DISEÑO Y CONSTRUCCI ÓN DE UN SISTEMA
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES AIRLIFT EN SERIE PARA EL CULTIVO SEMICONTINUO DE ALGAS “ TRABAJO ESCRITO CORRESPONDIENTE A LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: CURRICULAR EN LA MODALIDAD DE: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN BIOTECNOLOGÍA PRESENTA: ISKRA ANAÍ CRUZ CRUZ DIRIGIDA POR: DR.EDGAR SALGADO MANJARREZ México, D. F., ENERO, 2015
Transcript of DISEÑO Y CONSTRUCCI ÓN DE UN SISTEMA
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE BIORREACTORES AIRLIFT EN
SERIE PARA EL CULTIVO SEMICONTINUO DE ALGAS “
TRABAJO ESCRITO CORRESPONDIENTE A LA OPCIÓN DE TITULACIÓN: CURRICULAR EN LA
MODALIDAD DE: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN BIOTECNOLOGÍA
PRESENTA: ISKRA ANAÍ CRUZ CRUZ
DIRIGIDA POR: DR.EDGAR SALGADO MANJARREZ
México, D. F., ENERO, 2015
CARTA DE SESIÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México el día 8 de Enero del 2016, el que suscribe Cruz Cruz
Iskra Anaí , alumno del Programa Académico 2006 Ingeniería en Biotecnología
con número de boleta 2012620424, de la Unidad Profesional Interdisciplinaria de
Biotecnología, manifiesta que es autor intelectual del presente trabajo escrito bajo
la Dirección de Dr. Edgar Salgado Manjarrez y cede los derechos del trabajo titulado
“Diseño y construcción de un sistema de biorreactores airlift en serie para el cultivo
semicontinuo de algas” al Instituto Politécnico Nacional, para su difusión con los
fines académicos que desarrolla.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o
datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede
ser solicitado en la siguiente dirección de correo electrónico: icruzc@
alumno.ipn.mx. Si el permiso se otorga, el usuario deberá citar la fuente y dar el
agradecimiento correspondiente.
________________________________________ Cruz Cruz Iskra Anaí
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA
Autorización de uso de obra
Instituto Politécnico Nacional P r e s e n t e Bajo protesta de decir verdad el que suscribe Cruz Cruz Iskra Anaí (se anexa copia simple de identificación oficial), manifiesto ser autor (a) y titular de los derechos morales y patrimoniales de la obra titulada “Diseño y construcción de un sistema de biorreactores airlift en serie para el cultivo semicontinuo de algas”, en adelante “La Tesis” y de la cual se adjunta copia, por lo que por medio del presente y con fundamento en el artículo 27 fracción II, inciso b) de la Ley Federal del Derecho de Autor, otorgo a el Instituto Politécnico Nacional, en adelante El IPN, autorización no exclusiva para comunicar y exhibir públicamente total o parcialmente en medios digitales (discos con el proyecto en pdf) “La Tesis” por un periodo de 6 meses contado a partir de la fecha de la presente autorización, dicho periodo se renovará automáticamente en caso de no dar aviso expreso a “El IPN” de su terminación. En virtud de lo anterior, “El IPN” deberá reconocer en todo momento mi calidad de autor de “La Tesis”.
Adicionalmente, y en mi calidad de autor y titular de los derechos morales y patrimoniales de “La Tesis”, manifiesto que la misma es original y que la presente autorización no contraviene ninguna otorgada por el suscrito respecto de “La Tesis”, por lo que deslindo de toda responsabilidad a El IPN en caso de que el contenido de “La Tesis” o la autorización concedida afecte o viole derechos autorales, industriales, secretos industriales, convenios o contratos de confidencialidad o en general cualquier derecho de propiedad intelectual de terceros y asumo las consecuencias legales y económicas de cualquier demanda o reclamación que puedan derivarse del caso.
México, D. F., Enero de 2016 .
Atentamente
Iskra Anaí Cruz Cruz
“LO QUE APRENDÍ ES QUE EN LA VIDA HAY QUE
JODERSE; Y QUE EN VERDAD EL TRABAJO ES UNA
CABRONA CARGA QUE DIOS NOS PUSO”
JAIME SABINES
AGRADECIMIENTOS
Deseo agradecer primordialmente al Dr. Edgar Salgado Manjarrez por darme la
oportunidad de formar parte de este proyecto y por guiarme durante este periodo de
tiempo.
Asimismo quisiera agradecer al Comité Evaluador por su presencia y atención al
momento de la evaluación del proyecto.
Gracias a mi familia; a mis primos y primas porque con ellos comparto los recuerdos
de una infancia feliz; gracias a mis tíos, por ser un ejemplo de superación y gran
calidad humana. Especialmente gracias a mis padres: Argeo y Araceli por su
paciencia, comprensión y amor dado, por el tiempo concedido y su gran anhelo de
superación inculcado.
Pero, sobre todo, gracias a mi hermana por su motivación para terminar este
proyecto y por escribir esto. Sin su apoyo, esto jamás hubiera sido escrito.
ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 11
BIODIESEL ....................................................................................................... 11
FACTIBILIDAD ECONÓMICA ....................................................................... 12
MICROALGAS .................................................................................................. 13
CONDICIONES DE CULTIVO ........................................................................... 15
CULTIVO FOTOTRÓFICO ............................................................................ 15
CULTIVO HETEROTRÓFICO ....................................................................... 15
CULTIVO MIXOTRÓFICO ............................................................................. 15
CULTIVO FOTOHETEROTRÓFICO.............................................................. 16
SISTEMAS DE PRODUCCIÓN ......................................................................... 16
FOTOBIORREACTORES DE SUPERFICIE PLANA (FLAT PANEL)........... 18
FOTOBIORREACTOR DE TANQUE AGITADO ........................................... 19
COLUMNAS VERTICALES (COLUMNA DE BURBUJEO Y AIR-LIFTS) ..... 20
FOTOBIORREACTOR TUBULAR HORIZONTAL ........................................ 21
FOTOBIORREACTOR HELICOIDAL ............................................................ 22
OTRAS CONFIGURACIONES (HÍBRIDOS) ................................................. 22
DISEÑO DE UN FOTOBIORREACTOR ........................................................... 24
MODELOS DE CRECIMIENTO CELULAR ....................................................... 25
BIORREACTORES TUBULARES (FLUJO PISTON) ................................... 25
BIORREACTORES DE OPERACIÓN CONTINUA ....................................... 28
JUSTIFICACIÓN ................................................................................................... 29
OBJETIVOS .......................................................................................................... 30
GENERAL ......................................................................................................... 30
ESPECÍFICOS ................................................................................................... 30
METODOLOGÍA ................................................................................................... 31
RESULTADOS ...................................................................................................... 33
ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................. 44
CONCLUSIONES ................................................................................................. 46
ANEXO A .............................................................................................................. 47
REFERENCIAS ..................................................................................................... 48
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1 COMPARACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS DIFERENTES CONDICIONES DE CULTIVO DE MICROALGAS (CHEN. Y.C., 2011). ........................................................... 16
TABLA 2 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE ALGUNOS SISTEMAS DE CULTIVO. ....................... 24 TABLA 3 CARACTERÍSTICAS Y COMPONENTES DE DIFERENTES FUENTES DE LUZ (CHEN.
Y.C., 2011) ................................................................................................................................ 25 TABLA 4 ECUACIONES DEL SISTEMA EN LOTE Y DE FLUJO PISTÓN .................................... 26 TABLA 5 ECUACIONES DEL SISTEMA CONTINÚO ...................................................................... 28 TABLA 6 PARÁMETROS DE LA SIMULACIÓN DE CRECIMIENTO DE SCENEDESMUS SP. EN
OPERACIÓN CONTINUA Y SEMICONTINUA ........................................................................ 31 TABLA 7 VALORES DE CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] Y SUSTRATO RESIDUAL [G/L] EN
UN CULTIVO EN LOTE DE 168 HORAS ................................................................................. 34 TABLA 8 CONCENTRACIONES CELULARES EN LA ETAPA 7 CON DIFERENTES TASAS DE
DILUCIÓN ................................................................................................................................. 38 TABLA 9 VALORES DE CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] Y SUSTRATO RESIDUAL [G/L] EN
ESTADO ESTABLE EN CADA UNA DE LAS ETAPAS CON UNA TASA DE DILUCIÓN DE 0.0311 H-1 ................................................................................................................................. 39
TABLA 10 VALORES DE CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] Y SUSTRATO RESIDUAL [G/L] EN ESTADO QUASI ESTABLE EN CADA UNA DE LAS ETAPAS EN OPERACIÓN SEMICONTINUA CON PULSOS DE ALIMENTACIÓN CADA 4 HORAS POR 4 HORAS Y UN FLUJO DE 0.0622 L/H CON EN UN TIEMPO DE OPERACIÓN DE 615 HORAS .................. 41
TABLA 11 FORMULACIÓN DE MEDIO DE CULTIVO BG-11 ......................................................... 47
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1 MORFOLOGÍA MICROSCÓPICA E IMAGEN SEM DE LA CEPA R-16 DE SCENEDESMUS SP. A) MICROGRAFÍA DE LUZ B) MICROGRAFIA FLUORESCENTE DE LA MICROALGA TEÑIDA DE ROJO NILO C) IMAGEN SEM (8000X) (REN.H-Y., 2013). .... 15
FIGURA 2 ESQUEMATIZACIÓN DE UN RACEWAY POND (SINGH. R.N., 2012) ......................... 17 FIGURA 3 CLASIFICACIÓN DE FOTOBIORREACTORES (CARVALHO. A.P., 2006) (KUMAR.
K.,2011) (LEE.Y.K.,1995) ......................................................................................................... 18 FIGURA 4 VISTA DELANTERA Y DE PERFIL DE UN FOTOBIORREACTOR DE PANEL PLANO
(SINGH. R.N., 2012) ................................................................................................................. 19 FIGURA 5 FOTOBIORREACTOR DE TANQUE AGITADO ............................................................. 19 FIGURA 6 DIFERENTES CONFIGURACIONES DE REACTOR AIR-LIFT (SINGH. R.N., 2012) ... 20 FIGURA 7 FUNCIONAMIENTO DE UN FOTOBIORREACTOR TUBULAR (SINGH. R.N., 2012) .. 22 FIGURA 8 FOTOBIORREACTOR HELICOIDAL (SINGH. R.N., 2012) ............................................ 22 FIGURA 9 A) COLUMNA DE BURBUJEO PLANA E INCLINADA B) AIR-LIFT DE CIRCULACIÓN
