Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
Biotecnología de Microalgas
Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería
28-30 Octubre 2013 Universidad de la Frontera Emilio Molina Grima
Microalgas para la producción de biocombustibles y otros productos
de interés: perspectivas para su aplicación industrial en Chile
Consorcio Tecnológico Desert BioenergyS.A
Pure chemicals:EPA, AA, DHAAstaxanthinBetacaroteneLuteinePhycocyaninsPhycoerythrinsDino toxinsC13 PUFAs
Biofuels/biofertilizers
Biodiesel
Bioethanol
Biogas
Biofertilizers
BiomassAnimal feedingAquacultureFunctional foodsTailored lipids
Bioremediation
Flue gases
Wastewater
Soils
APPLICATIONS OF MICROALGAE
PRODUCTION
TECHNOLOGY
FINAL USE OF
MICROALGAE
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
CURRENT SCENARIO
Economics Applications of microalgae and strains
2004
Human and animal nutrition
Aquaculture
Biofertilizers
Depuration and bio-remediation
Production of hydrogen and methane
Biofuels from microalgae
Bioactive and Novel Chemicals
High-value Recombinant Protein Production
Chlorella
Arthrospira (Spirulina)
Dunaliella
Haematococcus
Porphyridium
Nannochloropsis Nostoc
2004
2013
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería
Índice de la exposición
1) Microalgas: caracterización y particularidades
3) Fundamentos del cultivo de microalgas
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
2) Biotecnología de microalgas
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería
1) Microalgas: caracterización y particularidades
Microorganismos unicelulares fotoautotróficos
Gran capacidad de generación de biomasa
Biomasa de composición compleja
Gran plasticidad metabólica
Diversidad de especies
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
1) Microalgas: caracterización y particularidades
Microorganismos unicelulares fotoautotróficos
LUZMicroalgas
CO2
Microorganismos (diferencia con las macroalgas)
Fotótrofos (aunque flexibles) : su fuente de energía es la luz
Autótrofos: Su fuente de carbono es el CO2
Más microalgas
Nutrientes,
agua
O2
Metabolitos
Gran velocidad de duplicación por ser microorganismos
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1) Microalgas: caracterización y particularidades
Gran capacidad de generación de biomasa
Microalgas: tiempo corto de duplicación = gran velocidad de crecimiento
•Microalgas
•Macroalgas o plantas
No necesitan suelo
Elevada eficiencia fotosintética (referenciada hasta el 10%)
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1) Microalgas: caracterización y particularidades
Gran capacidad de generación de biomasa
dt
dC
C
b
b
1
dt
dCCP b
b·
Velocidad específica de crecimiento
Productividad
tiempoB
iom
asa
t
Cmicroalgas
Cotras
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1) Microalgas: caracterización y particularidades
Biomasa de composición compleja: componentes de interés
Proteínas y otros nutrientes: alimentación humana y piensos para ganado
Capacidad quelante: biorremediación
Ácidos grasos poliinsaturados
Clorofilas
Carotenoides
Enzimas antioxidantes (SOD)
Pigmentos fluorescentes
Componentes de gran interés en comparación con otras
biomasas de origen vegetal (plantas terrestres o macroalgas)
Exopolisacáridos
Compuestos bioactivos: antifúngicos, antivirales, citotóxicos
ACUICULTURA
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1) Microalgas: caracterización y particularidades
Gran plasticidad metabólica
Posibilidad de modificar la composición mediante las condiciones de cultivo
Composición controlable. Optimización de los procesos de estabilización y
extracción
•Temperatura
•Luminosidad
•Nitrógeno
•pH
•Salinidad
•Edad del cultivo
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1) Microalgas: caracterización y particularidades
Diversidad de especies
Muchas especies catalogadas y disponibles
Sólo unas pocas estudiadas y aprovechadas comercialmente
Gran potencialidad de productos y aplicaciones
Haematococcus pluvialis Phaeodactylum tricornutumDunaliela salina
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
1) Microalgas: caracterización y particularidades
Diversidad de especies
Isochrysis galbana
Skeletonema costatum Tetraselmis suecica
Phorphyridium cruentum Chlorella sp.
