PROYECTO

Diseño y construcción de un biorreactor de microalgas con función energética.

1. ABSTRACT

Un biorreactor es un recipiente en el que se producen reacciones bioquímicas, y en las que se involucran microorganismos y sustancias activas derivadas de estos. Por lo tanto, en un biorreactor se mantiene un ambiente biológicamente activo. La funcionalidad de dichos biorreactores está ligada principalmente a la ingeniería, utilizándolos para hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celular, aunque también se pueden encontrar en la industria farmacéutica o alimentaria, entre otras.

¿Se puede construír un biorreactor casero eficiente? ¿Podemos cultivar microalgas en él? ¿Qué subproducto resulta?

Así, mediante un detallado estudio sobre los diferentes tipos de biorreactores que existen, diseñamos y construimos uno propio, con el fin de cultivar algas en él y lograr nuestro objetivo, es decir, energía no contaminante en forma de biomasa.

2. INTRODUCCIÓN

Los biorreactores, como bien decíamos, buscan mantener un ambiente biológicamente activo, y para ello necesitan mantener una serie de propiedades constantes (oxígeno, Ph, dióxido de carbono, temperatura...), para que en su interior se pueda llevar a cabo un determinado bioproceso.

Además, un biorreactor debe de lograr unos determinados objetivos, como por ejemplo:

Mantener una serie de propiedades constantes.
Evitar la sedimentación del substrato.
Mantener el ambiente aséptico (sin gérmenes).
Conseguir el mayor porcentaje de rendimiento y producción.
Conversión máxima del substrato.
Mínimo consumo de energía y bajos costes.

2.1. TIPOS DE BIORREACTORES EN FUNCIÓN DEL CULTIVO

Podemos diferenciar distintos tipos de biorreactores, en función de los cultivos que pretendemos llevar a cabo: biorreactores aerobios, anaerobios y facultativos.

Biorreactores anaerobios: en este tipo de biorreactores encontramos bacterias y demás microorganismos autótrofos, los cuales tienen un metabolismo degradativo. Estos microorganismos son transformados mediante una reacción química o bioproceso, reduciéndolos a un producto orgánico.

Biorreactores aerobios: en este caso nos encontrámos principalmente con microorganismos eucariotas, aunque también podemos encontrar (no tan comúnmente) procariotas. Estos microorganismos tienen un metabolismo constructivo y necesitan obtener nutrientes de diferentes fuentes, es decir, no son autótrofos.

Biorreactores facultativos: en este tipo de biorreactores están presentes microorganismos capaces de sobrevivir en los dos ambiente, anaeróbio (falta de oxígeno) y aeróbio (presencia de oxígeno), por lo tanto tienen metabolismo mixto, ya que pueden degradar o construír.

A su vez, independientemente del tipo de cultivo que queremos llevar a cabo, los biorreactores tienen diferentes formas de operar, por lo que podemos clasificarlos principalmente en biorreactores continuos, discontinuos y semicontinuos, antendiendo a factores tales como la alimentación del cultivo, drenajes o caudales.

2.2. TIPOS DE BIORREACTORES EN FUNCIÓN DE SU MODO DE OPERAR

Sistema de operación discontinuo (batch): es un sistema cerrado, es decir, no hay entrada ni salida de medio de cultivo. Se coloca en el interior del biorreactor la carga total de cada proceso de cultivo y se deja que se lleve a cabo el proceso por el tiempo que sea necesario (denominado tiempo de retención).

Sistema de operación continuo (quimiostato): se alimenta por una entrada y se drena por una salida. Hay producción continua y los flujos son proporcionados, es decir, el caudal entrante es igual al de salida.

Sistema de operación semicontinuo: en este caso distinguimos dos subgrupos de sistemas:

- Semicontinuo alimentado (fed-batch): sistema semicontinuo, ya que solo existe una entrada de alimentación. No existe ninguna salida de drenaje.

- Semicontinuo con extracción de producto: sistema semicontinuo, debido a que solo existe una extracción del producto resultante. En este caso no existe una entrada de alimentación.

