PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL EN UN … · se inocula 0,1 ml de la cepa original en tubos de ensayos con 10 ml de medio Erdschreiber líquido, que se

VII CAIQ2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL EN UN

FOTOBIORREACTOR DISCONTINUO EN ESCALA PILOTO

DE CONFIGURACIÓN VARIABLE EN RÉGIMEN DE

INCREMENTO LINEAL DE LA CONCENTRACIÓN.

E. J. Rost1

, L. B. Pérez2, M. R. Carstens

1, S. G. Perales

2

1Facultad de Ingeniería;

2Facultad de Ciencias Naturales, Universidad Nac. de la

Patagonia S. J. Bosco. Ruta Prov. 1 Km 4, 9000 Comodoro Rivadavia, Chubut.

[email protected]

Resumen. Se estudia el desarrollo del cultivo de microalgas fototróficas en un

fotobiorreactor de burbujeo de escala piloto y geometría variable, constituido

por dos tubos cilíndricos verticales concéntricos, con burbujeo distribuido en

el espacio anular. Esta geometría permite optar entre dos variantes

fluidodinámicas denominadas de flujo restringido y de flujo total. Se ha

ensayado con dos especies de microalgas marinas, Phaeodactylum

tricornutum y Tetraselmis sp., en condiciones de sobre disponibilidad de

nutrientes. En ambos casos, en operación semicontinua, se han registrado

períodos de incremento lineal sostenido de las concentraciones de biomasa, de

entre 0,2 y un máximo de 3,0 g/L. La máxima concentración obtenible y la

velocidad de producción de biomasa se ven afectadas por el cambio que sobre

la disponibilidad de energía lumínica provoca el cambio de la fluidodinámica

del fotobiorreactor (FBR). Por último, se propone una modificación del

modelo cinético de crecimiento exponencial de modo de introducir el efecto

del ensombrecimiento muto entre células a alta concentración, consiguiendo

un adecuado ajuste con los datos obtenidos.

Palabras clave: fotobiorreactor, modelamiento, microalgas.

A quien debe dirigirse toda la correspondencia.



1. Introducción

El diseño de reactores es una de las temáticas de mayor valor económico industrial

entre las que son consideradas especialidades de la Ingeniería Química. En la búsqueda

de procesos de mayor eficiencia económica, es práctica necesaria obtener información

empírica pertinente al escalamiento de las unidades en desarrollo. En el área de la

biotecnología esta tarea se encuentra entre las de mayor complejidad, con datos de

difícil reproducibilidad por el número y tipo de variables que influyen en el proceso,

toda vez que se trabaja con material biológico vivo.

Existen dos diseños básicos de sistemas para el cultivo artificial de microalgas: los

abiertos, en los que el cultivo se realiza en contenedores agitados expuestos a la

atmósfera, y los sistemas cerrados, comúnmente denominados fotobiorreactores (FBR).

En éstos últimos la luz que incide sobre el cultivo lo hace a través de las paredes

translúcidas del recipiente que lo contiene, presentando importantes ventajas respecto de

los sistemas abiertos debido a un mejor control de las condiciones de operación

(Grobbelaar, 2008). Esto permite obtener mayores volúmenes de producción con altas

concentraciones celulares (más de 3 g/L en los denominados de “alta densidad celular”).

Desde el punto de vista de su diseño, los FBR pueden ser construidos con diferentes

geometrías y alternativas de iluminación, favoreciendo un empleo óptimo de la energía,

y aplicando diferentes métodos de mezclado mediante agitadores, bombas o,

comúnmente, burbujeadores de aire. Constituyen por lo tanto, sistemas cerrados con una

gran flexibilidad para permitir muchas opciones de optimización para una mejor

productividad y acorde con las características de crecimiento y reproducción que poseen

las distintas especies cultivables.