Anabaena.
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2) Biotecnología de microalgas
Aislamiento y conservación de cepas
Selección y mejora
Caracterización de las condiciones de cultivo
Diseño de fotobiorreactores
Procesado y extracción de productos de interés
Cosechado y recuperación
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Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería
3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Obtención y preparación de inóculos
• Intercambio de gases
• Medio de cultivo
• Termostatación
• Agitación y mezcla
• Iluminación
Necesidades de los cultivos
• Mantenimiento del pH
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Obtención y preparación de inóculos
Primer paso: aislamiento de la estirpe
Cultivo axénico: sólo la microalga deseada, libre de otros
microorganismos
Cultivo monoalgal: sólo la microalga deseada, puede haber otros
microorganismos compatibles
Mantenimiento de inóculos
Depósito en colecciones (ej: CCAP, Oban, Scotland, UK)
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Necesidades de los cultivos de microalgas
Cultivos: multiplicación (casi) ilimitada del inóculo
Proveer las necesidades de las microalgas para posibilitar el crecimiento
Inóculo
Luz
Nutrientes
(medio)
CO2
O2
Agitación
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Necesidades de los cultivos de microalgas
Ejemplo de un cultivo creciendo en laboratorio
Luz
Nutrientes
(medio)
CO2
O2
Agitación
Luz
Nutrientes
(medio)
CO2
Agitación
O2
Microalgas
reproduciendose
Es práctica común aunar la
agitación, aporte de CO2 y retirada de O2
usando una corriente de aireación para las
tras cosas
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (presentación de los nutrientes mayoritarios)
Suministrar los elementos para que la fotosíntesis genere biomasa
Carbono Nitrógeno
Los cuatro elementos mayoritarios de la materia viva
Hidrógeno Oxígeno
Otros elementos mayoritarios
Iones del medio (K+, Na+, Cl-, … ): Magnesio
Azufre Fósforo
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (carbono)
Suministrado como CO2
Capturado en el ciclo de
Calvin
Enzima: RUBISCO
Consume ATP y NADPH de
la fotosíntesis
Es un paso LIMITANTE:
debe haber siempre suficiente
CO2
Acumulación de ATP y
NADPH de la fotosíntesis:
FOTOINHIBICIÓN
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (carbono)
CONSECUENCIAS
El contenido en CO2 del aire es insuficiente
El CO2 debe ser suministrado en exceso controlado
(prevenir bajada del pH)
Es práctica común suplementar con CO2 por varias técnicas
-Enriquecimiento de la corriente de aireación
- Aporte controlado por el pH
- Aporte de bicarbonato y acidificación
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (oxígeno)
Segundo componente mayoritario de la biomasa seca
Aportado a las celulas en la mayor parte por el CO2 condensado en el ciclo
de Calvin (oxígeno fijado)
Aportado al medio de cultivo por el AGUA, H2O, asociado a la liberación de
O2 en el PS II (oxígeno liberado)
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (hidrógeno)
Proviene del agua
Asociado a la liberación de O2
en el fotosistema 2
Llevado a cabo por un enzima
con un núcleo de 4 átomos de
manganeso
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (nitrógeno)
Forma parte de las proteínas de la biomasa
Es aportado como nitrato, a veces como amonio y raramente en otras
formas (urea, aminoácidos)
El nitrógeno del nitrato (N+5) ha de ser fuertemente reducido (N-3). Aún así
es la forma mejor aceptada por las microalgas
Supone un 5% de la biomasa seca
Algunas cianobacterias pueden FIJAR EL NITRÓGENO MOLECULAR.