INTERNA C) AIR-LIFT PLANO D) AIR-LIFT DE PANEL PLANO SUBITEC E) FOTOBIORREACTOR TUBULAR CON MEZCLADOR ESTATICO KUNLL F) FOTOBIORREACTOR TUBULAR CON BAFLES COMO MEZCLADOR ESTATICO G) AIR-LIFT DE CIRCULACIÓN EN ESPIRAL H) FOTOBIORREACTOR DE COUETTE TAYLOR .. 23
FIGURA 10 CRECIMIENTO DE CHLORELLA VULGARIS EN UN BIORREACTOR TUBULAR CON
MEDIO WATANABE. (O) NÚMERO DE CÉLULAS X10 6/ML; () CONCENTRACIÓN DE NITRATO EN MG/ML ............................................................................................................... 27
FIGURA 11 CRECIMIENTO DE UNA MICROALGA EN UN BIORREACTOR CILÍNDRICO OPERADO EN LOTE BATCH CON MEDIO DE CULTIVO CON UNA CONCENTRACIÓN ALTA DE AMONIO ................................................................................................................... 27
FIGURA 12 CONSUMO DE AMONIO POR UNA MICROALGA EN UN BIORREACTOR CILÍNDRICO OPERADO EN LOTE ......................................................................................... 28
FIGURA 13 DISEÑO DE FOTOBIORREACTOR AIR-LIFT EN SERIE CON DIMENSIONES VISTA FRONTAL ................................................................................................................................. 43
FIGURA 14 DISEÑO DE FOTOBIORREACTOR AIR-LIFT EN SERIE CON DIMENSIONES VISTA ISOMÉTRICA ........................................................................................................................... 43
FIGURA 15 DISEÑO DE FOTOBIORREACTOR AIR-LIFT EN SERIE CON DIMENSIONES VISTA SUPERIOR DE LA TAPA ......................................................................................................... 44
FIGURA 16 BIORREACTORES DE TANQUE AGITADO IDEALMENTE MEZCLADOS EN SERIE CON PARCIAL RECIRCULACIÓN DE BIOMASA (TOMADO DEL LIBRO BIOREACTON ENGINEERING, VOLUMEN 1 DE KARL SCHÜGERL) ........................................................... 45
ÍNDICE DE GRÁFICAS
GRÁFICA 1 CULTIVO EN LOTE DE 7 DÍAS CON LOS PARÁMETROS DE LA TABLA 6 ............. 34 GRÁFICA 2 SIMULACIÓN DE CULTIVO TUBULAR DE 168 HORAS CON UN FLUJO DE 0.0311
L/H ............................................................................................................................................ 35 GRÁFICA 3 COMPARACIÓN ENTRE UN CULTIVO EN LOTE Y UN CULTIVO TUBULAR .......... 35 GRÁFICA 4 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASA DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 1 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 36 GRÁFICA 5 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASAS DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 2 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 36 GRÁFICA 6 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASAS DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 3 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 36 GRÁFICA 7 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASAS DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 4 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 37 GRÁFICA 8 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASAS DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 5 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 37 GRÁFICA 9 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASAS DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 6 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 37 GRÁFICA 10 CONCENTRACIÓN CELULAR [G/L] A DIFERENTES TASAS DE DILUCIÓN DE LA
ETAPA 7 EN ESTADO ESTABLE ............................................................................................ 37 GRÁFICA 11 COMPORTAMIENTO DINÁMICO EN OPERACIÓN CONTINUA CON D=0.0311 H-1
DE LAS 7 ETAPAS ................................................................................................................... 38 GRÁFICA 12 COMPORTAMIENTO DINÁMICO EN OPERACIÓN CONTINUA CON D=0.0311 H-1
DE LA ETAPA 1 Y ETAPA 7 .................................................................................................... 38 GRÁFICA 13 CONCENTRACIÓN DE BIOMASA EN ESTADO ESTABLE EN EL CULTIVO
CONTINUO CON D=0.0311 H-1 ............................................................................................... 39 GRÁFICA 14 COMPORTAMIENTO DINÁMICO EN OPERACIÓN SEMICONTINUA CON
ALIMENTACIÓN DE 4 HORAS CADA 4 HORAS CON UN FLUJO DE 0.0622 L/H .............. 40 GRÁFICA 15 COMPORTAMIENTO DINÁMICO EN OPERACIÓN SEMICONTINUA CON
ALIMENTACIÓN DE 2 HORAS CADA 6 HORAS CON UN FLUJO DE 0.1244 L/H .............. 40 GRÁFICA 16 COMPORTAMIENTO DINÁMICO EN OPERACIÓN SEMICONTINUA CON
ALIMENTACIÓN DE 3 HORAS CADA 9 HORAS CON UN FLUJO DE 0.1244 L/H .............. 40 GRÁFICA 17CONCENTRACIÓN CELULAR EN ESTADO QUIASI ESTABLE EN CULTIVO
SEMICONTINUA CON PULSOS DE ALIMENTACIÓN CADA 4 HORAS POR 4 HORAS Y UN FLUJO DE 0.0622 L/H .............................................................................................................. 41
GRÁFICA 18 COMPARACIÓN DE UN CULTIVO CONTINUO D=0.0311 H-1, Y UN CULTIVO EN LOTE USANDO LOS MISMOS PARÁMETROS CINÉTICOS ................................................ 42
GRÁFICA 19 COMPARACIÓN DE UN CULTIVO SEMICONTINUO CON PULSOS DE ALIMENTACIÓN DE 4 HORAS CADA 4 HORAS Y UN FLUJO DE 0.0622 L/H, Y UN CULTIVO EN LOTE USANDO LOS MISMOS PARÁMETROS CINÉTICOS ......................... 42
GRÁFICA 20 COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE UN TRAZADOR (1 G/L) EN UN FOTOBIORREACTOR AIR-LIFT EN SERIE A TRAVÉS DE CADA UNA DE LAS ETAPAS .. 42
RESUMEN Se diseñó y construyó un fotobiorreactor air-lift en serie para la producción de
biomasa a escala laboratorio tomando en cuenta los principios de diseño descritos
por Richmond.
Se evaluó el crecimiento de Scenedesmus sp. y el consumo de una fuente de nitrato
mediante una simulación usando el programa Wolfram Mathematica 10 bajo
diferentes condiciones de operación, alimentación continua y semicontinua. La
producción máxima de biomasa fue de 0.202 g/L en un cultivo con una alimentación
continua con un lote de 24 horas y una tasa de dilución de 0.0311 h-1, el tiempo que
tarda en estabilizarse es de 640 horas.
Con una alimentación semicontinua de pulsos de 4 horas de alimentación cada 4
horas y con un flujo de 0.0622 L/h se produce 0.202 g/L de biomasa en un tiempo
de 615 horas.
Para la elección de una forma de operación se debe tener en cuenta el control de
flujos de entrada y salida así como el monitoreo para evitar el riesgo de
contaminación.