Se presentan aquí los resultados empíricos obtenidos en un FBR de escala piloto, de

tubos concéntricos verticales con burbujeo en el espacio anular, del cultivo de dos

especies de microalgas de aguas salobres, Phaeodactylum tricornutum y Tetraselmis sp.,

típicas productoras de ácidos grasos poliinsaturados -3. La geometría de este FBR

permite alternar entre dos configuraciones que involucran diferentes volúmenes de

cultivo, con lo que se puede analizar el efecto que sobre la producción de biomasa



realiza un aumento del volumen de cultivo en desmedro del empobrecimiento de la

captación de energía lumínica. Adicionalmente, se propone un modelo cinético simple

de estimación de la evolución de la concentración de biomasa, mediante la afectación de

la ecuación cinética de crecimiento exponencial de modo de considerar el fenómeno de

ensombrecimiento mutuo de las células, y que ajusta convenientemente los datos

obtenidos en la fase lineal.

2. La unidad experimental

Una de las variantes de FBR más empleadas para el cultivo de microalgas es la de

tubos cilíndricos verticales, en los que se ha dispuesto en su base un burbujeador por el

que se introduce aire y un pequeño volumen de CO2. Las geometrías más utilizadas son

las de un cilindro vertical simple (bubble column) y la de tubos concéntricos (draft

column), en ambos caso con un burbujeador central y caracterizados por un flujo

ascendente en el centro del reactor y descendente por la zona inmediata a la pared

externa. Se ha estudiado también la configuración de tubo dividido (split column), con

un tabique plano vertical que separa el espacio interior en dos mitades y con burbujeador

desplazado hacia una de éstas (Sánchez Mirón et al., 2002; Luo y Al-Dahhan, 2011).

El FBR en escala piloto de que se dispone para este trabajo es de tubos concéntricos

con burbujeo en el espacio anular. De acuerdo a los esquemas presentados en la figura 1,

el mismo permite trabajar con dos configuraciones alternativas de interés para la

obtención de datos empíricos: a) de flujo restringido, con el cultivo desarrollándose en el

espacio anular entre tubos, donde desde el punto de vista fluidomecánico el ascenso de

burbujas provoca un vigoroso mezclado, y b) con flujo total, donde el cultivo ocupa el

total del volumen del reactor –anular más interior del tubo interno- provocándose por

efecto air-lift del sistema de burbujeo un flujo ascendente por el espacio anular con

retorno o flujo descendente por el interior del tubo interno. La capacidad de cultivo que

tiene la unidad disponible para este trabajo, es de 15 L en flujo restringido y 22 L en

flujo total.



Figura 1. Representación esquemática de los dos

modelos de flujo alternativos del FBR de burbujeo

de tubos concéntricos.

Los tubos son de metacrilato de etilo con las siguientes dimensiones: cilindro externo

de 200 mm de diámetro externo (pared de 4 mm) y cilindro interior de 120 mm (pared de

4 mm), con una longitud total o altura de 1000 mm. En la variante de flujo total la

longitud del tubo interno es de 750 mm, ubicándose su extremo inferior a 20 mm por

encima del fondo del FBR.

En la figura 2 se presenta un esquema de la instalación en lo concerniente al

transporte de fluidos. El aire es provisto por un compresor equipado con trampa de

líquidos y válvula reductora de presión y el CO2 proviene de un cilindro a presión

también a través de una válvula reductora. Los caudales de ambas corrientes son

medidos mediante dos caudalímetros del tipo rotámetro, antes de mezclarse de acuerdo

a la proporción que se fija mediante sendas válvulas aguja. El volumen de aire

ingresado es del orden de 200 L/min y la de CO2 de 5 L/min. La mezcla se hace

circular luego por un filtro estéril con membrana de polietileno de tamaño de poro de

0,2 m para eliminar contaminantes y se envía a un pulmón-distribuidor de donde la

mezcla es conducida a los burbujeadores.

Los gases ingresan a través de 8 burbujeadores independientes, distribuidos

simétricamente en la zona correspondiente al espacio anular. Se trata de tubos de acero



inoxidable de ⅛” de diámetro con forma de “L” con tres perforaciones laterales de 1 mm

en el tramo horizontal.