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (nitrógeno)
NO3- (sal sódica, potásica o amónica), 50 mg/L – 1 g/L
NH4+ (cloruro), concentración inferior al nitrato, ligéramente tóxico
Observación: la reducción del nitrato AUMENTA el pH
Ventajoso para prevenir contaminaciones cuando la
especie cultivada lo tolera
Ocasionalmente como urea (NH2-CO-NH2) o como aminoácidos
(R-CH2-COOH)
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (otros nutrientes mayoritarios)
Fósforo (como fosfatos): ubícuo (ATP, proteínas, lípidos de membrana…)
Azufre (sulfatos)
Magnesio (Mg+2): componente de las clorofilas
Calcio Potasio
Otros iones comunes en agua (ver ejemplo)
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (micronutrientes)
Componentes que aparecen a nivel de trazas
Cofactores, núcleos de enzimas (rotura del agua), … etc
Molibdeno
Manganeso
Cobalto
Hierro
Cobre
Zinc
Minerales Vitaminas
Variable
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (ejemplo: Mann&Myers)
Componente Concentración (g/L)
Macronutrientes
MgSO4.7H2O 1,2
NaNO3 1,0
CaCl2 0,30
K2HPO4 0,10
Micronutrientes
Na2EDTA 0,030
H3BO3 0,0060
FeSO4.7H2O 0,002
MnCl2 0,00140
ZnSO4. 7H2O 0,00033
Co(NO3)2. 6H2O 0,000007
CuSO4. 5H2O 0,000002
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Medio de cultivo (mixotrófico y heterotrófico)
Algunas microalgas pueden obtener carbono de fuentes diferentes del CO2
MIXOTRÓFICO: capaces de asimilar carbono de fuentes orgánicas aunque
la fotosíntesis es imprescindible
HETEROTRÓFICO: capaces de asimilar carbono de fuentes orgánicas y de
usar la energía química de estas fuentes. Pueden crecer sin luz.
Algunas microalgas pueden obtener energía de fuentes químicas (sin
fotosíntesis)
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Intercambio de gases
Aporte de CO2 y retirada del O2 fotosintético
Aporte de CO2 : imprescindible un aporte correcto (explicado antes)
Retirada de O2 : evitar la acumulación (fotooxidación, pérdida de
rendimiento de la RUBISCO, estress oxidativo)
Intercambio a través de la SUPERFICIE del cultivo INSUFICIENTE
Uso de CORRIENTE DE AIREACIÓN (aprox. 0,5 L aire cn/ (L·min))
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Intercambio de gases (corriente de aireación)
Burbujeo de gas (aire enriquecido en CO2) en la base del cultivo o en puerto
dedicado
Suficiente pero no excesivo porque:
Ineficiencia
Evaporación de agua
Estrés hidrodinámico
Coste de bombeo
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Mantenimiento del pH
pH propio de cada especie
Necesario pH óptimo para una velocidad de crecimiento elevada
Oscila entre 7-8, aunque hay casos extremos entre 3 y 10
Factores que hacen variar el pH:
Equilibrio de especies del carbono inorgánico
Reducción del nitrato
HCOHHCOCOHOHCO 333222
OHNHOHeNO 746 423
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Mantenimiento del pH
Adición controlada de ácido
Uso de tampones (tris- hidroximetil aminometano)
Aireación enriquecida en CO2 (1-5%)
Inyección de CO2 a la demanda pH
controller
CO
2
Corriente Aireación
P
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Agitación y mezcla
Imprescindible para Evitar deposiciones
Evitar gradientes de nutrientes y luz
Homogeneizar los cultivos
Favorecer la tranferencia de calor y de materia
La tecnología apropiada depende de la configuración del sistema de cultivo
Corriente de aireación (burbujeo)
Agitadores
Paletas
Bombeo
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Iluminación
La luz es imprescindible para el cultivo fototrófico de microalgas
Es ENERGÍA RADIANTE que se propaga en el vacío y medios transparentes
Llega al cultivo y es absorbida según va penetrando en el interior
Medida de la Intensidad de la luz
Moles de fotones por m2 y segundo
1 mol de fotones = Einstein (E)
Sol a mediodia : 2000-3000 µE/m2/s ()
LUZ
La luz absorbida por la
microalga es convertida en
biomasa
Luz atenuada
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Iluminación: atenuación de la luz
En el seno del cultivo, la intensidad de la luz se va atenuando al ser absorbida
Inte
nsid
ad
Profundidad en el cultivo
Baja concentración
Alta concentración
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Un cultivo eficiente DEBE absorber la mayor parte de la luz
Irradiancia
promedio
Iav
Se producen zonas oscuras en el seno del cultivo
Gran parte de las microalgas reciben menos luz de la que pueden asimilar
El aporte de luz es el factor que limita el crecimiento. Es la situación más favorable
La luz disponible a la población se cuantifica como un promedio
Iluminación: cultivos densos y gradientes de iluminación
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 50 100 150 200 250 300 350
Irradiance, mE/m2s
Photo
synth
esis
rate
, m
molO
2/L
s
PhotoinhibitionSaturationRespiration
Cb•p•KaexpCbpKa
IoIav 1
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Iluminación: fotolimitación
En la situación anterior, el cultivo está fotolimitado
Tiene suficiente de todo, menos de luz
Nos aseguramos de que todos los electrones producidos en la fase luminosa
puedan ser asimilados en el ciclo de Calvin
Existe una relación entre la velocidad de crecimiento (específica) y la luz
disponible
µ
Iav
avI IK
µµ max
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Iluminación y mezcla: evitar la fotoinhibición
En las zonas externas, el cultivo puede estar SOBRESATURADO DE LUZ
La sobresaturación provoca un desacoplamiento del flujo de electrones
fotosintéticos
El mecanismo no está aún claro : ¿Daño al fotosistema II ó un mecanismo de
defensa?
