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.

Uso de microalgas inmovilizadas en biofilm para tratamiento de aguas residuales

Los sistemas desarrollados para el cultivo de las microalgas pueden clasificarse en dos grandes grupos, en función de la forma de desarrollo de las poblaciones algales: cultivos en suspensión y cultivos inmovilizados. A su vez, ambos sistemas de cultivo pueden ser abiertos o cerrados, según que las microalgas y el medio de cultivo estén en contacto directo con el aire atmosférico o no. Los cultivos de microalgas inmovilizadas en una superficie que actúa de soporte, forman un 'biofilm' contínuo sobre dicha superficie formando un ecosistema específico de agregación denominado 'biofilm', normalmente constituido por varias especies, incluyendo bacterias, aunque puede haber alguna predominante. Las principales ventajas que tienen los fotobior reactores de biofilm sobre los de células suspendidas son: a) Facilidad para la cosecha, b) Mayor concentración por unidad de volumen de medio, c) reducción o ausencia de células en el efluente, d) reducción en la necesidad de energía y e) mayor eficiencia en el empleo de la radiación recibida por unidad de superficie de suelo. El uso de fotobiorreactores abiertos de microalgas inmovilizadas es relativamente reciente, dirigiéndose los desarrollos en dos direcciones: una que considera el soporte del biofilm fijo, siendo el medio acuoso el que se mueve sobre él y otra que considera el soporte del biofilm móvil en un medio acuático estático o de lento movimiento. Al primero de los tipos pertenece el fotobiorreactor laminar desarrollado por el Grupo de Agroenergética de la UPM (GA-UPM) (patente ES 2 347 515 B2 ), especialmente concebido para la captación del CO2 procedente de emisiones y para la producción de biomasa algal. Otro desarrollo del GA-UPM perteneciente al segundo tipo ha sido un fotobiorreactor de biodisco de eje flotante, que elimina los inconvenientes de los contactores de biodisco tradicionales, ya que no necesita cojinetes de apoyo ni eje rígido y al estar dotado de un propulsor hidrobárico consume muy poca energía, sin limitación técnica en cuanto a la longitud total del eje. (Modelo de Utilidad ES 1 099 707 U). Este fotobiorreactor está especialmente diseñado para la eliminación de nutrientes (N y P) de los efluentes del secundario de las EDAR y también puede utilizarse como un contactor tradicional de biodiscos para eliminación de la materia orgánica de las aguas residuales con indudables ventajas de reducción de costes de instalación y funcionamiento.

Producción de biogás a partir de biomasa de la microalga scenedesmus sp. procedente de diferentes procesos