3. ANTECEDENTES

Tras investigar a fondo que tipos de biorreactores existen, dependiendo de su operación y del cultivo que queremos mantener, decidimos poner en marcha nuestro propio biorreactor. Investigamos sobre que tipo de materiales serían mejores para realizar nuestro biorreactor casero, con el objetivo de lograr un gran rendimiento y conseguir así la mayor cantidad de producto posible.

En nuestro primer intento decidimos utilizar algas de una playa de Vigo (algas de mar), investigando si con ellas podíamos realizar un cultivo y obtener alguna cantidad de biomasa. Este primer intento resultó fallido, ya que no logramos mantener el cultivo de las algas.

En un segundo intento decidimos utilizar un tipo de cianobacteria específica, la Arthrospira platensis, más comúnmente conocida como espirulina, con el mismo propósito que en el anterior intento.

4. HIPÓTESIS

Tras las investigaciones iniciales, un estudio detallado sobre los biorreactores y la posterior toma de información sobre los materiales y sustancias que serían necesarias, nos hemos propuesto la siguiente hipótesis: construir un biorreactor casero de bajo coste, con el fin de realizar un cultivo de microalgas, convirtiendo así el dióxido de carbono y la luz solar en energía no contaminante en forma de biomasa

Con esto, se busca dar respuesta a las siguientes cuestiones: ¿Se puede construír un biorreactor casero eficiente? ¿Podemos cultivar microalgas en él? ¿Obtenemos energía no contaminante a través de él?

5. MATERIALES

6. METODOLOGÍA

6.1. PRIMER INTENTO

Para empezar, llevamos a cabo nuestro primer intento de confirmar nuestra hipótesis, utilizando para ello el primer prototipo del biorreactor.

Utilizamos una pecera de tamaño mediano (25L) como estructura principal. Más tarde creamos un sistema de sumistro de CO2, con el que alimentar a las algas. Para ello utilizamos tubos y codos de PVC. El sistema tenía 5 salidas. Cerramos cada una de las salidas de los tubos con tapones, y más tarde los perforamos para conectar los tubos flexibles, uno conectado a la garrafa de plástico y los otros cuatro a las botellas de plástico.

En esa garrafa de 4L generamos el CO2 con el que suministrar a las botellas. Para ello realizamos una mezcla que nos permite generar CO2, utilizando 3L de agua, a los que posteriormente le añadimos 400g de azúcar y 10g de levadura. Así, manteniendo la disolución entre 24ºC y 26ºC gracias a un calentador de pecera colocado en la garrafa, conseguimos generar CO2 con el que alimentamos a las algas.

Cabe comentar que en paralelo a la construcción del biorreactor, desarrollamos mediante arduino, un sistema de control de CO2, compuesto por un sensor de gas, una placa Arduino y una pantalla táctil Elegoo, con el fin de controlar las emisiones de dióxido de carbono del proyecto.

Finalmente, tras montar al completo la estructura del biorreactor, el sistema de suministro de CO2 y el generador de este, procedimos a introducir algas obtenidas en una playa de Vigo en el interior de las botellas. Como medio de cultivo para las algas, decidimos utilizar cuatro diferentes muestras de agua, para investigar así que medio de cultivo nos ofrecería una mayor eficacia y productividad.

6.2. SEGUNDO INTENTO

Después de que el primer intento resultase fallido, como se explica en el apartado de resultados, decidimos realizar modificaciones en nuestro biorreactor y utilizar un nuevo sustrato para el cultivo. Lo primero que hicimos fue buscar un sustrato ideal para nuestro segundo prototipo de biorreactor, y para ello decidimos utilizar la microalga Espirulina, ya que (como se puede comprobar en el apartado "Espirulina") tiene una serie de características y condiciones de vida que hacen posible su rápida multiplicación.

ESPIRULINA

MÁS INFORMACIÓN

Para el nuevo prototipo de biorreactor utilizamos una pecera de tamaño pequeño (10L), en donde introducimos un calentador de pecera (para mantener el medio de cultivo a la temperatura adecuada). También colocamos en el exterior de la pecera una bomba de aire, conectada con dos tubos flexibles al interior de la pecera, para así agitar y oxigenar el cultivo.

