biorreactor de algas

Un biorreactor de algas se utiliza para el cultivo de microalgas o macroalgas . Las algas pueden cultivarse para la producción de biomasa (como en un cultivador de algas marinas ), el tratamiento de aguas residuales , la fijación _de CO₂ o la filtración de acuarios/estanques en forma de depurador de algas . ^{[ 1 ]} Los biorreactores de algas varían ampliamente en su diseño y se dividen en dos categorías principales: reactores abiertos y reactores cerrados. Los reactores abiertos están expuestos a la atmósfera, mientras que los reactores cerrados, también llamados fotobiorreactores , están aislados de la atmósfera en diversos grados. Específicamente, los biorreactores de algas pueden utilizarse para producir combustibles como biodiésel 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 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 que las algas puedan acceder a él. El biorreactor debe estar fabricado con material transparente.

El primer cultivo de microalgas fue el de la microalga unicelular Chlorella vulgaris, realizado por el microbiólogo holandés Martinus Beijerinck en 1890. Posteriormente, durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania utilizó estanques abiertos para aumentar el cultivo de algas con el fin de utilizarlas como suplemento proteico. ^{[ 2 ]} Algunos de los primeros experimentos con el objetivo de cultivar algas fueron llevados a cabo en 1957 por la Institución Carnegie para la Ciencia en Washington. En estos experimentos, se cultivó Chlorella monocelular mediante la adición de CO ₂ y algunos minerales. El objetivo de esta investigación era el cultivo de algas para producir un alimento animal económico. ^{[ 3 ]}

Las algas son principalmente organismos fotoautótrofos eucariotas que realizan fotosíntesis oxigénica. 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 fotoautótrofos 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 el PBR de columna de burbujas 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 elevadas y un pH entre 7 y 9 también son factores comunes. ^{[ 4 ]} Cada uno de estos factores puede variar de una especie a otra, por lo que es importante contar con las condiciones ambientales adecuadas 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 tipos de reactores radica en su exposición al entorno. Los sistemas abiertos están completamente expuestos a la atmósfera, mientras que los PBR tienen una exposición muy limitada.

Actualmente, existen tres tipos básicos de fotobiorreactores de algas que deben diferenciarse, pero el factor determinante es el parámetro unificador: la intensidad disponible de la energía solar.

Placa plana PBR

Un reactor de placas consiste simplemente en cajas rectangulares translúcidas dispuestas verticalmente o inclinadas, que a menudo se dividen en dos partes para agitar el fluido del reactor. Generalmente, estas cajas se organizan en un sistema mediante su interconexión. Estas conexiones también se utilizan para el llenado/vaciado, la introducción de gas y el transporte de sustancias nutritivas. La introducción de los gases de combustión suele producirse en la parte inferior de la caja para asegurar que el dióxido de carbono tenga tiempo suficiente para interactuar con las algas en el fluido del reactor. Normalmente, estas placas se iluminan desde ambos lados y presentan una alta penetración de luz. Las desventajas del diseño de placas planas son la limitada tolerancia a la presión y los elevados requisitos de espacio. ^{[ 8 ]}

Columna de burbujas PBR

Un fotorreactor de columna de burbujeo consta de columnas cilíndricas dispuestas verticalmente, fabricadas con material transparente. La introducción de gas se realiza en la parte inferior de la columna, generando una corriente turbulenta que permite un intercambio gaseoso óptimo. El burbujeo también actúa como agitador natural. La luz generalmente proviene del exterior de la columna; sin embargo, diseños recientes incorporan iluminación en el interior para mejorar la distribución y 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/bioalimentos. ^{[ 9 ]} Algunas compañías eléctricas ^{[ 10 ]} ya establecieron instalaciones de investigación con fotobiorreactores de algas para determinar su eficiencia en la reducción de las emisiones de CO ₂ , que se encuentran en los gases de combustión , y la cantidad de biomasa que 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 eléctricas. ^{[ 11 ]} Estudios recientes en todo el mundo analizan el uso de algas para el tratamiento de aguas residuales como una forma de lograr una mayor sostenibilidad. ^{[ 12 ]}

La utilización de algas como alimento es muy común en las regiones de Asia Oriental ^{[ 13 ]} y está apareciendo en todo el mundo para usos como materia prima 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 muchos minerales y oligoelementos. En general, el consumo de algas debe ser mínimo debido al alto contenido de yodo , particularmente problemático para las personas con hipertiroidismo . Asimismo, muchas especies de algas diatomeas producen compuestos no 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 mediante la extracción y refinación de las fracciones. La biomasa de algas se genera 30 veces más rápido que cierta biomasa agrícola, ^{[ 15 ]} que se usa comúnmente para producir biodiesel.

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 todavía no es apta para un uso más amplio.

La Green Power House en Montana, Estados Unidos, utilizó una tecnología de acuicultura de algas de reciente desarrollo dentro de un sistema que utiliza la luz solar y los residuos 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, cuya viabilidad no estaba clara. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

• biorreactor de musgo

• Acién Fernández, FG; Fernández Sevilla, JM; Sánchez Pérez, JA; Molina Grima, E.; Chisti, Y. (2001). "Fotobiorreactores tubulares de circuito externo impulsados ​​por puente aéreo para la producción de microalgas al aire libre: evaluación del diseño y rendimiento". Ciencias de la Ingeniería Química . 56 (8): 2721– 2732. Código bibliográfico : 2001ChEnS..56.2721A . CiteSeerX 10.1.1.494.1836 . doi : 10.1016/S0009-2509(00)00521-2 . 
• Borowitzka, Michael A. (1999). «Producción comercial de microalgas: estanques, tanques y fermentadores». Ingeniería de bioprocesos marinos, Actas de un simposio internacional organizado bajo los auspicios del Grupo de Trabajo sobre Biocatálisis Aplicada de la Federación Europea de Biotecnología y la Sociedad Europea de Biotecnología Marina . Avances en Microbiología Industrial. Vol.  35. págs. 313–321 . doi : 10.1016/S0079-6352(99)80123-4 . ISBN  9780444503879.
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• Chisti, Yusuf (2007). "Biodiésel a partir de microalgas". Avances en Biotecnología . 25 (3): 294– 306. doi : 10.1016/j.biotechadv.2007.02.001 . PMID 17350212 . 
• Cómo un emprendedor mató a su inversor. Archivado el 22 de abril de 2019 en Wayback Machine . 18 de agosto de 2016.