11
INTRODUCCIÓN
El aumento de la demanda energética mundial, el agotamiento de los combustibles
fósiles, el incremento del precio del petróleo y las dificultades ambientales causados
por los gases de invernadero tales como la contaminación local del aire y el
calentamiento global demandan el uso de fuentes alternativas de energía basadas
en procesos sustentables, renovables y amigables con el ambiente (Garibay, 2009).
Una alternativa energética promisoria que ha resultado atractiva en años recientes
es el biodiesel. Las microalgas han emergido como una de las prometedoras fuentes
de producción de biodiesel (Hossain, 2008).
La biomasa microalgal se ha señalado como una fuente alternativa de energía
debido a que es una fuente renovable de energía y fija CO2 de la atmosfera a través
de la fotosíntesis (Chisti.Y., 2007). Si la biomasa se cultiva de manera sustentable,
su combustión no tiene impacto en el balance de CO2 global, porque el CO2 emitido
por la combustión de biomasa es contrarrestado por el CO2 fijado por la fotosíntesis
(Macedo, 199) (Hossain, 2008). Otro punto a favor para su uso es que en
comparación con el diesel de petróleo, el diesel de microalgas tiene una reducción
de hasta un 78% en emisión de CO2 (Brennan. L., 2010).
En este momento el uso extendido de la producción de biomasa se encuentra ante
un gran reto, como producir una gran cantidad de biomasa microalgal para
satisfacer la demanda energética, la cual depende principalmente de la eficiencia
de la conversión de luz solar a biomasa (Amaro. H.M., 2011) (Singh. A., 2011).
BIODIESEL
El biodiesel es un combustible no tóxico y biodegradable (Pratab & Trivedi, 2014)
que se obtiene de fuentes renovables como aceite de cocina, soya, aceite de palma,
arroz, canola, semillas de girasol, coco, aceite de maíz, aceite de pescado, grasa
de pollo y algas (Hossain, 2008).Es un combustible sustituto del gasóleo o diesel de
petróleo, compuesto por una mezcla de ésteres alquílicos de ácidos grasos (FAME)
de cadena larga (C14- C22), obtenidos por trans-esterificación de aceites vegetales,
grasas animales, aceites usados o lípidos de microalgas (Dermibas, 2009).
12
Las microalgas acumulan lípidos en forma de triacilgliceroles (TAG´s) cuando se
encuentran bajo condiciones de estrés o en ambientes con condiciones adversas.
Se han reportado niveles de acumulación de hasta 50% de lípidos por peso seco
(Hu. Q., 2008). Esta tendencia de las algas a acumlar TAG´s ha asegurado su uso
como materia prima potencial.
FACTIBILIDAD ECONÓMICA
Los tres factores que definen la viabilidad económica y sustentable de la producción
de biodiesel a partir de microalgas son: El balance neto de energía y carbón, el
impacto ambiental causado por el proceso y los costos de producción. Para alcanzar
un valor positivo del balance de energía se requiere del desarrollo de nuevas
tecnologías y de sistemas de producción optimizados (Slade. R., 2013).
Una forma de bajar los costos de producción es que la materia prima, el agua y los
nutrientes del medio se consiguen a precios bajos (Slade. R., 2013), se puede usar
aguas residuales como materia prima, lo que mejoraría el valor económico y la
eficiencia energética (Pittmann. J.K., 2011) (Samori. G., 2013).
El valor y la eficiencia de la producción de biocombustibles usando microalgas se
pueden incrementar si diseñan sistemas integrados usando agua residual como
materia prima obteniendo como productos finales biodiesel, subproductos de valor
agregado y agua tratada (Lynch. F., 2015).
Las aguas residuales, ya sean de origen doméstico, animal o industrial, debido a su
alto contenido de nutrientes (N y P) constituyen un medio apropiado para el
crecimiento de microalgas, las cuales han demostrado su capacidad de remover
cantidades apreciables de nitrógeno y fósforo para su desarrollo (Kwangyong,
2002).
Las algas verdes pueden remover fosfatos y amonio de agua residual al optimizar
la tasa de C:N adicionando 3% de CO2 en los cultivos. Se ha reportado que un alga
de la familia Scenedesmus es capaz de remover el doble de la concentración de
amonio en aguas residuales y tienen una acumulación mayor de lípidos en su
interior que varias cepas de cianobacterias (Lynch. F., 2015)
13
MICROALGAS
Pertenecen al reino vegetal y son clasificadas como talofitas, es decir, plantas
inferiores, por presentar una estructura simple no vascularizada con ausencia de
raíz, tallo y hojas. Sus estructuras reproductivas están desprotegidas y desprovistas
de semillas y flores. Pueden ser procarióticas o eucarióticas, pluricelulares o
unicelulares, presentando similitud en muchos aspectos comunes con las plantas
superiores, por ejemplo, la existencia de clorofila como pigmento fotosintético
primario (Van den Hoek et al., 1998). Es uno de los grupos más versátiles en
términos de su tamaño, forma, función ecológica y convierten la energía solar en
energía química mediante la fotosíntesis. Además forman la base de la cadena
alimenticia para más del 70% de la biomasa mundial y se consideran maquinarias
fotosintéticas generadoras de pigmentos con una adaptación ecofisiológica y
plasticidad bioquímica única; lo que les permite la bioconversión directa de la
energía solar en compuestos químicos, bajo una variedad de condiciones
medioambientales y a una velocidad mayor que cualquier otra fuente vegetal
(Albarracín, 2007).
Las algas tienen un núcleo definido, pared celular, tienen una densa región de
gránulos que contienen almidón en su superficie, tienen cloroplastos que contienen
clorofila y otros pigmentos, cuentan con estigma y estructuras de movilidad como
flagelos en algunas especies (Pelczar. Jr.M.J., 2008).
