Un fotobiorreactor es un sistema que asegura la producción de microorganismos fotosintéticos suspendidos en el agua, como bacterias fotosintéticas, cianobacterias, microalgas eucariotas , células vegetales multicelulares aisladas , plantas pequeñas como gametofitos de macroalgas y protonemas de musgo . Esta producción tiene lugar por cultivo, la mayoría de las veces clonal, en un medio acuoso bajo iluminación. La amplificación hasta volúmenes industriales que pueden alcanzar cientos de metros cúbicos se realiza en etapas sucesivas donde el volumen de una etapa se utiliza para inocular el siguiente volumen. Para recolectar la población microbiana y asegurar la producción de biomasa, el volumen de cada paso puede renovarse parcialmente todos los días (cultivo continuo) o cambiarse por completo (cultivo por lotes). A estas etapas corresponden fotobiorreactores de volumen creciente y de diferente naturaleza.
Los cultivos fotosintéticos clonales requieren que se realicen cuatro condiciones continuamente bajo asepsia.
Los fotobiorreactores son de naturaleza muy variada, desde cuencas al aire libre hasta sistemas cerrados. Se diferencian en muchos aspectos relacionados en particular con su geometría y condiciones de cultivo, el modo de confinamiento, luz, mezcla, control térmico, transferencias de gas y condiciones de operación. Diferentes consideraciones permiten clasificar estos sistemas, en particular el control más o menos riguroso de las condiciones de cultivo y el espesor de la capa de cultivo. Podemos distinguir entre espesores decimétricos (cuencas, columnas y tanques) y centimétricos (planos inclinados, tubos, placas). La Tabla 1 reúne algunas actuaciones mencionadas en la literatura para una variedad de especies y fotobiorreactores.
Tabla 1: Concentraciones y productividades superficiales de diferentes fotobiorreactores clasificados según el espesor de la capa de cultivo (Ø = diámetro).
Sistema de producción | Longitud del camino óptico (cm) | Especies de microalgas | Concentraciones máximas (gl -1 ) | Productividad superficial (gm -2 d -1 ) | Fuente |
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Plano inclinado | 1 | Chlorella sp. | 2 | 25 (p) | |
Lámina | 1.2 | Arthrospira platensis | 4 - 6 | 24 (d) | |
Tubular | 2,5 (Ø) | Spirulina platensis | 4 | 27 (p) | |
Tubular | 4,8 (Ø) | Chlorella vulgaris | 4 | 52 (p) | |
Tubular | 6,0 (Ø) | Porphyridium cruentum | 1 | 25 (p) | |
Tubular | 12,3 (Ø) | Spirulina maxima | 1 | 25 (p) | |
Piscina | 15 | Arthrospira platensis , Dunaliella salina , Odontella aurita | 0.4 | 12 - 13 (p) | |
Tubular | 50 (Ø) | Haematococcus pluvialis | 0.4 | 13 (p) | |
Columna de burbujas | 50 (Ø) | T. Iso , Pavlova lutheri , Chaetoceros calcitrans , Tetraselmis suecica | 0,1 | 3 (d) |
(p) área de la huella; (d) área desarrollada
Debido a su exposición a la contaminación, los cultivos puros de una sola especie son poco posibles en fotobiorreactores que presenten una interfaz con el medio (cuencas, tanques, planos inclinados), a excepción de un puñado de especies extremófilas, entre las cuales Arthrospira sp., Chlorella sp. , Dunaliella salina , Odontella aurita , Scenedesmus sp. y Nannochloropsis oculata . Las otras especies requieren precauciones destinadas a favorecer su desarrollo reforzando la asepsia y mediante la inoculación masiva. A pesar de esto, los cultivos a menudo tienen una vida corta (lotes) debido a la contaminación de competidores y depredadores de crecimiento más rápido.
El fotobiorreactor más simple y más utilizado en los criaderos de acuicultura es un tubo vertical transparente en cuya base se inyecta aire y que recibe luz de los lados. El volumen de estas columnas de burbujas varía de 100 a 1000 litros. El fondo es plano inclinado o cónico y se abren o cierran mediante una funda no impermeable. Se distinguen según la naturaleza de los plásticos que constituyen sus paredes transparentes (polietileno, polimetilmetacrilato, poliéster reforzado o policarbonato), el espesor de estas paredes (capa o película rígida) y el modo de renovación del volumen de cultivo. o lote).
Los tubos fluorescentes a menudo se colocan alrededor de estos volúmenes de acuerdo con una relación potencia / volumen del orden de 1 vatio por litro de cultivo. La luz natural también se utiliza cuando la latitud lo permite. Los espesores de cultivo relativamente grandes no permiten alcanzar concentraciones muy elevadas. Estos sistemas se utilizan ampliamente en los criaderos de acuicultura marina para el cultivo de microalgas como alimento para larvas de moluscos y camarones y presas vivas de larvas de pez boca chica. Para esta aplicación, la biomasa de microalgas se distribuye en forma de cultivo crudo. Como para todos los cultivos de microorganismos, buscaremos maximizar las concentraciones de microalgas en la cosecha con el fin de reducir el trabajo de separación sólido-líquido (excepto en el caso de la acuicultura donde no se recolecta la biomasa). La búsqueda de las concentraciones más altas tiende a favorecer una reducción del espesor del cultivo de microalgas. En la práctica, las longitudes de la trayectoria óptica rara vez son más cortas que cm.
Estos organismos fotosintéticos utilizados en un fotobiorreactor tienen la particularidad de utilizar el CO 2 presente en el aire para producir O 2 y multiplicarse (principio de algoritmocultivo ).
