Microalgas, estado del arte (3.- Sistemas de cultivo)

A diferencia de los cultivos terrestres, las microalgas crecen extremadamente rápido, ya que comúnmente pueden doblar su biomasa dentro de las primeras 24h. Los tiempos de duplicación en la "etapa exponencial de crecimiento" es de 3,5h aproximadamente. Dependiendo de la especie, las microalgas producen diferentes tipos de lípidos, hidrocarburos y otro tipo de moléculas complejas.
Los métodos utilizados para la producción de microalgas a gran escala son los sistemas abiertos de "raceway ponds" y cerrados o "fotobioreactores". Veamos en qué consiste cada uno:

Raceway ponds:
Sobre este tipo de tecnología se ha experimentado desde 1950 y existe una extensa experiencia en su ingeniería. Las mayores instalaciones de producción de biomasa basadas en este método, ocupan áreas de unos 440.000 m2 (Spolaore et al., 2006).
Los sistemas raceway constan de un circuito de bucles y canales por donde circula el cultivo y mezclado mediante una rueda de paletas (paddlewheel) que homogeniza los nutrientes y los microorganismos. El flujo es guiado alrededor del sistema de bucles por deflectores (baffles) dispuestos en los canales. El material del que son construidos suele ser hormigón o tierra compactada y recubiertos con plástico blanco que mejora la captación luminosa por parte del alga.

Durante el día, el cultivo es alimentado de manera continua por la parte inicial, donde la rueda de paletas comienza a generar el flujo. La retirada de desechos y microorganismos se lleva a cabo al final del recorrido por la parte trasera de la rueda. El sistema de rueda que genera el movimiento posee un tiempo de operación de 24h, para evitar de esta manera la sedimentación del cultivo.
El enfriamiento del sistema se logra simplemente por evaporación, siendo este aspecto una de las ventajas que posee sobre otras tecnologías, aunque la perdida de agua puede llegar a ser muy significativa. Debido al intercambio gaseoso que realizan este tipo de sistemas con la atmósfera, el uso de dióxido de carbono es mucho menos eficiente que en el caso de fotobioreactores.
La productividad se ve afectada por la contaminación de otras especies de algas no deseadas o de microorganismos que se desarrollan con nuestra alga en cuestión. De forma general, la concentración de biomasa en sistemas abiertos permanecen a niveles bajos debido a que el cultivo está pobremente mezclado y los haces luminosos no pueden acceder a la "zona ópticamente oscura".
La generación de biomasa a partir de microalgas y la extracción de aceite para la producción de biodiesel ha sido estudiado y evaluado de manera muy extensa en los sistemas abiertos raceway ponds. Los Raceways son sistemas menos caros que los fotobioreactores debido a su menor coste de construcción y operación, aunque la producción de biomasa también es menor.
Fotobioreactores:
A diferencia de los sistemas abiertos, los fotobioreactores permite el cultivo de una única especie de microalga durante un tiempo prolongado. Son idóneos para producir una gran cantidad de biomasa algar.
Los fotobioreactores tubulares consisten en una serie de tubos transparentes consecutivos, normalmente fabricados de plástico o vidrio. Es sobre estos tubos donde a luz incidirá sobre las microalgas para la realización de la fotosíntesis. Generalmente poseen un diámetro limitante de unos 0,1m o menos, debido a que un mayor rango impediría la entrada de luz a las zonas profundas ya que es necesario que la densidad del cultivo sea muy elevada para conseguir un alto rendimiento de biomasa. El colector solar o tubos son orientados para maximizar la captura de luz solar. De forma habitual, la disposición de los tubos solares están colocados en paralelo y colocados sobre el suelo.
Otro sistema de organizar los tubos solares es de forma horizontal, paralelos unos a otros en forma de valla, para lograr de esta manera un aumento del número de tubos activos para un área determinada. Además la orientación siempre será Norte-Sur.
La superficie del suelo es a menudo pintado de color blanco o recubierto de plástico para incrementar la reflectancia o albedo, aumentando de esta manera la cantidad de luz recibida por los tubos. Existen otras variantes de fotobioreactores (Molina Grima et al., 1999; Tredici, 1999; Pulz, 2001; Carvalho et al., 2006), pero no son los que normalmente se usan.
La iluminación artificial de los fotobioreactores es una técnica existente, pero demasiado caro en comparación con la luz natural. Sin embargo se ha estado usando para la producción a gran escala de biomasa, particularmente en el caso de productos de alto valor añadido.
La sedimentación de la biomasa en los tubos se previene mediante el mantenimiento de un flujo turbulento elevado. El flujo será producido por una bomba mecánica (de fácil diseño y operación, aunque puede producir daños en la biomasa) o por bomba de burbujas (de menor flexibilidad y requerimiento de una fuente de aire).
La fotosíntesis genera oxígeno, por lo que a altos niveles de irradiancia se pueden lograr concentraciones mayores de 10g O2/m3, pudiendo llegar a inhibir el proceso fotosintético (retroalimentación negativa). Además, en estas condiciones, el exceso de oxígeno y luz solar pueden producir daños por fotoxidación de las células. Para prevenir estos factores, los niveles máximos de tolerancia del oxígeno disuelto no deben sobrepasar el 400% del valor de aire saturado. El oxígeno no puede ser eliminado del interior de los tubos del fotobioreactor. Este hecho limita la distancia de recorrido del cultivo ya que debe ser periódicamente enviado a la zona de desgasificación, donde el oxígeno será secuestrado mediante una corriente de burbujas de aire. De forma general, un tubo no debería exceder los 80 m de recorrido, aunque la distancia exacta depende de varios factores incluyendo la concentración de la biomasa, la intensidad luminosa, el flujo y la concentración de oxígeno en la entrada del tubo.
Durante el recorrido del cultivo a través de los tubos, el pH se verá incrementado por la consumición de dióxido de carbono, por lo que se deberá regular la entrada del gas tanto en la zona del desgasificador como en otros puntos a lo largo del tubo, con el fin de prevenir la limitación de carbono y un aumento excesivo del pH.
Los fotobioreactores precisan de un enfriamiento durante las horas de luz, además de que en la noche también es necesario un cierto control de la temperatura. Por ejemplo, la pérdida de biomasa producida por la noche puede ser reducida mediante la disminución de la temperatura durante estas horas. Los métodos más usados para producir el enfriamiento del cultivo serían el uso de intercambiadores de calor localizados en el desgasificador, uso de agua pulverizada directamente sobre los tubos.