Las microalgas poseen ventajas sobre otras materias disponibles, entre las que se
pueden mencionar:
Mayor eficiencia que las plantas superiores, (Meng. X., 2009) (Posten. C.,
2009), logrando convertir entre el 3% y 8% de la energía solar en biomasa,
mientras que el rendimiento observado en plantas es de un 0.5% (Lardon T.,
2009)
Tasa de crecimiento elevada. Duplicando su biomasa en aproximadamente
24 horas (Meng. X., 2009)
14
Periodos de cultivo cortos (menores a diez días dependiendo del proceso),
en comparación con los periodos de cultivo de plantas superiores (Vyas. A.
P., 2010).
Cultivo fácil y con menos requerimientos nutricionales que las plantas (agua,
minerales, etc).
Capaces de fijar grandes cantidades de 𝐶𝑂2, su demanda estequiometria de
𝐶𝑂2 es de aproximadamente 1.7 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝐶𝑂2
𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 (Posten. C., 2009) (Rodolfi.
L., 2009).
Los cultivos de microalgas presentan la ventaja de que el contenido lipídico puede
ser controlado en función de las condiciones de cultivo, principalmente mediante la
limitación de nutrientes (Chisti.Y., 2007). Numerosos estudios reportan que las algas
verdes triplican su contenido lipídico durante los primeros 4-9 días de ausencia de
nitrógeno en el medio. Esta condición también modifica el perfil lipídico, ya que se
han documentado casos en los que esta insuficiencia incrementa la proporción de
triglicéridos y reduce los lípidos polares (Hu. Q., 2008).
Scenedesmus sp.
La microalga Scenedesmus sp. es un alga verde que se encuentra generalmente
en colonias de 3-4 células, tienen una forma ovalada y elongada. Tienen una
longitud promedio de 4-16 µm y 3-8 µm de ancho dependiendo del estado de
crecimiento en el que se encuentren. Tienen una pared celular que puede ser suave,
corrugada, granulada o espigada (Museum, 2015).
Se han reportado producciones de lípidos de 3.46 g/L y un contenido de lípidos de
43.4 % bajo condiciones heterotróficas de cultivo (Ren.H-Y., 2013).
En la figura 2 se puede observar la morfología de Scenedesmus sp. utilizando varías
técnicas microscópicas.
15
Figura 1 Morfología microscópica e imagen SEM de la cepa R-16 de Scenedesmus sp. a) micrografía
de luz b) Micrografia fluorescente de la microalga teñida de rojo Nilo c) Imagen SEM (8000x) (Ren.H-
Y., 2013).
CONDICIONES DE CULTIVO
Las características de crecimiento y composición interna de las microalgas
dependen significativamente de las condiciones de cultivo (Chojnacka. K.,
2004).Existen cuatro formas principales de cultivo: Fototrófico, heterotrófico,
mixotrófico y fotoheterotrófico.
CULTIVO FOTOTRÓFICO
En este tipo de condiciones el microalga usa la luz, por ejemplo la luz solar, como
fuente de energía y carbón inorgánico como fuente de carbón para formar
compuestos químicos a través de la fotosíntesis (Huang. G.H., 2010).
CULTIVO HETEROTRÓFICO
El microalga usa una fuente de carbón orgánico y la luz como fuentes de energía.
Este tipo de cultivo podría ayudar a eliminar el problema asociado con el límite de
luz que ocurre cuando se producen altas concentraciones de biomasa en el
fotobiorreactor de una escala mayor (Liang. Y.N., 2009).
CULTIVO MIXOTRÓFICO
Se denomina de esta manera al cultivo en el que las microalgas realizan la
fotosíntesis usando tanto la fuente de carbón orgánica como la fuente de carbón
inorgánica. Lo que supone que el microalga es capaz de crecer bajo condiciones
fototróficas y heterotróficas.
16
CULTIVO FOTOHETEROTRÓFICO
Bajo este tipo de condiciones el microalga requiere de la exposición a la luz para
usar componentes orgánicos como fuente de carbono. El uso de este tipo de
condiciones de cultivo para la producción de biodiesel es muy raro al igual que el
cultivo mixotrófico.
La tabla 1 resume las características de los diferentes tipos de condiciones de
cultivo de microalgas
Tabla 1 Comparación de las características de las diferentes condiciones de cultivo de microalgas
(Chen. Y.C., 2011).
SISTEMAS DE PRODUCCIÓN
En el cultivo de microalgas el diseño del reactor tiene un papel esencial para que la
conversión de luz-biomasa sea eficiente (Ugwu. C., 2008). Por esta razón varios
diseños y configuraciones han sido propuestos y desarrollados así como estrategias
para maximizar la conversión luz-biomasa.
Debido a lo anterior, el parámetro central para el diseño es la penetración de la luz
en el medio de cultivo, esto implica una relación alta entre la superficie y el volumen
del fotobiorreactor.
Los sistemas de producción de biomasa se pueden dividir en dos grandes grupos,
sistemas cerrados y sistemas abiertos.
Los sistemas abiertos, estanques abiertos y raceway ponds (véase figura 2), son
sistemas de bajo costo, que requieren de grandes superficies e iluminación solar.
Las desventajas de estos son (Acién. F., 2013) (Pulz. O., 2001):
Alto riesgo de contaminación
Baja transferencia de masa gas-líquido
Altas pérdidas de agua por evaporación
17
Mezclado deficiente
Poca penetración de la luz
Control de las condiciones del cultivo rudimentario
Figura 2 Esquematización de un Raceway Pond (Singh. R.N., 2012)
Los sistemas cerrados son conocidos como fotobiorreactores, se denomina
fotobiorreactor a un contenedor cerrado e iluminado diseñado para controlar la
producción de biomasa.
Los fotobiorreactores tienen varias ventajas frente a los sistemas abiertos como
(Acién F.G., 2001) (Cook. P.M., 1950):
Minimizar el riesgo de contaminación
Mejorar tasa de transferencia de masa
Mejorar el control de las condiciones de cultivo (pH, Temperatura, Luz, CO2,
etc.)
