Desarrollo y validación de tecnologías de intensificación lumínica para fotobiorreactores (FBR) para el aprovechamiento de la radiación en el cultivo de microalgas

En la actualidad la humanidad se enfrenta a una serie de problemas de gran transcendencia que van a determinar en alto grado los niveles de calidad de vida en los próximos años. El calentamiento global, el incremento demográfico incontrolado, la contaminación ambiental y la escasez de recursos así como una mala distribución de los mismos, son sólo algunos ejemplos. En este contexto, las microalgas, microrganismos fotosintéticos de alta eficiencia y versatilidad, presentan una serie de características que las convierten a priori en la base de una tecnología con un enorme potencial para formar parte de la solución a estos graves problemas planteados. Uno de los principales factores que impiden una mayor implantación de la tecnología de microalgas es de tipo económico. La baja productividad por unidad de área de los sistemas de cultivo actuales y la alta inversión necesaria en equipos y mantenimiento, hace que solo se justifique el cultivo de productos de muy alto valor añadido. Las soluciones pasan por aumentar el rendimiento global de los cultivos y por disminuir los costes de equipos e instalaciones. La presente tesis investiga sobre la posibilidad de conseguir un mejor aprovechamiento de la luz solar incidente sobre un cultivo de microalgas mediante el uso de una serie de dispositivos ópticos que vienen a denominarse intensificadores lumínicos. De entre los factores que determinan la productividad de un campo de cultivo de microalgas, posiblemente el más determinante sea la cantidad de radiación que las microalgas pueden aprovechar. Los intensificadores aumentan la disponibilidad de luz en el interior de los tubos de cultivo, de forma que la fotosíntesis se vea favorecida y, de este modo, se incremente la tasa de crecimiento de las microalgas. En el desarrollo de la tesis se proponen tres tipologías diferentes de intensificador diseñadas en base a criterios óptico-geométricos. Para cada una de estas tipologías se evalúa el incremento de radiación que se lograría sobre un tubo de cultivo. Paralelamente se desarrolla un modelo que permite la evaluación de la productividad del cultivo. Esto permite añadir el factor biológico al puramente óptico-físico y valorar las distintas propuestas de intensificadores en función de las características propias del microalga utilizada en el cultivo. El modelo es verificado y contrastado frente a datos de producción obtenidos en la bibliografía. Finalmente, la exposición concluye con una presentación general de las futuras líneas de investigación. ABSTRACT Today, humanity is facing a series of problems of global significance that will determine the standard of living in the years ahead. Global warming, uncontrolled population growth, pollution, lack of resources and poor distribution of them are just an example of the challenges we are facing. In this context, microalgae, high efficient photosynthetic microorganisms, have a number of characteristics that turn them into a very promising technology that can contribute or be part of a sustainable solution. One of the main factors preventing the adoption of microalgae technology is economical. The low productivity per unit area of current farming systems and the high investment needed in equipment and maintenance, only justifies the cultivation of algae for high value applications. One solution could be increasing the overall yield of the crops and reduce the equipment and facilities costs. Among the factors that determine the productivity of a microalgae culture, possibly the most influential one is the amount of radiation that microalgae receive. This Thesis develops the possibility of making better use of the sunlight radiation incident on a crop field using a series of devices similar to solar collectors. The solar collectors proposed are intended to increase the availability of light inside the culture tubes and within it, the tax of photosynthesis and the overall growth rate of the microalgae. In this research, three different configurations of collectors are designed, based on optical and geometrical criteria. For each one of these collectors, the increase on radiation that would be expected is evaluated. Furthermore, a model for light distribution inside the culture is developed in terms to estimate the biomass productivity. This allows adding the biological factor to purely optical-physical considerations and to assess the different solar collectors proposed, in terms specific for the microalgae. The model is tested against production data obtained in different scientific literature. Finally, the exposition concludes with some guidelines for future research.