Zona s
obre
ilum
inada
En las zonas internas, el cultivo puede estar DESPROVISTO DE LUZ
La falta de luz detiene la producción de ATP y NADPH y con ello la fijación de
carbono
El ciclo de Calvin se detiene
Zona o
bscura
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Iluminación y mezcla: evitar la fotoinhibición
Zo
na s
obre
ilum
inada
Zona o
scura
FotoinhibidaMuy limitada
El movimiento frecuente entre zonas oscuras e iluminadas proporciona una
exposición óptima
La mezcla es imprescindible para un adecuado régimen de luz
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3) Fundamentos del cultivo de microalgas
Resumen: fundamentos del cultivo
Las microalgas necesitan ciertas condiciones para proliferar y generar grandes
cantidades de biomasa y/o productos de interés
Las necesidades son
• Intercambio de gases
• Medio de cultivo
• Termostatación
• Agitación y mezcla
• Iluminación
• Mantenimiento del pH
• Entorno axénico o monoalgal
Los sistemas de cultivo que se presentan a continuación intentan mantener
estas condiciones para producir al menor costo
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Relationship among parameters that influence
biomass productivity
Biomass
Productivity
Temperature
Day of the
year
Growth
rate
Geographic and
climatic localization
Light profile,
average irradiance
Biomass
concentration
Incident solar
radiationGeometry
Design and
orientation
Fluid-dynamic
Mass
transfer
Light
regime
E. Molina Grima 1999, Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation,
biocalysis and Bioseparations. 1753-1769, John Wiley and Sons Inc.
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
Influence of photobioreactor location and orientation
E. Sierra et al. / Chemical Engineering Journal 138
(2008) 136–147
MASS PRODUCTION OF MICROALGAE
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Solar radiation availability
MASS PRODUCTION OF MICROALGAE
• Solar radiation availability range from zero to a
maximum of 350 W/m2
• In template zones the mean solar radiation
availability is 250 W/m2, equivalent to 21.6
MJ/m2·day and 2160 kWh/m2·year
• Considering a photosynthetic yield of 5%, and a
biomass heat combustion of 20 MJ/kg, an energy
balance demonstrate that the maximum
productivity achievable is 272
Tn/Ha·year, reducing to 194 Tn/Ha·year in
template climates
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
Maximum productivity
MASS PRODUCTION OF MICROALGAE
• The energy balance demonstrate that in
template climates the maximum mean
productivity along the year is 54 g/m2·day
• Volumetric productivity is a function of
V/S ratio of the reactor
• In reactors with V/S ratio of 200 L/m2
the maximum productivity is 0.27 g/L·day
• In reactors with V/S ratio of 25L/m2 the
maximum productivity is 1.69 g/L·day
These values can be only obtained under optimal
operation conditions and using optimally
designed and operated photobioreactors
2
3 3
2
·
·
area
vol
gPb
m daygPb
m day mVS m
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Harvest and culture volume
MASS PRODUCTION OF MICROALGAE
• The typical value of maximum specific
growth rate of microalgae species is 1 day-1
• Optimal dilution rate for continuous
operation is in the range of 40-60% of
maximum specific growth rate
• Actually, optimal dilution rate for operation
of microalgae cultures is close to 0.4 1/day.
