El crecimiento fotosintético requiere luz, dióxido de carbono, agua y sales inorgánicas. Las plantas tradicionales desarrollan diferentes sistemas tisulares que desarrollan diversas funciones. La energía transformada en las zonas verdes (hojas y en ocasiones tallos) tiene la principal función de garantizar la supervivencia de la planta y para ello se concentra en mayor cantidad en los frutos-semillas, por lo que gran parte de la energía asimilada se "perderá" en desarrollar el resto de los tejidos. Sin embargo, en el caso de las microalgas, se puede afirmar que será toda la superficie del organismo el que realice la función fotosintética, obteniendo un mayor rendimiento en la transformación de la energía lumínica a energía química. Esto coloca a las microalgas en la base de la cadena trófica, transmitiendo la energía al resto de escalones.
Un crecimiento medio de las microalgas precisa una serie de elementos inorgánicos que constituirán la célula. Los elementos denominados esenciales incluyen nitrógeno, fósforo, metales y en algunos casos silicio. Unos requerimientos mínimos nutricionales podrían ser estimados usando una aproximación a la formula molecular de su biomasa:
CO 0.48 - H 1.83 - N 0.11 - P 0.01
Los nutrientes como el fósforo deben ser suministrados en exceso debido a que la mayoría de las formas en las que se encuentra están en forma de complejos metálicos, por lo que no todo el fósforo es bioasimilable. El agua del mar suplementada con fertilizantes comerciales nitrogenados y fosforados con una pequeña cantidad de otros micronutrientes es comúnmente usado para el desarrollo de microalgas marinas (Molina Grima et al., 1999)
La biomasa de microalgas contiene aproximadamente un 50% de carbono de base seca (Sanchez Mirón et al., 2003). Todo este carbono deriva del CO2 atmosférico. Una producción de 100 Tn de biomasa de algas ha fijado de media 183 Tn de dióxido de carbono. El CO2 debe ser suministrado de manera continua durante las horas de luz y controlado mediante sensores de pH que minimizan las pérdidas por exceso de inputs y regulan la acidez. Para la producción de biodiesel, el uso de CO2 procedente de plantas que usan recursos fósiles para la obtención de energía, posee un gran potencial debido a que está generalmente disponible y tendría un bajo o nulo coste (Sawayama et al., 1995; Yun et al., 1997)
Teóricamente, el biodiesel procedente de microalgas puede poseer un balance de CO2 neutro, siempre y cuando la energía necesaria para la producción y el procesamiento del alga viniera de la combustión del propio biodiesel y del metano producido en la digestión anaerobia del residuo de biomasa generado tras la extracción del aceite.
La producción de biomasa a gran escala usa generalmente cultivos continuos durante las horas de luz, en el que la inclusión de medio de cultivo fresco en cantidades constantes y la retirada de microalgas es un proceso continuo. El aporte de nutrientes cesa durante la noche, mientras que la mezcla y homogenización del cultivo debe ser continuo, para prevenir la sedimentación de la biomasa. Aproximadamente un 25% de la biomasa producida durante el día se pierde en horas de oscuridad debido a la respiración celular. Dicho porcentaje depende de los niveles de luminosidad en los que el alga ha crecido, la temperatura del cultivo y la temperatura de las horas donde no hay luz. Los métodos utilizados para la producción de microalgas a gran escala son los sistemas abiertos de "raceway ponds" y cerrados o "fotobioreactores"
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