El sistema se encuentra equipado con un sistema de luz artificial, con tubos

fluorescentes de luz blanca de 30 W cada distribuidos uno alrededor del FBR, con una

capacidad máxima de instalación de 8 tubos (lo que corresponde a una irradiancia

promedio máxima disponible de 180 E/(m2.s) en la superficie interna del FBR de

acuerdo a determinaciones realizadas empíricamente).

Figura 2. Esquema de instalación del FBR con detalle de las líneas de

gas y líquido. 1) fotobiorreactor (FBR); Líneas de gas: 2) compresor, 3)

trampa de condensado, 4) válvula reductora de presión, 5) caudalímetro

(rotámetro), 6) válvula aguja, 7) fuente de CO2, 8) válvula reductora, 9)

caudalímetro, 10) válvula aguja, 11) mezclador, 12) filtro esterilizador, 13)

pulmón y distribuidor de gas a burbujeadores, 14) conjunto de válvulas de

regulación de caudal independiente de cada burbujeador, 15) descarga de

gases y espuma. Líneas de líquido: 16) depósito de agua y medio de

cultivo, 17) purga, 18) filtro esterilizador, 19) puerto de ingreso de inóculo y

otros volúmenes pequeños previamente esterilizados, 20) juego de válvulas

de ingreso, 21) válvula de muestreo y de cosecha, 22) circuito de

refrigeración.



3. Metodología experimental

Para la preparación del medio de cultivo se ha adoptado la formulación de Laing

(1991) empleando agua de mar recogida en un lugar de baja contaminación

comprobada, de un punto costero distante 40 km al sur de Comodoro Rivadavia, y

mantenida en ambiente oscuro durante 4 meses (como mínimo) antes de su utilización.

Durante el llenado del reactor esta agua es esterilizada mediante su pasaje por un filtro

de membrana de polietileno.

El pH del medio de cultivo se mantiene mediante la introducción de un porcentaje

constante de CO2 en la corriente de aire que ingresa al FBR, normalmente entre 2 y 3%

del volumen de éste (Wu et al., 2004; Barbosa et al., 2003), realizando periódicamente

un control manual coincidente con el muestreo realizado para cuantificación del

crecimiento de la biomasa.

El mantenimiento de las cepas disponibles se realiza en el cepario del Laboratorio de

Microalgas del Departamento de Biología de la Facultad de Ciencias Naturales,

siguiendo la metodología descripta por Provasoli (1968) y McLachlan (1973). Para ello

se inocula 0,1 ml de la cepa original en tubos de ensayos con 10 ml de medio

Erdschreiber líquido, que se disponen en un ambiente acondicionado a 21°C con

iluminación intermitente (fotoperiodo de 16 hs) con una intensidad lumínica de 120

E/(m2.s). Los repiques se realizan cada 25 días. La preparación del inóculo que se

planta en el FBR se realiza a partir de los tubos de ensayo mencionados antes, mediante

el cultivo en mayor volumen (de 125 a 500 cm3) con un medio de cultivo idéntico al que

se emplea en la unidad piloto. En el proceso de cambio de volumen se emplea una

concentración inicial de 5x104 cel./ml, en condiciones de crecimiento en fase

exponencial.

Para la esterilización de los elementos y de los medios de cultivo empleados en la

preparación del inóculo se emplea autoclave y la preparación de medios y el manipuleo

de las algas se realizan en un cuarto de siembra provisto de luz UV. Para la

esterilización del FBR, en función de su tamaño, se procede a lavar con agua oxigenada

de 10 volúmenes.



El FBR es operado en modo semicontinuo, esto es, realizando cosechas parciales en

períodos de crecimiento en fase lineal, y con fotoperiodo de 16 h. El período de cultivo

entre cosechas se fija determinando en el primer ciclo el cambio de fase lineal a

estacionaria, de modo de estimar la concentración de biomasa máxima alcanzable. A los

efectos de no introducir disturbios en el cultivo, el muestreo periódico se realiza

extrayendo cantidades mínimas, del orden de 10 mL, determinando la concentración de

biomasa por técnica turbidimétrica mediante un fotómetro Hach modelo DR2010. El

factor de respuesta de este instrumento se ajusta tomando de referencia la medición de

concentración final, realizada mediante pesada de la biomasa cosechada deshidratada a

la finalización de cada ciclo.