Después solicitamos un inóculo de espirulina con el que comenzar nuestro cultivo, y para ello contactamos con “Ecospirulina”, una asociación que tiene producciones de espirulina ecológica en Valencia y en el Parque Natural de la Serra Calderona. Gracias a ellos conseguimos la cepa (1L) con la que iniciar el cultivo. Una vez recibida, nos pusimos manos a la obra, y añadimos el inóculo al interior de la pecera, donde lo mezclamos con el medio de cultivo (5L). Es decir, en total nuestro cultivo inicial era de 6L. A partir de ahí, manteniendo el cultivo entre 30-37ºC y con una iluminación y agitación idónea, dejamos crecer nuestro cultivo, hasta que llegásemos a una cantidad óptima para la recolección de la espirulina.

Para llevar un control diario sobre el estado del cultivo utilizamos la siguiente tabla, que obtuvimos de “Xarxa Espirulina” (red internacional de cultivadores de espirulina para la soberanía alimentaria). En ella fuimos apuntando diversos datos sobre el cultivo, para así controlar su evolución.

Tabla de control (PDF)

Tras 45 días de cultivo (mes y medio), contábamos ya con 10L de cultivo. Así, mantenemos el cultivo hasta llegar a la capacidad deseada, 50L, para más tarde recolectar la Espirulina y comprobar su aportación energética.

7. RESULTADOS

7.1. PRIMER INTENTO

Como decíamos, una vez construido el primer prototipo de biorreactor, decidimos realizar cuatro análisis con diferentes muestras de agua, para comprobar y comparar la eficacia de este y la masa total de algas obtenida.

ANÁLISIS 1: Muestras de una PISCINA

Nuestro primer análisis lo realizamos con muestras de agua sacada de una piscina. Nuestra hipótesis era si realmente, a pesar de los controles de sanidad que controlan sus propiedades, el agua de piscina sería capaz de mantener un cultivo e algas.

Colocamos las algas en el interior de las botellas con agua de piscina y tras dos semanas de funcionamiento del biorreactor, observamos la cantidad de algas y extrajimos muestras de agua de cada uno de los tanques, y las analizamos con un kit de análisis, midiendo sus cantidades de PH, NO2, NO3 y NH4. Y obtuvimos los siguientes valores:

medidas en mg/l (ppm)

La aparición de algas está relacionada con el desequilibrio fisicoquímico del medio que las mantiene. En este caso, como se puede apreciar en los resultados, los niveles de nitrato se mantienen bajos en todos los tanques, dado que el agua estaba siendo tratada eficazmente, impidiendo así la aparición y cultivo de algas.

En este caso, no se generaron algas.

ANALISIS 2: Muestra de un RÍO

Posteriormente llevamos a cabo un segundo análisis, en el que utilizamos agua de un río. Pero tras varias semanas de trabajo del biorreactor, los resultados obtenidos fueron iguales a los anteriores, negativos, debido a que sus propiedades no eran beneficiosas para el crecimiento de algas, posiblemente debido a la contaminación producida por los vertidos de industrias cercanas.

medidas en mg/l (ppm)

Como observamos, los niveles de nitrato son muy bajos, al igual que el nivel de pH (ácido). Estas condiciones no favorecieron el crecimiento de algas.

ANALISIS 3: Muestra de un ESTANQUE

En esta prueba los resultados obtenidos fueron ligeramente diferentes en comparación a los obtenidos en los análisis anteriores: en este caso la cantidad de nitratos observada en el medio era mayor, y esto favoreció la aparición de una pequeña cantidad de algas

medidas en mg/l (ppm)

Como la cantidad de algas obtenida era muy reducida, apenas variaba respecto a la inicial, dimos por negativo el análisis.

ANALISIS 4: Muestra de una PECERA

Pensamos entonces en analizar agua de una pecera que no recibía tratamientos exhaustivos, pensando que un ambiente seres vivos, no contaminado (como en el caso del río) y sin un tratamiento que evitara el crecimiento de las algas (como en el caso de la piscina), pudiera darnos la oportunidad de elaborar un cultivo. Como resultado obtuvimos los siguientes valores:

medidas en mg/l (ppm)

En este caso la cantidad observada de nitratos es mucho más elevada en comparación con los demás análisis, y en este caso, si se generaron algas, al igual que en el anterior análisis.