En este trabajo de Tesis Doctoral se ha estudiado la posibilidad de emplear las microalgas, concretamente el género Scenedesmus, como sustrato para la producción de biogás mediante digestión anaerobia, así como los residuos que se producen como consecuencia de su utilización industrial para diferentes fines. La utilización de las microalgas para la producción de biocombustibles es un tema de gran actualidad científica, en el que residen muchas expectativas para la producción a gran escala de biocombustibles que supongan una alternativa real a los combustibles fósiles. Existen numerosas investigaciones sobre la conversión a biogás de las microalgas, sin embargo aún hay poco conocimiento sobre la utilización de la digestión anaerobia como tratamiento de residuos de microalgas en un concepto de biorrefinería. Residuos que pueden ser generados tras la extracción de compuestos de alto valor añadido (p. ej. aminoácidos) o tras la generación de otro biocombustible (p. ej. biodiésel). Es en este aspecto en el que esta Tesis Doctoral destaca en cuanto a originalidad e innovación, ya que se ha centrado principalmente en tres posibilidades: - Empleo de Scenedesmus sp. como cultivo energético para la producción de biogás. - Tratamiento de residuos de Scenedesmus sp. generados tras la extracción de aminoácidos en un concepto de biorrefinería. - Tratamiento de los residuos de Scenedesmus sp. generados tras la extracción de lípidos en un concepto de biorrefinería. Los resultados obtenidos demuestran que la microalga Scenedesmus como cultivo energético para producción de biogás no es viable salvo que se empleen pretratamientos que aumenten la biodegradabilidad o se realice codigestión con otro sustrato. En este último caso, la chumbera (Opuntia maxima Mill.) ha resultado ser un sustrato idóneo para la codigestión con microalgas, aumentando la producción de biogás y metano hasta niveles superiores a 600 y 300 L kgSV-1, respectivamente. Por otro lado, el tratamiento de residuos generados tras la extracción de aminoácidos mediante digestión anaerobia es prometedor. Se obtuvieron elevados rendimientos de biogás y metano en las condiciones de operación óptimas (409 y 292 L kgSV-1, respectivamente). Aparte de la generación energética por medio el metano, que podría emplearse en la propia biorrefinería o venderse a la red eléctrica o de gas natural, reciclando el digerido y el CO2 del biogás se podría llegar a ahorrar alrededor del 30% del fertilizante mineral y el 25% del CO2 necesarios para el cultivo de nueva biomasa. Por lo tanto, la digestión anaerobia de los residuos de microalgas en un concepto de biorrefinería tiene un gran potencial y podría contribuir en gran medida al desarrollo de esta industria. Por último, una primera aproximación al tratamiento de residuos generados tras la extracción de lípidos muestra que éstos pueden ser empleados para la producción de biogás, como monosustrato, o en codigestión con glicerina, ya que son fácilmente biodegradables y el rendimiento potencial de metano puede alcanzar 218 LCH4 kgSV-1 y 262 LCH4 kg SV-1 en monodigestión o en codigestión con glicerina, respectivamente. ABSTRACT This PhD thesis explores the possibility of using microalgae, specifically the strain Scenedesmus, as substrate for biogas production through anaerobic digestion, as well as the residues generated after its use in different industrial processes. The use of microalgae for biofuels production is an emerging scientific issue. The possibility of producing biofuels from microalgae as a real alternative for fossil fuels is raising high expectations. There are several research projects on the conversion of microalgae to biogas; however, there is little knowledge about using anaerobic digestion for treating microalgae residues in a biorefinery scheme. These residues could be generated after the extraction of high value compounds (e.g. amino acids) or after the production of another biofuel (e.g. biodiesel). It is in this area in which this PhD thesis stands in terms of originality and innovation, since it has focused primarily on three possibilities: - The use of Scenedesmus sp. as an energy crop for biogas production. - Treatment of amino acid extracted Scenedesmus residues generated in a biorefinery. - Treatment of lipid extracted Scenedesmus residues generated in a biorefinery. The results obtained in this work show that the use of Scenedesmus as energy crop for biogas production is not viable. The application of pretreatments to increase biodegradability or the codigestion of Scenedesmus biomass with other substrate can improve the digestion process. In this latter case, prickly pear (Opuntia maxima Mill.) is an ideal substrate for its codigestion with microalgae, increasing biogas and methane yields up to more than 600 and 300 L kgVS-1, respectively. On the other hand, the treatment of residues generated after amino acid extraction through anaerobic digestion is promising. High biogas and methane yields were obtained (409 y 292 L kgVS-1, respectively). Besides the energy produced through methane, which could be used in the biorefinery or be sold to the power or natural gas grids, by recycling the digestate and the CO2 30% of fertilizer needs and 25% of CO2 needs could be saved to grow new microalgae biomass. Therefore, the anaerobic digestion of microalgae residues generated in biorefineries is promising and it could play an important role in the development of this industry. Finally, a first approach to the treatment of residues generated after lipid extraction showed that these residues could be used for the production of biogas, since they are highly biodegradable. The potential methane yield could reach 218 LCH4 kgVS-1 when they are monodigested, whereas the potential methane yield reached 262 LCH4 kgVS-1 when residues were codigested with residual glycerin.