Cultivo de microalgas (Chlorella sorokiniana) con iluminación mediante LEDs

Con el fin de establecer si es posible llevar a cabo el cultivo de microalgas empleando LEDs (Light Emitting Diodes) y si el empleo de los mismos supone alguna ventaja, se llevaron a cabo cinco experiencias con el microalga Chlorella sorokiniana en las que se varió la cantidad y la calidad de la luz aplicada. En las dos primeras experiencias se empleó luz de un solo color, roja en la primera y azul en la segunda, ambas al 50 % de su intensidad. En las tres siguiente se ensayaron mezclas de ambas, aplicando en la tercera 50 % de luz roja y 50 % de luz azul, en la cuarta 70 % de luz roja y 30 % de luz azul y en la quinta 30 % luz roja y 70 % luz azul. En todos los casos se llevó a cabo simultáneamente el cultivo de un testigo en las mismas condiciones pero iluminado con una lámpara fluorescente. Diariamente se tomaron medidas de la densidad óptica, el pH y la conductividad eléctrica. El seguimiento de la temperatura se hizo por medio de sensores que tomaron muestras cada 60 segundos. La experiencia en la que se empleó luz roja y azul al 50 % de intensidad presentó las mayores diferencias con respecto al testigo. En el resto de los casos el ensayo y el testigo presentaron crecimientos similares. Además se evaluaron varias fuentes de luz de uso frecuente en laboratorio con el fin de conocer su espectro de emisión y su comportamiento al atravesar el medio de cultivo.

Posibilidades de cultivo de nuevas especies marinas en el área mediterránea

La acuicultura, el cultivo y cría de animales y plantas acuáticas, representa en la actualidad una fuente esencial de proteína animal y vegetal altamente saludable y nutritiva, proporcionando un sistema de vida y de ingresos en todo el mundo. La acuicultura además de ser un motor para el desarrollo social y económico de las áreas costeras marinas y fluviales mundiales, supone en muchas regiones subdesarrolladas una garantía de alimento de alta calidad y es clave en la seguridad alimentaria de sus poblaciones. El desarrollo de la acuicultura se ha realizado fundamentalmente en los últimos 50 años, y ha sido sobre todo en la década de los años 80, cuando la acuicultura ha experimentado un fuerte crecimiento con tasas anuales que superan el 6%. Con el estancamiento de la producción pesquera y el incremento de la población mundial, la acuicultura se presenta como la única fuente posible de suministro de proteínas (vegetales y animales) de alta calidad, ricas en aceites omega 3 (EPA y DHA) de origen acuático. En la actualidad la producción procedente de la acuicultura supera los 95 millones de toneladas anuales, siendo ligeramente superior a los 94 millones de toneladas anuales provenientes de la pesca extractiva. De este total mundial acuícola, la producción asiática representa el 89%, mientras que la europea el 4,2% Aunque el 46% de la producción mundial acuícola se concentra únicamente en solo 10 especies, una de las principales características de la acuicultura es la gran diversidad de especies cultivadas, más de 500, realizándose su cría bajo diferentes tecnologías y sistemas productivos. El ámbito de esta tesis, es únicamente la acuicultura marina que se desarrolla en las aguas del mar mediterráneo, indistintamente de los sistemas y tecnología de producción utilizados. Los principales grupos de cultivo que se realizan en las aguas del Mediterráneo son los moluscos y los peces, siendo muy escasos los cultivos de otros grupos como crustáceos y macroalgas. La piscicultura marina mediterránea está dominada por el cultivo en jaulas flotantes de dos especies, la dorada (Sparus auratus) y la lubina (Dicentrarchus labrax). Estas dos especies y tras 30 años de experiencia de cultivo, mantienen todavía una ineficiencia productiva alta (reducida selección genética, lento crecimiento hasta talla comercial, alto factor de conversón del pienso…) y además ocupan un estrecho nicho de mercado, ya que prácticamente toda la comercialización de la dorada y lubina se realiza en fresco y sin elaborar ni transformar, a una talla media de 500 g. Para dar respuesta desde la acuicultura mediterránea al alto consumo y a la creciente demanda que en la Unión Europea existe de los productos acuícolas, y en especial los productos elaborados y transformados, es necesario de manera urgente, un aumento de la producción de las especies ya cultivadas (dorada y lubina) mediante la mejora de su eficiencia productiva, al mismo tiempo que se debe iniciar la producción industrial de nuevas especies piscícolas, mediante la diversificación de los cultivos. Para llevar a cabo esta diversificación, se hace necesario el establecimiento de una metodología clara, que asegure una selección de especies apropiadas y rentables para la industria acuícola mediterránea, cuyo cultivo sostenible debiera cumplir con los desafíos que el sector tiene. Nuevas