Reducir las de pérdidas de agua por evaporación
Producir altas concentraciones de biomasa
Tener un alta productividad
Disminuir las pérdidas de CO2
Los sistemas cerrados han sido ampliamente investigados y en los últimos años se
han desarrollado diferentes tipos de fotobiorreactores así como sistemas híbridos
que buscan compensar las desventajas de un sistema agregando una cualidad de
otro diseño.
18
Los principales tipos son (Carvalho. A.P., 2006) (Kumar. K., 2011) (Lee. Y.-K.,
1995).
Figura 3 Clasificación de fotobiorreactores (Carvalho. A.P., 2006) (Kumar. K.,2011) (Lee.Y.K.,1995)
FOTOBIORREACTORES DE SUPERFICIE PLANA (FLAT PANEL)
Están diseñados para hacer un uso eficiente de la luz solar, los paneles suelen estar
construidos de tal manera que la relación de área volumen sea grande. Este tipo de
fotobiorreactores pueden ser organizados de manera tal que estén orientados hacia
el sol, lo cual permite mejor eficiencia en términos de energía absorbida. (Carvalho.
A.P., 2006) (Sierra. E., 2008).
Estos sistemas tienen altos rendimientos fotosintéticos de biomasa 𝑌𝑋 𝐸 ⁄ > 1 g/L y se
pueden usar para densidades celulares X > 10 g/L. El contenedor es de forma
cúbica con un grosor mínimo que permite que la trayectoria de la luz sea corta. Se
caracterizan por su alta área superficial y su sistema de conexión de gas abierto. La
agitación puede ser por burbujeo o mecánica (Singh. R.N., 2012).
La figura 4 muestra la estructura de un fotobiorreactor de panel plano
Fotobiorreactores
Tubulares
Verticales
Columnas de burbujeo
Air-lift
Horizontales
HelicoidalesBiocoil (Robinson
1988)
Reactores con forma alfa
De superficie plana
Tipo de tanque agitado
19
Figura 4 Vista delantera y de perfil de un fotobiorreactor de panel plano (Singh. R.N., 2012)
FOTOBIORREACTOR DE TANQUE AGITADO
Es el sistema más convencional formado por un contenedor cilíndrico agitado
mecánicamente. Utiliza impulsores de distintas formas y tamaños. Los bafles son
para minimizar el efecto de vórtex.
Se inyecta aire enriquecido en CO2 para proveer la fuente de carbono. Para poder
usar este tipo de sistema se debe adaptar un sistema de iluminación interior que
permita una distribución homogénea de luz. Su principal desventaja es que tiene
un área superficial de iluminación menor lo que se traduce en una eficiencia
fotosintética baja. Operan de forma continua, semicontinua y por lote
Figura 5 Fotobiorreactor de tanque agitado
20
COLUMNAS VERTICALES (COLUMNA DE BURBUJEO Y AIR-LIFTS)
Están formados por un tubo vertical transparente. El aspersor se encuentra en la
parte inferior de la columna y provee al reactor de pequeñas burbujas que tienen
por función el mezclado del líquido y la transferencia de masa de CO2 y la remoción
de O2 (Kumar. K., 2011).
Las columnas de burbujeo son reactores de contenedor cilíndrico cuya altura es
más del doble de su diámetro. Sus principales ventajas son:
Bajo costo
Área superficial mayor en relación al volumen
Mezclado relativamente homogéneo
Eficiente liberación de O2
A mayor altura de la columna se necesitan de platos perforados que permitan la
formación de burbujas de la mezcla de gas. En las columnas de burbujeo es
recomendable no usar flujos de aire mayores a 60 m/s.
Como sistema de iluminación se recomienda el uso de LED´s.
Los fotobiorreactores air-lift tienen un contenedor con dos zonas interconectadas.
Una de las zonas se denomina ascendente, donde la mezcla de gases es
burbujeada, la otra zona se denomina descendente, en esta zona no existe
burbujeo.
Figura 6 Diferentes configuraciones de reactor air-lift (Singh. R.N., 2012)
21
Los fotobiorreactores air-lift se pueden encontrar en configuraciones de circulación
interna y de circulación externa como se ilustra en la figura 6.
La principal ventaja de este sistema frente a las columnas de burbujeo es que con
esta configuración se crea un patrón de circulación de mezclado donde el medio
liquido pasa continuamente de las zonas oscuras a las zonas iluminadas creando
un efecto de intermitencia de luz (Barbosa. M.J., 2003). Este efecto se produce
cuando la fase líquida se eleva en la zona donde el gas es inyectado y desciende
en la otra zona, las células son transportadas en el flujo liquido-gas y experimentan
una irradiación regular y periódica es solo si las 2 secciones tienen diferentes niveles
de irradiación. El principal inconveniente de la irradiación periódica experimentada
por las microalgas en un fotobiorreactor air-lift es el tiempo de circulación entre las
dos zonas. El tiempo de circulación depende del cuadrado de la raíz de la altura del
fotobiorreactor y se encuentra en el orden de segundos (Chisti. Y., 1989) (Olivier.
G. S. P., 2007) (Olivier. G. S. P., 2003).
FOTOBIORREACTOR TUBULAR HORIZONTAL
Son reactores horizontales diseñados con sets de tubos paralelos que pueden tomar
la forma de bucles, alfas, inclinado, entre otras. Estas configuraciones permiten que
se pueden usar en el exterior con la luz solar como fuente de iluminación.
Para poder simular el efecto de intermitencia se pueden usar diversas estrategias
como la propuesta por (Liao. Q., 2014) donde se cubren zonas de los tubos con un
material que no permita el paso de luz para crear zonas de oscuridad, las células
se someterán a un ciclo de L/D durante su trayecto a través del sistema tubular.
En este tipo de fotobiorreactores la transferencia de gas se lleva a cabo en las
conexiones de los tubos o en una unidad especial dedicada al intercambio de gas.
Estos sistemas pueden manejar volúmenes grandes ya que son menos susceptibles
a la contaminación. Una de las desventajas del sistema es la gran generación de
calor.
