Fotobiorreactor - Photobioreactor
Un fotobiorreactor ( PBR ) es un biorreactor que utiliza una fuente de luz para cultivar microorganismos fototróficos . Estos organismos utilizan la fotosíntesis para generar biomasa a partir de luz y dióxido de carbono e incluyen plantas, musgos , macroalgas, microalgas , cianobacterias y bacterias púrpuras . Dentro del ambiente artificial de un fotobiorreactor, las condiciones específicas se controlan cuidadosamente para las especies respectivas. Por lo tanto, un fotobiorreactor permite tasas de crecimiento y niveles de pureza mucho más altos que en cualquier lugar de la naturaleza o hábitats similares a la naturaleza. Hipotéticamente, la biomasa fototrópica podría derivarse de aguas residuales ricas en nutrientes y dióxido de carbono de los gases de combustión en un fotobiorreactor.
Sistemas abiertos
El primer enfoque para la producción controlada de organismos fototróficos fue un estanque abierto natural o un estanque artificial con canalizaciones . Allí, la suspensión de cultivo, que contiene todos los nutrientes necesarios y dióxido de carbono, se bombea en un ciclo, y se ilumina directamente con la luz solar a través de la superficie del líquido. Este principio de construcción es la forma más sencilla de producción de organismos fototróficos. Pero debido a su profundidad (hasta 0,3 m) y el suministro de luz promedio reducido relacionado, los sistemas abiertos solo alcanzan tasas limitadas de productividad por área. Además, el consumo de energía es relativamente alto, ya que deben procesarse grandes cantidades de agua que contienen una baja concentración de producto. Los espacios abiertos son costosos en áreas con una población densa, mientras que el agua es escasa en otras. El uso de tecnologías abiertas provoca grandes pérdidas de agua por evaporación a la atmósfera.
Sistemas cerrados
Desde la década de 1950 se han utilizado varios enfoques para desarrollar sistemas cerrados, que teóricamente proporcionan densidades celulares más altas de organismos fototróficos y, por lo tanto, una menor demanda de agua para bombear que los sistemas abiertos. Además, la construcción cerrada evita las pérdidas de agua relacionadas con el sistema y se minimiza el riesgo de contaminación por el aterrizaje de aves acuáticas o el polvo. Aunque los sistemas cerrados tienen una mejor productividad en comparación con los sistemas abiertos debido a las ventajas mencionadas, aún deben mejorarse para que sean adecuados para la producción de productos de bajo precio, ya que la densidad celular sigue siendo baja debido a varios factores limitantes. Todos los fotobiorreactores modernos han intentado equilibrar entre una fina capa de suspensión de cultivo, una aplicación de luz optimizada, un bajo consumo de energía de bombeo, gastos de capital y pureza microbiana. Sin embargo, la atenuación de la luz en el aumento de escala y el aumento de los requisitos de CO2 con el crecimiento son los dos cambios más inevitables en los cultivos fototróficos que limitan severamente la productividad de los fotobiorrectores. También se cree que la acumulación de oxígeno fotosintético con el crecimiento de microalgas en los fotobiorreactores es un factor limitante significativo; sin embargo, recientemente se ha demostrado con la ayuda de modelos cinéticos que niveles de oxígeno disuelto tan altos como 400% de saturación de aire no son inhibidores cuando la densidad celular es lo suficientemente alta como para atenuar la luz en etapas posteriores de cultivos de microalgas. Se han probado muchos sistemas diferentes, pero solo unos pocos enfoques pudieron funcionar a escala industrial.
Fermentadores de laboratorio rediseñados
El enfoque más simple es el rediseño de los fermentadores de vidrio conocidos , que son lo último en tecnología en muchas instalaciones de producción e investigación biotecnológica en todo el mundo. El reactor de musgo, por ejemplo, muestra un recipiente de vidrio estándar, que recibe luz externamente. Las boquillas de cabezal existentes se utilizan para la instalación de sensores y para el intercambio de gases. Este tipo es bastante común a escala de laboratorio, pero nunca se ha establecido a mayor escala, debido a su tamaño de recipiente limitado.
Fotobiorreactores tubulares
Hecho de tubos de vidrio o plástico, este tipo de fotobiorreactor ha tenido éxito dentro de la escala de producción. Los tubos están orientados horizontal o verticalmente y se alimentan desde una instalación central de servicios públicos con bomba, sensores, nutrientes y CO 2 . Los fotobiorreactores tubulares están establecidos en todo el mundo desde el laboratorio hasta la escala de producción, por ejemplo, para la producción del carotenoide astaxantina a partir del alga verde Haematococcus pluvialis o para la producción de complementos alimenticios a partir del alga verde Chlorella vulgaris . Estos fotobiorreactores aprovechan los altos niveles de pureza y sus eficientes resultados. La producción de biomasa se puede realizar con un alto nivel de calidad y la alta concentración de biomasa al final de la producción permite un procesamiento posterior energéticamente eficiente. Debido a los precios recientes de los fotobiorreactores, los conceptos económicamente viables hoy en día solo se pueden encontrar en mercados de alto valor, por ejemplo, complementos alimenticios o cosméticos.
