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.