22
Figura 7 Funcionamiento de un fotobiorreactor tubular (Singh. R.N., 2012)
FOTOBIORREACTOR HELICOIDAL
Consiste en un arreglo de tubos transparentes y flexibles enroscados de diámetro
pequeño con una unidad separada o unida de desgasificación. Se usa una bomba
centrifuga para conducir el cultivo a lo largo del tubo hasta la unidad de
desgasificación como se ilustra en la figura 8.
Figura 8 Fotobiorreactor Helicoidal (Singh. R.N., 2012)
OTRAS CONFIGURACIONES (HÍBRIDOS)
Estos sistemas son usados para explotar las ventajas de un sistema y cubrir sus
desventajas al fusionar parte de su estructura con la de otro sistema. Algunos
ejemplos se pueden observar en la figura 9.
23
Un ejemplo es el descrito por (Acién F.G., 2001) en el que usaron un sistema
integrado por un air-lift y un sistema tubular horizontal con bucles. El reactor tenía
un volumen total de 200 L. La parte del bucle externo actuaba como unidad de
cosecha proveyendo de una gran área superficial y también ayudaba al control de
la temperatura. El sistema air-lift actuaba como sistema de desgasificación. Sus
ventajas incluyen un mejor control de las variables de cultivo, mayores
productividades y reducción de la energía de consumo.
Figura 9 A) Columna de burbujeo plana e inclinada B) Air-lift de circulación interna C) Air-lift plano
D) Air-lift de panel plano Subitec E) Fotobiorreactor tubular con mezclador estatico Kunll F)
Fotobiorreactor tubular con bafles como mezclador estatico G) Air-lift de circulación en espiral H)
Fotobiorreactor de Couette Taylor
En la tabla 2 se presentan las ventajas y limitaciones de los sistemas de cultivo de
estanque abierto, fotobiorreactor de columna vertical, fotobiorreactor de panel plano
y fotobiorreactor tubulares (Ugwu. C., 2008).
24
Tabla 2 Ventajas y limitaciones de algunos sistemas de cultivo.
DISEÑO DE UN FOTOBIORREACTOR
Para el diseño de un fotobiorreactor (Tsoglin. L.N., 1996) propuso tener en cuenta
los siguientes enunciados:
El fotobiorreactor debe permitir el cultivo de varias especies de algas
El diseño debe proveer la iluminación suficiente sobre la superficie del
fotobiorreactor y una rápida velocidad de transferencia de masa de CO2 y
de O2
El diseño debe prevenir o minimizar el ensuciamiento, principalmente de las
superficies iluminadas
Se deben tener altas tasas de transferencia de masa sin dañar la integridad
celular o inhibir su crecimiento
Debe operar aún en condiciones de alta producción de espuma
Debe tener un mínimo de zonas no iluminadas
Los principios de diseño de un fotobiorreactor fueron establecidos por Richmond,
señalo como puntos clave en el desempeño del fotobiorreactor el suministro de luz,
la concentración de biomasa, el mezclado, la cizalla, el control de la temperatura y
la velocidad de transferencia de masa gas-líquido (Richmond. A., 2004).
En la tabla 4 se muestran algunas de las fuentes de luz comúnmente utilizadas en
el cultivo de microalgas.
25
Tabla 3 Características y componentes de diferentes fuentes de luz (Chen. Y.C., 2011)
Varias estrategias se han propuesto para asegurar la absorción de luz y su eficiencia
en la conversión a biomasa, tales como acortar la trayectoria de la luz, ampliar el
área superficial en relación al volumen y guiar la luz al fotobiorreactor eficazmente
(Chen. Y.C., 2011) (Cuaresma. M., 2009).
Otra estrategia popular es emplear luz intermitente en el cultivo, sea demostrado
que la iluminación intermitente aumenta la productividad y la eficiencia fotosintética
en comparación con la iluminación continua (Janssen.M., 2000b) (Merchuk. J.,
1998) (Xue. S., 2011).
Procurar que las algas reciban luz intermitente es una tarea difícil de alcanzar
debido a que la mayoría de la luz es absorbida por las microalgas más cercanas a
la superficie del fotobioreactor formando un efecto de auto-sombreado y creando un
gradiente de luz. Cuando eso sucede el fotobiorreactor se pude dividir en dos
regiones, la región oscura y la región iluminada. Si el medio es mezclado de manera
homogénea en el reactor las microalgas puden circular entre una y otra región
experimentando una serie de ciclos L/D (Janssen.M., 2000b) (Xue.S., 2013)
MODELOS DE CRECIMIENTO CELULAR
BIORREACTORES TUBULARES (FLUJO PISTON)
En un fotobiorreactor tubular no hay retromezclado por lo cual los elementos como
el sustrato y las células no se mezclan aguas arriba. El comportamiento en un
fotobiorreactor tubular es equivalente al comportamiento en un reactor Batch, en el
cual la posición en el reactor tubular equivale a un dado tiempo en el reactor Batch.
Esto se puede observar cuando se plantean las ecuaciones de ambos sistemas y
26
se desarrollan hasta que se llega a una equivalencia entre ambas como se puede
observar en la siguiente tabla.
Tabla 4 Ecuaciones del sistema en lote y de flujo pistón
Tubular Batch
𝐹𝑜𝑦|𝑧 − 𝐹𝑜𝑦|𝑧+∆𝑧 + 𝑟𝐴∆𝑧= 0 Sistema cerrado sin entradas ni
salidas
-𝐹𝑜𝑑𝑦
𝑑𝑧+ 𝑟𝐴 = 0 𝑉 = 𝑉𝑜 volumen constante
𝑑𝑦
𝑑𝑧= 𝑟
𝐴
𝐹𝑜= 𝑟
1
𝑉(
𝑑𝑦
𝑑𝑡) = 𝑟
𝑑𝑦
𝑑𝑧= 𝑟 ; 𝜃 =
𝑧
𝑑𝑦
𝑑𝑡= 𝑟
𝑑𝜃 =𝑑𝑧
𝑑𝑦
𝑑𝜃= 𝑟
Para ejemplificar la equivalencia entre ambos sistemas se puede comparar las
siguientes figuras, donde se puede ver un comportamiento muy similar en el
consumo de sustrato y la formación de biomasa.La figura 10 es de una cinética de
Chlorella vulgaris en un biorractor tubular con medio Watanabe mientras que en la
figura 11 y en la figura 12 se observa la formación de biomasa de una microalga y
el consumo de amonio respectivamente en un medio con alta concentración de
amonio y operado en lote. .