• Considering the optimal value of dilution
rate it is possible to determine the biomass
concentration achievable inside the culture
under optimal conditions, in addition to
volume of the reactor and harvest volume to
produce 1 kg of biomass, as a function of
V/S ratio
The higher the V/S ratio of the reactor, the
higher the volume of culture and the volume of
harvest to manage to produce a mass unit of
biomass
3
3
·
1
vol
vol
gPb
m daygCb
mD
day
3
3·
day
culture
vol
gM
dayV m
gPb
m day
33 1
·harvest culture
mV V m D
day day
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Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas abiertos y cerrados
Open ponds y raceways
Breve visión de la tecnoogía de fotobiorreactores cerrados
Cosechado de la biomasa
Almacenamiento y conservación
Desarrollos actuales
Reducción de emisiones de CO2
Producción de biocombustibles
Producción de biomasa
Obtención de biomoléculas de alto valor
Depuración deaguas residuales
Modos de cultivo Discontinuo
Continuo
Semicontinuo
Etapas en la producción de microalgas
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Etapas en la producción de microalgas
Preparación de inóculos
Preparación y esterilización de medios (según sistema)
Esterilización del fotobiorreactor (sistema de cultivo) (según sistema o especie)
Cultivo
Cosechado de la biomasa
• Térmico
• Filtración esterilizante
• Térmica
• Química
• Centrifugación
• Filtración
• Decantación
Nos centraremos en el sistema de cultivo ó “fotobiorreactor”
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Modos de cultivo Diferentes formas de hacer funcionar el fotobiorreactor
Discontinuo
Continuo
Semicontinuo
• Carga (inóculo + medio)
• Crecimiento
• Cosechado total
• Nuevo ciclo
• Carga
• Crecimiento inicial (arranque)
• Adición continua de medio fresco
• Cosechado por rebose
• Carga
• Crecimiento inicial (arranque)
• Adición periódica de medio fresco
• Cosechado por rebose
Medio
Medio
Medio
Adición
contínua de
medio
Adición
periódica de
medio
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas abiertos y cerrados
Dos clases de sistemas de cultivo muy diferentes
Abiertos: cultivo en contacto con el medio ambiente
Cerrados: cultivo aislado del medio ambiente
Sistemas grandes
Baja-media concentración de biomasa
Instalación barata
Póbremente controlados
Poco control sobre la biomasa
Sólo apropiados para especies resistentes
Instalación cara
Alta concentración de biomasa
Sin contaminación (monoalgales e incluso axénicos)
Control eficiente
Eficaces con especies poco resistentes
Composición de la biomasa conocida y reproducible
Los diferentes diseños solucionan con diferentes
técnicas el suministro de
gases, nutrientes, correcta mezcla y manejo del
cultivo
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas abiertos: open ponds y raceways
Paddle wheel
Paddle wheel
Typical biomass productivity
0.015 kg m 2 day 1 ( 45 tons ha 1 year 1)
Maximum biomass concentration
0.5 kg m 3 (0.25 kg m 3 typical)
Volume to surface ratio 0.2-0.4 m3 m-2
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First commercial algae production in world, for Chlorella, for
human consumption, Japan ~1960
Designs by Prof. Tamiya
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas abiertos: open ponds y raceways
Pared
inyección CO2
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas abiertos: open ponds y raceways
Cultivo de Spirulina
Cultivo de Dunaliella salina
Biomasa rica en proteína
Crece a pH muy alto
Resistente a condiciones agresivas
Producción de -caroteno
Halotolerante
Luminosidad y salinidad favorecen el proceso
D. salina en open ponds D. salina en raceways
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Cyanotech Co., Hawaii, USA Open, raceway ponds. Red for
Haematococcus for astaxanthin, ($>1million/ton) others
Spirulina
Courtesy Gerald Cyseswki
Spirulina
Haematococcus
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Pilot plant of raceway reactors (Cajamar Foundation,
Almería)
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Fotobiorreactores cerrados
Crecimiento de microalgas aisladas del medio ambiente
Control riguroso