Las ventajas de los fotobiorreactores tubulares a escala de producción también se transfieren a escala de laboratorio. Una combinación del recipiente de vidrio mencionado con una bobina de tubo delgado permite tasas de producción de biomasa relevantes a escala de investigación de laboratorio. Al estar controlado por un complejo sistema de control de procesos, la regulación de las condiciones ambientales alcanza un alto nivel.
Fotobiorreactor de árboles de Navidad
Un enfoque alternativo lo muestra un fotobiorreactor, que está construido en una geometría cónica y que lleva un sistema de circuito de doble manguera translúcido unido helicoidalmente. El resultado es un diseño similar a un árbol de Navidad. El sistema tubular está construido en módulos y teóricamente se puede escalar al aire libre hasta la escala agrícola. Una ubicación dedicada no es crucial, similar a otros sistemas cerrados, y por lo tanto, la tierra no cultivable también es adecuada. La elección del material debe prevenir la bioincrustación y asegurar altas concentraciones finales de biomasa. La combinación de turbulencia y concepto cerrado debe permitir una operación limpia y una alta disponibilidad operativa.
Fotobiorreactor de placas
Otro enfoque de desarrollo se puede ver con la construcción a base de placas de plástico o vidrio. Las placas con diferentes diseños técnicos se montan para formar una pequeña capa de suspensión de cultivo, que proporciona un suministro de luz optimizado. Además, la construcción más simple en comparación con los reactores tubulares permite el uso de materiales plásticos menos costosos. A partir de un conjunto de conceptos diferentes, por ejemplo, diseños de flujo serpenteante o sistemas de gas en el fondo, se han realizado y han mostrado buenos resultados de salida. Algunos problemas no resueltos son la estabilidad durante la vida útil del material o la formación de biopelículas. Las aplicaciones a escala industrial están limitadas por la escalabilidad de los sistemas de placas.
En abril de 2013, se encargó la IBA en Hamburgo, Alemania, un edificio con una fachada de fotobiorreactor de placa de vidrio integrada.
Fotobiorreactor horizontal
Este tipo de fotobiorreactor consta de una geometría básica en forma de placa con picos y valles dispuestos a una distancia regular. Esta geometría provoca la distribución de la luz incidente sobre una superficie mayor que corresponde a un efecto de dilución. Esto también ayuda a resolver un problema básico en el cultivo fototrófico, porque la mayoría de las especies de microalgas reaccionan de manera sensible a las intensidades de luz altas. La mayoría de las microalgas experimentan saturación de luz ya a intensidades de luz, que oscilan sustancialmente por debajo de la intensidad máxima de luz diurna de aproximadamente 2000 W / m 2 . Simultáneamente, se puede aprovechar una mayor cantidad de luz para mejorar la eficiencia de la fotoconversión. La mezcla se realiza mediante una bomba rotativa, que provoca una rotación cilíndrica del caldo de cultivo. A diferencia de los diseños verticales, los reactores horizontales contienen solo capas delgadas de medios con una presión hidrodinámica correspondientemente baja. Esto tiene un impacto positivo en el aporte energético necesario y al mismo tiempo reduce los costes de material.
Fotobiorreactor de lámina
La presión de los precios del mercado ha llevado al desarrollo de tipos de fotobiorreactores basados en láminas. Se montan láminas económicas de PVC o PE para formar bolsas o recipientes que cubren las suspensiones de algas y las exponen a la luz. Los rangos de precios de los tipos de fotobiorreactores se han ampliado con los sistemas de láminas. Debe tenerse en cuenta que estos sistemas tienen una sostenibilidad limitada ya que las láminas deben reemplazarse de vez en cuando. Para obtener saldos completos, también se debe calcular la inversión para los sistemas de soporte requeridos.
Biorreactor de sustrato poroso
El biorreactor de sustrato poroso (PSBR), que se está desarrollando en la Universidad de Colonia, también conocido como sistema de doble capa, utiliza un nuevo principio para separar las algas de una solución nutritiva por medio de una superficie porosa del reactor en la que las microalgas quedan atrapadas en biopelículas. . Este nuevo procedimiento reduce en un factor de hasta cien la cantidad de líquido necesario para la operación en comparación con la tecnología actual, que cultiva algas en suspensiones. Como tal, el procedimiento PSBR reduce significativamente la energía necesaria al tiempo que aumenta la cartera de algas que se pueden cultivar.
panorama
El debate en torno a las microalgas y su potencial en el secuestro de dióxido de carbono y la producción de biocombustibles ha provocado una gran presión sobre los desarrolladores y fabricantes de fotobiorreactores. Hoy en día, ninguno de los sistemas mencionados es capaz de producir biomasa de microalgas fototróficas a un precio que pueda competir con el petróleo crudo. Los nuevos enfoques prueban, por ejemplo, métodos de goteo para producir capas ultrafinas para un crecimiento máximo con la aplicación de gases de combustión y aguas residuales. Más adelante, se realizan muchas investigaciones en todo el mundo sobre microalgas optimizadas y modificadas genéticamente.