Optimización de la producción de biomasa microalgal en reactores externos.

Resumo

Esta tesis doctoral, enfocada al desarrollo de un proceso industrial de producción de biomasa microalgal para acuicultura, y la evaluación de las propiedades de la misma en este campo. En esta tesis se estudian las diferentes etapas de la producción de biomasa microalgal, desde el aislamiento de cepas, hasta las pruebas de campo de la biomasa microalgal obtenida, incluyendo la optimización del diseño, operación y producción de la biomasa de acuerdo a los estándares industriales. Cabe resaltar que en esta tesis se alcanza la escala demostrativa a nivel piloto, lo que la diferencia de otros trabajos en este campo. El trabajo de investigación se ha desarrollado en diferentes lugares. En la Universidad de Antofagasta (Chile) se realizaron los ensayos de aislamiento y caracterización de las cepas, además de los experimentos de selección de sistemas de cultivo. En la Estación Experimental Cajamar "Las Palmerillas" ubicada en Almería (España) se realizaron los ensayos en condiciones externas de modificación del diseño y operación de reactores raceway. Finalmente, el diseño, construcción y operación de la planta piloto es parte de un proyecto biotecnológico desarrollado por la Universidad de Antofagasta en colaboración con otras instituciones públicas y privadas, en un proyecto llamado DESERT BIOENERGY S.A. que se desarrolló al interior de una termoeléctrica a carbón en la comuna de Tocopilla, Región de Antofagasta, Chile. Los trabajos realizados se han dividido en varios bloques en función del orden en el cual se debe desarrollar un estudio completo de producción de biomasa a partir de microalgas. Los trabajos realizados se han dividido en varios bloques en función del orden en el cual se debe desarrollar un estudio completo de producción de biomasa a partir de microalgas. El primer bloque corresponde al aislamiento y caracterización de cepas nativas de microalgas en condiciones de laboratorio, de acuerdo a su crecimiento en medios de cultivos comerciales. Estas cepas se comparan con la microalga Nannochloropsis gaditana, ampliamente referenciada para su uso en acuicultura. Se han encontrado cuatro cepas con capacidad para alcanzar concentraciones de biomasa superiores a 1 g/L y productividades superiores a 0.1 g/L·día, presentando mayores ventajas las microalgas Tetraselmis sp y Nannochloropsis gaditana. La siguiente etapa fue la optimización del medio de cultivo. Para ello, una vez seleccionada la cepa N. gaditana, se realizaron ensayos con diferentes medios basados en el medio comercial F/2, pero reemplazando los macronutrientes de dicho medio por productos utilizados como fertilizantes en la industria agrícola. Los datos obtenidos confirman que el crecimiento fue mayor cuando se usaron medios de cultivo UMA3 y UMA5 preparados a partir de dichos fertilizantes, reduciendo además notablemente el coste del medio de cultivo. La siguiente etapa fue modelizar el crecimiento de N. gaditana en función de la disponibilidad de luz para obtener un modelo utilizable en las posteriores etapas de escalado. Dicho modelo se validó en ensayos llevados a cabo a mayor escala en columnas de burbujeo lo que confirma su bondad. Finalmente se determinó la tasa de dilución óptima en condiciones de laboratorio. Los resultados confirman que la productividad de biomasa es función de la tasa de dilución impuesta, obteniéndose valores máximos de 0.08 g/L·día cuando se utiliza el medio de cultivo UMA5 y una tasa de dilución cercana al óptimo de 0.20 1/día. El siguiente bloque de experimentos se realizó para evaluar distintos sistemas de cultivo y seleccionar los más adecuados para el posterior escalado. Para ello se estudió el crecimiento de N. gaditana en dos sistemas de cultivo: paneles planos y reactores raceway. En paneles planos la concentración de biomasa aumentó de 0.18 a 0.95 g/L en 12 días, con valores máximos de productividad de biomasa de 0.08 g/L·día. Respecto a la tasa de crecimiento y la irradiancia promedio, la mayor velocidad crecimiento se midió el primer día, de 0,30 1/día, cuando la irradiancia