oxígeno aumentarán hasta que inhiban el crecimiento de las algas. El cultivo debe retornar periódicamente a una zona de desgasificación, un área donde el caldo de algas es burbujeado con aire para retirar el exceso de oxígeno. También, las algas usan dióxido de carbono, por lo cual bajarán los niveles de carbono y se incrementa el pH. Por lo tanto, el dióxido de carbono debe ser alimentado en el sistema en orden de cultivar las microalgas a gran escala. Los fotobiorreactores pueden requerir enfriamiento durante las horas del día, y la temperatura también debe ser regulada. Esto puede hacerse mediante intercambiadores de calor, localizados en tubos o en una columna de desgasificación.

La utilización de los fotobiorreactores cerrados presenta varias ventajas. Pueden superar los problemas de contaminación y evaporización que encontramos en las lagunas abiertas. La productividad de biomasa de los fotobioreactores puede ser 13 veces superior a la obtenida en las lagunas abiertas. Cosechar la biomasa de los fotobiorreactores es menos caro que en una laguna abierta, puesto que la biomasa de las algas está unas 30 veces más concentrada que la encontrada en las lagunas. Sin embargo, los fotobiorreactores cerrados tienen también algunas desventajas. Por ejemplo, los reactores son más caros y difícilmente escalables. Sin embargo, la limitación de luz no puede ser enteramente superada ya que la penetración de luz es inversamente proporcional a la concentración de células.

Producción potencial

Dependiendo del sistema de cultivo utilizado, la producción de microalgas se expresa como la cantidad de biomasa por unidad de superficie o por unidad de volumen de reactor. Una laguna abierta típica puede producir entre 5 y 10 gramos de biomasa (base seca) por m² de superficie por día. Algunos investigadores informan de producciones de biomasa tan altas como 50 g/m² al día. En los fotobioreactores cerrados, la producción de biomasa puede ser aproximadamente 2 o 3 gr/L por día. El contenido de biomasa seca es altamente variable.

Bibliografía: Algae for Biofuel Production. eXtension

Palabras clave: Helical tubular photobioreator, photosynthesis process