especies que complementen y cubran las demandas actuales y futuras del mercado Europeo e Internacional de productos acuícolas. Nuevas especies con parámetros productivos eficientes, que garanticen unos costes productivos competitivos. Nuevas especies que puedan ser cultivadas utilizando como base la tecnología de producción ya existente en el sector. El objetivo de esta tesis es la definición y desarrollo de una metodología sencilla para la selección de nuevas especies piscícolas marinas para su cultivo eficiente y sostenible Y bajo la aplicación de esta metodología, la selección de un grupo de especies piscícolas para su cultivo rentable a corto y medio plazo (6-8 años) en el Mediterráneo. Para ello se ha definido y aplicado una metodología con la que se han evaluado diez especies candidatas, previamente escogidas de una serie de listas previas originadas en los distintos estudios y trabajos de diversificación realizados con anterioridad por otros equipos de investigación. Estas especies candidatas han sido: Seriola dumerili. (Seriola) , Argyrosomus regius (Corvina), Polyprion americanus (Cherna), Ephinephelus marginatus (Mero), Dentex dentex (Dentón), Pagrus pagrus (Pargo), Solea senegalensis (Lenguado del Senegal), Thunnus thynnus (Atún rojo), Mugil cephalus (Lisa), Coryphaena hippurus (Lampuga). El conjunto de estas especies ocupa un amplio y variado espectro dentro de las distintas áreas de mercado, productiva, tecnológica, y medioambiental . Y en todas ellas existe una experiencia mínima en sus diferentes fases de cultivo. En el desarrollo de la metodología de selección, en esta tesis se han definido diversos parámetros de evaluación, considerados como los más significativos y sencillos de aplicar. Los parámetros se han agrupado en tres bloques, el comercial, el productivo y el medioambiental. El Bloque de Mercado, comprende aquellos criterios que están relacionados con la comercialización de la especie. Calidad de la carne del pescado. Competencia con otras especies en el mercado. Potencial de Transformado. Precio de venta del pescado. El bloque Medioambiental incluye criterios del grado de idoneidad de la especie en la región y del grado de impacto ambiental de su cultivo. Rango de temperaturas del agua óptimo para el cultivo. Potencial impacto ambiental de su cultivo. Eslabón trófico de la especie.. El bloque Productivo, engloba los criterios y parámetros relacionados con el nivel de conocimiento y control que sobre su cultivo existen ( larvario, engorde, tecnología) Grado de control de la fase larvaria. Disponibilidad de alevines en el sector Crecimiento. Factor de conversión Aprovechamiento de la capacidad productiva instalada, Coste de inversión. Previa a la evaluación se han descrito las principales características de las especies candidatas en función del estado y experiencia actual sus cultivos. En la aplicación de estos criterios se han establecido matrices de evaluación y a cada criterio se le ha asignado un valor diferente en función de sus características y propiedades selectivas. Los resultados obtenidos mediante la aplicación de la metodología de evaluación propuesta, han señalado la seriola y la corvina como especies más recomendadas para su puesta en cultivo en el Mediterráneo a corto y medio plazo. Las otras dos especies seleccionadas han sido la lisa y la lampuga. Como conclusión final podemos señalar que el cultivo de nuevas especies es fundamentalmente para el desarrollo sostenible de la acuicultura mediterránea. Esta diversificación debe basarse en la aplicación de una metodología sencilla y práctica, que garantice una selección de especies cuyo cultivo sea rentable y abarquen nuevos segmentos de mercado. ABSTRACT Aquaculture, the cultivation and breeding of aquatic animals and plants, currently represents an essential source of highly nutritious and healthy protein that provides a way of life and income all over the world. Apart from being a social and economic driver in coastal and marine areas, it also entails a guaranteed high quality nourishment in many undeveloped areas being key to the alimentary safety of their population. Aquaculture has developed mainly in the last 50 years and experienced a high growth especially during the Eighties when the annual rates were above 6%. With fishing production stagnating and the global population increasing, aquaculture emerges as the only possible animal and vegetable protein source of aquatic origin, high in quality and omega 3 oils (EPA and DHA). Here and now, aquaculture production is over 95 million tons per year, which is slightly higher than the 94 million tons per year that come from extractive fisheries. From this aquaculture total, Asiatic production represents 89% while Europe´s is only 4.2%. Even though 46% of the global aquaculture production focuses just on 10 species, one of the main characteristics of aquaculture is the wide