promedio fue la más alta, de 37 μE/m2·s; pero luego disminuyó a casi cero cuando la irradiancia se reduce a 7 μE/m2·s. En cuanto a los reactores raceway, se llevó a cabo un estudio de la modificación de su diseño, mediante la incorporación de un foso de diferentes dimensiones, para mejorar la capacidad de transferencia de materia en este tipo de reactores, y especialmente de CO2. Los resultados obtenidos muestran como cuando no se emplea foso la máxima eficiencia de uso del CO2 es del 60% y esto cuando se optimizan las condiciones de operación. En los reactores equipados con fosos de 110 y 170 litros respectivamente la eficiencia de uso del CO2 alcanzó valores del 92%, no observándose diferencias significativas en función del volumen de foso utilizado. De acuerdo a estos antecedentes se procedió a diseñar, construir y poner en marcha una planta piloto de producción de microalgas acoplada a la inyección de gases de combustión provenientes de una termoeléctrica a carbón como fuente de CO2, empleando ambos sistemas de cultivo tanto paneles planos como raceways. Esta tarea fue compleja tanto técnica como administrativamente pero finalmente concluyó con la puesta en marcha de una planta piloto con la que hacer ensayos en condiciones reales de cultivo. Los resultados muestran como la productividad de biomasa obtenida a escala piloto es similar a la obtenida en condiciones de laboratorio. Incluso en algunos casos la productividad en los reactores raceway fue superior a la obtenida en los paneles planos. Los ensayos se llevaron a cabo en distintas épocas del año y utilizando dos fuentes de CO2 diferentes, tanto CO2 industrial como gases de combustión, para poder determinar el efecto de estas variables en el comportamiento del sistema. El siguiente bloque de esta tesis es la realización de pruebas de campo en la industria acuícola, con la biomasa obtenida en la planta piloto, para dos especies en cultivo: camarón ecuatoriano (Litopenaeus vannamei) y salmón del atlántico (Salmo salar). Los ensayos de camarón se realizaron en los primeros estadios larvales en un laboratorio ubicado en el sector de Salinas (Ecuador). El objetivo de estos ensayos fue reemplazar la microalga Spirulina por la biomasa de Nannochloropsis gaditana producida en condiciones reales en la planta piloto, producto que se denomina Nanno DBSA. Los resultados muestran que no existen diferencias significativas entre el empleo de Spirulina y de Nannochloropsis gaditana (Nanno DBSA), por lo que la utilización de la misma es una alternativa viable al actual empleo de Spirulina por los cultivadores de camarones. Nanno DBSA fue consumida de manera similar por los organismos en cultivo, y las larvas no se vieron afectadas en su calidad, características, crecimiento y supervivencia. La prueba realizada en adultos de salmones se llevó a cabo en un centro AQUINOVO, utilizando un pellet comercial al que se le agrego un 5% de biomasa seca de Nanno DBSA. Los resultados muestran como la inclusión de biomasa de N. gaditana en la dieta tiene un efecto positivo en el crecimiento y el rendimiento del salmón del Atlántico. El peso final fue un 5% mayor cuando se usa la dieta con Nanno DBSA en comparación con la dieta control, siendo la tasa de crecimiento estándar hasta un 12% mayor. Además, la supervivencia y el factor de conversión aumentan cuando se incorpora la biomasa de N. gaditana, aumentando ambas variables hasta en un 3%. El valor más bajo de FCR (1.55 0.32) no reflejó la conversión en peso, mientras que añadiendo Nanno DBSA la conversión obtenida fue más alta que la deseada en este escenario. Para concluir el trabajo se llevó a cabo un estudio tecno-económico de la producción de biomasa en la planta piloto, con objeto de identificar los factores que más contribuyen al coste final de producción y el importe de dicho coste. A partir de los datos obtenidos a escala piloto se realizaron las estimaciones para una producción en 10 Ha de cultivo, alcanzando valores de costes de producción de 7.7 $/kg. Este valor es análogo al coste actual de la biomasa de Spirulina que se incorpora en algunos piensos comerciales