Una muestra de 400 mL del cultivo cosechado al final de cada ciclo es centrifugado

para obtener la biomasa que luego se procede a secar en estufa a 3640°C hasta pesada

constante. La misma es mantenida en freezer a -18°C para su conservación para

determinación del contenido de lípidos.

4. Modelamiento

Durante el proceso de reproducción de la biomasa microalgal, en forma semejante a

otros microorganismos, ocurren etapas características que es necesario describir para

lograr una adecuado modelamiento del mismo. En condiciones de ausencia de

limitación de insumos, se presenta una etapa inicial de adaptación cuando la

concentración de biomasa es muy pequeña, seguida de una fase de rápido crecimiento de

orden exponencial. Se presenta luego una situación de competencia espacial en la

captura de la energía lumínica disponible para fotosíntesis, debido a que en la línea de

transferencia de luz desde la superficie del FBR las células (que pueden ser consideradas

como centros de captación fotónica) que se encuentran más cercanas a la fuente de luz

interceptan la misma ensombreciendo a las que se encuentran más lejanas. En esta fase

se puede observar que el incremento de la concentración de biomasa se ajusta a un

modelo lineal o de productividad constante.



Esto se mantiene hasta que, debido a limitación de los recursos de consumo (ya sea

lumínico o de nutrientes) se observa una rápida disminución de la tasa de crecimiento,

ingresando en una fase estacionaria con producción nula, con equilibrio entre las

velocidades de reproducción y de muerte de células. Finalmente, si la tasa de muerte es

superior a la de reproducción, se produce una fase de declive (tasa negativa de

crecimiento) con tendencia a desaparición de la biomasa.

En la etapa de crecimiento exponencial típicamente la velocidad de producción de

biomasa se ajusta al modelo cinético:

1

max

dC

C dt (1)

siendo C la concentración másica y max la velocidad específica máxima. Esta ecuación

puede integrarse, en condiciones de cultivo discontinuo y con concentración inicial 0C

para obtener la función:

0( ) exp( )maxC t C t (2)

Dado que la velocidad de reproducción se ve afectada por el fenómeno de

ensombrecimiento mutuo de las células, el modelo exponencial sólo es útil para

concentraciones de biomasa reducidas. Para simular la fase de crecimiento lineal, se ha

encontrado que es posible mantener el modelo anterior afectando la velocidad específica

por el cociente de la irradiancia promedio en el medio de cultivo Iav y la irradiancia de la

luz incidente en la superficie externa del FBR, I0:

0

0

( ) exp( ); avav av max

IC t C t

I (3)

Para evaluar la irradiancia o densidad de flujo fotónico en el interior de un FBR se

han desarrollado ecuaciones basadas en la ley de Lambert-Beer. Aunque válida sólo para

propagación unidimensional, se ha encontrado que es satisfactoria para su aplicación a

un FBR cilíndrico sobre la base de considerar que la superficie del mismo está

uniformemente iluminada y que cada punto de la superficie interna de la pared se

comporta como una fuente de luz. Entonces, la irradiancia en el interior del medio de



cultivo en función de la concentración de biomasa puede describirse mediante la

ecuación (Evers, 1991):

2 2 2 0,50

0( , ) exp ( )cos ( ( ) sen )C

II d C K C R d R R d d

(4)

donde KC es un coeficiente de extinción, R el radio del cilindro del FBR y d la distancia

desde la superficie del reactor al elemento receptor. En esta ecuación no se considera

interferencia debida al material de la pared del FBR.