diversity of cultivated species –over 500– using different technologies and production systems. This PhD’s scope is only marine aquaculture in Mediterranean water, regardless of the technology or systems used. The main crop groups in the Mediterranean sea are molluscs and finfish, while crustacean and macroalgae cultivations are very limited. Mediterranean fish culture is dominated by the cultivation in floating cages of two species: Bream (Sparus auratus) and Bass (Dicentrarchus labrax). After 30 years of farming, these two species still keep a high productive inefficiency –reduced genetic selection, slow growth to marketable size, high feed conversion rate– and fill a narrow niche market as practically all bream and bass is sold fresh and whole, unprocessed and untransformed, with an average size of 500 grams. To meet the high consumption and growing demand of aquaculture products, in the European Union (especially those prepared and transformed), Mediterranean aquaculture needs to urgently increase the production of the species already under cultivation (Bass and Bream) by means of improving its productive efficiency and at the same time begin initiating industrial production of new species by diversifying the cultivation. To carry out this diversification it is necessary to establish a clear methodology that ensures the selection of adapted and profitable species for the Mediterranean aquaculture industry. The sustainable farming of these new species needs to meet the challenges this sector faces: New species that complement and meet the current and future needs of the European and International markets for aquaculture products. New species with efficient production parameters that ensure competitive production costs. New species that can be cultivated using already existing production technologies. The aim of this PhD is to define and develop a simple methodology for the selection of new marine fish species for their efficient and sustainable cultivation. And by applying this methodology, to select a group of fish species for its profitable crop in the short and medium term (6-8 years) in the Mediterranean. For this, a methodology has been defined and applied evaluating ten candidate species selected from a series of lists originated from different studies and from diversification works previously conducted by other research teams. These candidate species are: Seriola dumerili. (Greater amberjack), Argyrosomus regius (Meagre), Polyprion americanus (Wreckfish), Ephinephelus marginatus (Dusky grouper), Dentex dentex (Common dentex), Pagrus pagrus (Red porgy), Solea senegalensis (Senegal sole), Thunnus thynnus (Bluefin tuna), Mugil cephalus (Grey mullet), Coryphaena hippurus (Dolphinfish). All these species occupy a broad and varied spectrum within different productive, technological and environmental market areas. There is minimal experience in their different stages of cultivation for all of them. While developing the selection methodology several evaluation parameters have been defined in this PhD, considered the most significant and simple to apply. The parameters are grouped in three blocks: commercial, productivity and environmental. Market block comprises criteria related to the marketing of the species. Quality of the fish meatCompetition with other species in the marketTransformation potentialFish selling price Environment block includes criteria related to the degree of suitability of the species in the region and the degree of environmental impact of their cultivation. Optimal water temperature range for cultivationPotential environmental impact of their cultivationTrophic chain level. Productivity block includes criteria and parameters related to the level of knowledge and control over their cultivation (larval, ongrowing, technology) Degree of control of the larval stageAvailability of alevin in the sector GrowthFeed conversion rate. Exploitation of installed capacityInvestment cost Prior to the evaluation, the main characteristics of the candidate species have been described based on the current status and experience of their cultivations. When applying these criteria evaluation matrices have been established assigning to each criteria a different value depending on their characteristics and selective properties. The results obtained by applying the proposed assessment methodology have identified the Greater Amberjack and Meagre as the most recommended species for farming in the Mediterranean in the short and medium term. The other two selected species were the Grey Mullet and the Dolphinfish. In conclusion, the cultivation of new species is crucial for the sustainable development of Mediterranean aquaculture. This diversification has to be based on the application of a simple and practical methodology that guarantees a selection of species whose cultivation is profitable and covers new market segments.