Fue el análisis más fructífero, pero a pesar de todo, la productividad del biorreactor era escasa, ya que el cultivo era lento y apenas se generaba una cantidad notoria de biomasa como para ser utilizada como energía. Por este motivo decidimos experimentar con un nuevo intento el cultivo de la cianobacteria espirulina.

7.2. SEGUNDO INTENTO

Tras 45 días desde la puesta en marcha del biorreactor, nuestro cultivo contaba con un volumen de 10L. En ese momento decidimos recolectar una pequeña parte de nuestro cultivo (8ml) y filtrarla. Obtuvimos así 1 gramo de Espirulina húmeda, que pusimos a secar protegida del sol y a una temperatura de 32º mediante un horno solar. Tras un breve secado, nuestra Espirulina ya estaba completamente seca, por lo que nos dispusimos a hacerla polvo.

De esta forma obtuvimos una cantidad notable de Espirulina seca en polvo (0,7g), a partir de una pequeña cantidad de nuestro cultivo (8ml). Esta ha sido la recolección de tan solo 8 ml del cultivo, que tiene un tamaño de 10L, cuando el tamaño del cultivo sea mayor (en nuestro caso pretendemos llegar a los 50L) las recolecciones serán mayores, además de que el tiempo de espera entre recolección y recolección es mínimo, de apenas 1 día.

A la hora de elegir un determinado combustible para un fin en concreto, existen una serie de diversos criterios, como por ejemplo; su coste, la energía que obtenemos, la facilidad de su transporte y almacenamiento, la facilidad con la que arde y por supuesto, las emisiones que produce.

En la siguiente tabla podemos observar los valores de entalpía específica de algunos de los combustibles más utilizados actualmente. Este valor de entalpía específica puede verse como la cantidad de energía que se transfiere en forma de calor por cada gramo de combustible quemado en presencia de oxígeno.

Pero dichos combustibles tienen una serie de desventajas que hacen que su uso pueda resultar peligroso a la larga, o bien que su obtención sea difícil y costosa. Por ejemplo: el hidrógeno, pese a tener un valor elevado de entalpía específica y no producir CO2 en su combustión (evitando así una contribución al efecto invernadero), cuenta con una desventaja económica debido a su difícil obtención. Actualmente los procedimientos utilizados para obtener hidrógeno se basan en la electrólisis del agua, y dichos procesos resultan muy caros. También encontramos una desventaja en la gasolina o gasóleo, que resultan muy dañinos para el planeta debido a sus altas emisiones contaminantes y que además son una fuente limitada, debido a la disminución de reservas de recursos fósiles.

Frente a los combustibles contaminantes y de difícil obtención, encontramos los biocombustibles. Las microalgas y otros recursos biológicos son considerados como una posible y prometedora materia prima para su empleo como biocombustibles, debido a numerosas ventajas: fijan CO2 durante su desarrollo, su variedad permite la obtención de multitud de tipos de productos y, además, permiten su fácil y poco costoso cultivo. Además, la energía generada puede ser empleada para producir nueva biomasa en caso de ser necesario, y el CO2 emitido durante dicha generación de energía serviría como fuente de carbono para más crecimiento celular.

8. CONCLUSIONES

Con estos resultados queda demostrado que la proliferación de la microalga Espirulina (Arthrospira plantesis) depende de varios factores, y que por lo tanto, la productividad del biorreactor dependerá del mantenimiento de este.

También confirmamos y demostramos que nuestra hipótesis es afirmativa. Hemos sido capaces de construir un biorreactor de forma casera y bajo coste, capaz de generar biomasa mediante un proceso con una huella de CO2 neutra. La biomasa resultante de este proceso podrá ser utilizada para varios fines, entre los que destacan la alimentación, y sobre todo, su utilización como un biocombustible no contaminante, dando así reemplazo a los actuales combustibles contaminantes.

9. LA ESPIRULINA, UN BIOCOMBUSTIBLE