Contaminación reducida
Ámplia gama de especies
Muchos modelos
Clasificación Verticales
Horizontales (lazo externo + desgasificador)
• Planos
• Columnas de burbujeoSin/con recirculación
interna
• Lazo simple
• Doble lazo
• Manifold
• Empalizada
• Otros diseños
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Columnas de burbujeo: Cilindros verticales con burbujeo en la base
Ventajas
Diseño sencillo
Aireación: transferencia y agitación
Ocupan poco suelo
Buena desgasificación
Inconvenientes
Difíciles de escalar
Poca penetración de luz
Poca intercepción de luz solar a mediodia
Tranferencia de CO2 ineficiente
Sistemas con recirculación interna
Patrón de flujo ordenado
Mejora del régimen de luz
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Columnas de burbujeo: Cilindros verticales con burbujeo en la base
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
PRODUCTION TECHNOLOGIES
Closed photobioreactors: Bubble columns
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
RWE, Germany, hanging bags PBR to capture CO2 from a coal-
fired power plant - would need 100 million such bags!
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Fotobiorreactores planos
Ventajas
Mejor penetración de la luz
Orientables
Alta concentración de biomasa
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
PRODUCTION TECHNOLOGIES
Typical biomass productivity
0.035 kg m 2 day 1 ( 80 tons ha 1 year 1)
Maximum biomass concentration
2.0 kg m 3 (1.0 kg m 3 typical)
Volume to surface ratio
0.07-0.1 m3 m-2
Closed photobioreactors: Flat panel photobioreactors
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Fotobiorreactores planos
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
ENDESA Flat panel photobioreactors for CO2 capture at UPT
Litoral. Carboneras, Spain
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
PRODUCTION TECHNOLOGIES
Typical biomass productivity
0.050 kg m 2 day 1 ( 100 tons ha 1 year 1)
Maximum biomass concentration
3.0 kg m 3 (1.5 kg m 3 typical)
Volume to surface ratio
0.04-0.08 m3 m-2
Closed photobioreactors: Tubular photobioreactors
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas tubulares horizontales
Ventajas
Buena captación de luz
Condiciones óptimas en ambos subsistemas
Aprovechamiento de CO2 (inyección en el lazo)
Alta concentración de biomasa
Elevada productividad
Inconvenientes
Diseño más caro
Limpieza difícil
Necesidad de control
Acumulación de O2 en el lazo
Particularidades del diseño
Separan el dispositivo desgasificador y el lazo externo
Desgasificador: bombeo e intercambio de gases
Lazo externo: captación de luz
Diversidad de diseños del lazo
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
TUBULAR PHOTOBIOREACTORSDesign of tubular photobioreactors
External loop:
Optimized to maximize the light capture
Optimized to minimize the occupied surface
Bubble column/airlift system:
Optimized for the right circulation of liquid
Optimized to satisfy gases exchange requirements (O2 y CO2)
Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima
4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas tubulares horizontales
ESQUEMA DEL REACTOR
AIRE
CO2
Medio
Cosechado
Gases de salida
Sondas
Agua de enfriamiento
Bomba
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Chlorella produced in Photobioreactors (Kloetze, Germany,]
Courtesy Otto
Pulz
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas tubulares
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas tubulares
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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala
Sistemas tubulares horizontales
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START-UP OF AN INDUSTRIAL FACILITY
Final scheme of tubular photobioreactors
Degasser
Pumpp CO2 injection Sample withdrawalDegasser outlet(to Loop)
pH & DO2 probes
Instrumentation& actuators
Heatexchanger
Airinjection
Inlet(from loop)
Medium inlet
Culture outlet(to recovery)
Loop: Tube lenght = 400 m
Tube diameter = 9 cm
nº tubes = 22
Degasser Volume = 500 L
Reactor: Fluid circulation: centrifugal pump
Temperature control: heat exchanger
Coolingwater