Cuando la concentración de biomasa es alta la I(d,C) es sustancial sólo cerca de la

superficie del FBR y en esta situación la ecuación (4) se puede reducir a (Barbosa et al.,

2003; García et al., 2006; Wu y Merchuk; 2001, 2004):

0( , ) exp( )CI d C I K d C (5)

La irradiancia promedio en el interior del cultivo, finalmente, se puede calcular

integrando la función previa obteniéndose la siguiente ecuación (García et al., 2006;

Acién et al., 1998):

0 1 exp(av C

C

II K RC

K RC (6)

A los efectos de su aplicación al FBR empleado, y con los resultados que se indican a

continuación, se ha identificado a R con la profundidad del cultivo en el espacio anular,

o sea el espesor de este volumen, lo cual es apropiado operando con el FBR en la

variante de flujo restringido. En el caso de flujo total se ha hecho consideración de que a

concentraciones donde predomina el ensombrecimiento entre células se puede ignorar el

proceso de evolución del cultivo en el volumen interno, por cuanto la irradiancia I(d,C)

disminuye muy rápidamente en las capas líquidas más cercanas a la pared iluminada.

Así mismo, se considera aceptable emplear el valor de irradiancia promedio en el

espacio anular debido a que el intenso mezclado provocado por el burbujeo de gases

permite inferir que todas las células acceden a dosis de energía lumínica en forma

homogénea durante su trayecto en esta zona.



5. Resultados

Del total de experiencias de cultivo realizadas en las dos variantes de flujo y con las

dos especies de microalgas indicadas, se han seleccionado los datos que se presentan a

continuación. En todos los casos el valor de irradiancia promedio en la superficie

externa del FBR fue de 125 E/(m2.s).

En la figura 3 se presentan las evoluciones de concentración de biomasa

determinadas durante dos de las experiencias realizadas de cultivo de la especie

Phaeodactylum tricornutum, correspondiendo el diagrama de la izquierda a la

configuración de flujo restringido (volumen de cultivo de 15 L). La misma comprende 4

ciclos (o sea, 4 cosechas) con valor final de concentración de cerca de 2 g/L en cada

uno, sin arribar netamente a la fase estacionaria, como se puede observar. El diagrama

de la derecha indica la evolución determinada operando en la configuración de flujo

total (22 L) con 3 ciclos.

Figura 3. Evolución de la concentración de biomasa durante experiencias realizadas con

la especie P. tricornutum. El primer diagrama corresponde a operación con el FBR en

flujo restringido (15 L) y el segundo en flujo total (22 L). Se utilizó una técnica

turbidimétrica para determinar los valores de concentración durante el proceso y el valor

final de cada ciclo se obtuvo por pesada de la biomasa cosechada.

En función de los valores obtenidos de velocidad de producción de biomasa, de 0,214

y 0,133 g/(L.día) para flujo restringido y total respectivamente, queda en evidencia que



el mayor volumen atenta contra la captación de energía lumínica, provocando una

velocidad de crecimiento menor como así también una concentración final posible

menor (en el segundo caso se puede observar en la figura que en cada ciclo el cultivo se

acerca a la meseta de fase estacionaria).

La figura 4 es semejante a la anterior, correspondiendo a dos de las experiencias

realizadas con Tetraselmis sp. Para esta especie se obtuvieron velocidades de

crecimiento promedio de 0,167 y 0,105 g/(L.dia) operando con flujo restringido y flujo

total respectivamente y concentraciones finales máximas del orden de 2,5 g/L en la

primera opción. En estos últimos ensayos, además y como se puede observar en los

diagramas presentados, cada ciclo de cultivo fue iniciado con una concentración del

orden de 0,2 g/L, lo que permitió operar casi permanentemente en condiciones de

crecimiento lineal.

Figura 4. Evolución de la concentración de biomasa durante experiencias realizadas con la

especie Tetraselmis sp. El primer diagrama corresponde a operación con el FBR en flujo

restringido (15 L) y el segundo en flujo total (22 L). Se utilizó una técnica turbidimétrica

para determinar los valores de concentración durante el proceso y el valor final de cada ciclo

se obtuvo por pesada de la biomasa cosechada.

Las velocidades de producción de biomasa en fase lineal informadas se obtuvieron

mediante regresión lineal involucrando el total de los datos de concentración de cada

experiencia. En la configuración de flujo total, la relación de volumen iluminado (la del

espacio anular) a volumen total es de 0,63. Este factor es coincidente, dentro de



márgenes de error razonables en función de los recursos empíricos empleados, con el de

la relación de las velocidades de crecimiento lineal en las variantes de flujo fraccionado

y flujo total, lo que puede entenderse como una relación directa entre la velocidad de

reproducción celular y la fracción del período de iluminación a que acceden las células

en su recorrido por el interior del FBR.