El interés de estos cultivos a gran escala se basa en la propia utilidad de obtener una importante biomasa de algas. De hecho, las algas (en particular) tienen una alta capacidad reproductiva (creación de una gran biomasa ). Producen grandes cantidades de lípidos que se pueden utilizar en particular para la fabricación de biocombustibles (biocombustible, biogás ).
Además, la capacidad descontaminante de estas algas también se puede utilizar para limpiar las aguas residuales y la atmósfera.
Estas propiedades particulares de las algas se utilizan en varias aplicaciones para producir energía (biocombustible, calor y electricidad).
Los fotobiorreactores tubulares están destinados a un gran desarrollo debido al estrecho control de las condiciones de cultivo que permiten y de los rendimientos que resultan de ellos. Aquellos dispuestos en barreras verticales de haces tubulares que fluyen horizontalmente exhiben una alta eficiencia fotosintética relacionada con su capacidad para usar luz difusa. Allí se hace circular el cultivo en bucle para pasar alternativamente por el tubo transparente donde capta la luz y hacia una torre de desgasificación donde debe perder imperiosamente su oxígeno para no inhibir la fotosíntesis. Algunas de estas instalaciones suman 500 km de tubería de vidrio, como la de la empresa Roquette Frères en Klötze (Alemania).
Para evitar que el contenido de oxígeno disuelto alcance valores críticos, los períodos entre dos pasos en la torre de desgasificación deben disminuir a medida que aumenta el tamaño del fotobiorreactor. En algunas instalaciones grandes, estos períodos pueden reducirse al minuto. A continuación, las bombas se dimensionan para hacer circular el cultivo a 2 m / s en la tubería y en la torre de desgasificación que puede alcanzar los 7 m de altura. Además de consumir mucha energía (> 2000 W / m 3 ), estos procesos de cultivo someten a las microalgas a intensas tensiones mecánicas que solo un puñado de especies pueden resistir. Se trata generalmente de pequeñas microalgas, sin apéndices y con una pared celular resistente como Chlorella vulgaris , Scenedesmus obliquus , Nannochloropsis oculata , Haematococcus pluvialis (quistes). Debido a su tolerancia al estrés mecánico, estas especies extremófilas son cultivadas en Europa por Salata, Roquette Frères (Alemania), CleanAlgae (España), Necton (Portugal) y Algatech (Israel).
Un nuevo concepto de fotobiorreactor tubular se diferencia del anterior en que el cultivo co-circula en el tubo al mismo tiempo que el gas enriquecido en CO 2 asegurando la captación del exceso de oxígeno. Esto hace que la eficiencia de la desgasificación sea independiente del tamaño del fotobiorreactor y le da a la tecnología un gran potencial para reducir los costos de capital y operativos al aumentar el tamaño sin afectar el rendimiento. Otra consecuencia práctica de esta elección radica en el hecho de que la velocidad de circulación es mucho menor ( 0,3 m / s ) que en los fotobiorreactores de torre de desgasificación. Esto reduce considerablemente el gasto energético (<400 W / m 3 ), las tensiones mecánicas aplicadas a las microalgas circulantes, y permite realizar de manera eficiente otras funciones esenciales como la limpieza en línea de la cara interna del reactor. Los fotobiorreactores de 5.000 L según este concepto se utilizan en Baillargues (Francia) por la empresa Microphyt desde finales de 2009. Han demostrado ser adecuados para el cultivo industrial de varias especies de microalgas especialmente delicadas. La posibilidad de producir en masa especies delicadas abre el campo de la explotación industrial de microorganismos fotosintéticos, de los cuales la biodiversidad es uno de los más importantes.
La tecnología de fotobiorreactores ha sido objeto de varios proyectos arquitectónicos y urbanísticos mediante el uso de Biofachades. Las biofachadas son estructuras (tipo fotobiorreactor) con doble acristalamiento rellenas de agua en las que es posible cultivar algas . El interés de estas Biofachadas es optimizar la superficie “perdida” de los edificios integrando un campo vertical de cultivo de microalgas.
La instalación de estas estructuras permitiría satisfacer las necesidades energéticas del edificio. De hecho, utilizando las propiedades de las algas es posible:
Durante las estaciones, la temperatura no es constante. Para superar este fenómeno natural, el dispositivo sería capaz, en invierno, de captar la energía del sol por efecto invernadero y, en verano, de enfriar la fachada con corrientes de agua y ventilación. Esto es posible gracias a la presencia, dentro del fotobiorreactor, de un intercambiador de calor. El uso de Biofachades permitiría reducir el consumo de energía térmica en un 50% para el edificio como tal y en un 80% para las algas en comparación con el cultivo convencional en estanques.
Hay un consorcio llamado Symbio2 compone de empresas (X-TU; Séché Environnement; OASIIS; RFR; Algosource Technologies; GEPEA), con objeto de crear una "zona verde", donde 3 rd . Edificios de generación en común su producción de micro -algae con el fin para satisfacer sus propias necesidades energéticas. Este programa obtuvo un Fondo Interministerial Único (FUI 15) enmarzo 2015 por valor de 1,7 millones de euros.
Es importante señalar que desde Enero 2014, no hay retroalimentación sobre el avance de los distintos proyectos implementados. Sin embargo, hay un edificio que ya cuenta con estas Biofachadas en Hamburgo: el BIQ.
Las algas se pueden utilizar para producir biodiésel y bioetanol . Resulta especialmente interesante el hecho de que la biomasa de algas sea hasta 30 veces más productiva que otras biomasas.