Para realizar el modelamiento matemático de la evolución de la concentración de

biomasa en cada ciclo, tal como se indicó en Modelamiento, se propuso emplear el

modelo de crecimiento exponencial modificado de modo de considerar el efecto de

ensombrecimiento entre células, que es cada vez más severo al aumentar el número de

éstas. Se obtuvieron resultados notablemente satisfactorios, como puede observarse en

las figuras 5 y 6, al menos en lo que a predicción del comportamiento se refiere por

cuanto sólo se realizó un tratamiento estadístico en forma aislada para cada experiencia.

Figura 5. Incremento de la concentración de biomasa: valores empíricos indicados mediante

marcadores (rombos), modelo exponencial (ecuación 2) con línea a trazos y modelo

exponencial modificado (ecuación 3) mediante línea llena. El primer diagrama corresponde

al ciclo 2 del cultivo en flujo restringido (15 L) de P. tricornutum presentado de la figura 3;

max = 0,91 dia-1

. El diagrama de la derecha es del ciclo 2 del cultivo de T. sp. en flujo

restringido (15 L) de la figura 6; max = 0,80 dia-1

.

A estos efectos, la irradiancia inicial I0 (de concentración nula) se determinó

empíricamente y la irradiancia promedio Iav se calculó con la ecuación (6) a partir de los

valores experimentales de concentración. El valor del factor de extinción fue adoptado



de acuerdo a García et al (2006), KC = 0,1m2/g. Los valores de la velocidad específica

máxima max indicados en las figuras 5 y 6 se obtuvieron mediante ajuste por mínimos

cuadrados de las diferencias entre valores empíricos y del modelo, de la concentración

de biomasa.

Figura 6. Incremento de la concentración de biomasa: valores empíricos indicados mediante

marcadores (rombos), modelo exponencial (ecuación 2) con línea a trazos y modelo

exponencial modificado (ecuación 3) mediante línea llena. El primer diagrama corresponde

al ciclo 2 del cultivo en flujo total (22 L) de P. tricornutum presentado de la figura 3; max =

0,92 dia-1

. El diagrama de la derecha es del ciclo 2 del cultivo de T. sp. en flujo total (22 L)

de la figura 6; max = 0,55 dia-1

.

6. Conclusiones

En las experiencias de cultivo de microalgas realizadas en un FBR de cilindros

concéntricos con burbujeo en el espacio anular, de escala piloto de 15 L de capacidad

en flujo restringido y 22 L en flujo total, se registraron períodos de incremento lineal

sostenido de las concentraciones de biomasa. Tanto la velocidad de reproducción de la

biomasa como la concentración máxima alcanzable en iguales condiciones de

disponibilidad de nutrientes se vieron afectadas al alternar de configuración,

disminuyendo ambos al operar en condiciones de flujo total debido a un menor acceso a

la energía lumínica disponible.

En condiciones de alta concentración de biomasa, la relación de volumen iluminado

(la del espacio anular) a volumen total del FBR es de valor coincidente con el de la



relación de las velocidades de crecimiento en fase lineal en las variantes de flujo

fraccionado y flujo total, lo que puede atribuirse a una relación directa entre la velocidad

de reproducción celular y la fracción del período de iluminación a que acceden las

células.

Adicionalmente, se encontró que el incremento de concentración de biomasa puede

ser modelado matemáticamente en forma satisfactoria en estas condiciones,

introduciendo una modificación en la ecuación cinética de crecimiento exponencial para

tener en cuenta la disminución de irradiancia en el interior del medio de cultivo

producido por el ensombrecimiento mutuo entre células.

Reconocimiento

Se agradece el apoyo de la Secretaría de Ciencia y Técnica de la Universidad Nacional

de la Patagonia San Juan Bosco.

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