27
Figura 10 Crecimiento de Chlorella vulgaris en un biorreactor tubular con medio Watanabe. (o) número de células x10
6/mL; () concentración de nitrato en mg/mL
Figura 11 Crecimiento de una microalga en un biorreactor cilíndrico operado en lote Batch con medio de cultivo con una concentración alta de amonio
28
Figura 12 Consumo de amonio por una microalga en un biorreactor cilíndrico operado en lote
BIORREACTORES DE OPERACIÓN CONTINUA
En el balance global de masa en operación continua el término de acumulación es
eliminado debido a que después de cierto tiempo las concentraciones de biomasa
y sustrato son constantes quedando la ecuación de la siguiente manera.
(𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎) − (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎) = (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) + (𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎)
En el reactor las concentraciones a la salida son iguales a las concentraciones en
el interior del reactor considerando que el mezclado es perfecto.
Las ecuaciones matemáticas que describen el comportamiento se pueden observar
en la tabla 5 .
Tabla 5 Ecuaciones del sistema continúo
Continúo
𝑑𝑉𝑦
𝑑𝑡= 𝐹𝑂𝑦𝑂 − 𝐹𝑦
𝑑
𝑑𝑡(𝑉𝑦) = 𝐹𝑂𝑦𝑂 − 𝐹𝑦 + 𝑟
𝑦𝑑𝑉
𝑑𝑡+ 𝑉
𝑑𝑦
𝑑𝑡= 𝐹𝑂𝑦𝑂 − 𝐹𝑦 … … 𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑦(𝐹𝑂 − 𝐹) + 𝑉𝑑𝑦
𝑑𝑡= 𝑟 … … 𝐹 = 𝐹𝑂
𝑉𝑑𝑦
𝑑𝑡= 𝐹(𝑦𝑂 − 𝑦) + 𝑟
𝑑𝑦
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑦𝑂 − 𝑦) + 𝑟
29
JUSTIFICACIÓN
El aumento de la demanda energética mundial y el agotamiento de los combustibles
fósiles han creado un nuevo mercado para los combustibles producidos a partir de
organismos vivos.
Para satisfacer esta nueva demanda energética se deben diseñar sistemas
integrales que permitan la producción a nivel industrial de biocombustibles, por
ejemplo biodiesel, causando un impacto ambiental mínimo o nulo.
Uno de los pasos clave en el desarrollo de sistemas integrales de producción de
biocombustibles es el diseño del sistema de producción (fotobiorreactor) que
permita una eficiente conversión de energía lumínica a biomasa y un control de las
condiciones de cultivo para aumentar el contenido lipídico en las microalgas.
El objetivo principal del proyecto es diseñar un fotobiorreactor de estructura
innovadora que combine las ventajas de varios sistemas de producción con el fin de
tener un comportamiento similar al de un fotobiorreactor tubular pero sin las
desventajas de este sistema y que tenga la flexibilidad de poder ser incorporado a
un sistema mayor (biorefinería) para aumentar la factibilidad económica del cultivo
de microalgas a una mayor escala.
30
OBJETIVOS
GENERAL
Diseñar, construir y caracterizar un fotobiorreactor air-lift en serie de escala
laboratorio para la producción de biomasa usando la microalga Scenedesmus sp.
ESPECÍFICOS
Diseñar un biorreactor airlift en serie.
Simular la capacidad de producción de biomasa de Scenedesmus sp en
medio de cultivo sintético (BG-11) con alimentación semicontinua y
alimentación continua.
Elegir el modo de operación en el que la producción de biomasa sea mayor
y el tiempo de cultivo sea menor.
Construir el fotobiorreactor air-lift en serie.
31
METODOLOGÍA
Para las simulaciones se usaron dos modelos sencillos, el primero de alimentación
continua y el segundo de alimentación semicontinua (intermitente), en ambos casos
solo se consideraron la limitación por la fuente de sustrato (nitrógeno). En la tabla 6
se muestran los parámetros usados para la simulación del crecimiento de
Scenedesmus sp. en un fotobiorreactor de operación continua y semicontinua.
Tabla 6 Parámetros de la simulación de crecimiento de Scenedesmus sp. en operación continua y semicontinua
Parámetro Valor Unidad
𝜇𝑚𝑎𝑥 Tasa de crecimiento
celular 0.03155 (Li. Xin., 2011)
ℎ−1
𝐾𝑠 Constante de
saturación 0.001*
𝑔
𝐿
𝑚𝑠 Coeficiente de mantenimiento
0.0001* 𝑔
𝐿
𝑌𝑋/𝑁 Rendimiento de
nitrógeno 2.85* -
𝑌𝑋/𝐶𝑂2 Rendimiento de CO2 0.482* -
𝛼
Constate asociada al crecimiento,de la
ecuación de Luedeking & Piret
0 -
𝛽
Constate no asociada al
crecimiento,de la ecuación de
Luedeking & Piret
0 h-1
𝑋𝑂 Biomasa inicial 0.025
𝑔
𝐿
𝑆𝑂 Sustrato inicial 0.075
𝑔
𝐿
𝑉 Volumen 1 L
Para la simulación en operación semicontinua se planteó un modelo condicional
donde un flujo sería alimentado por un intervalo de tiempo cada cierto tiempo
después de un periodo en el que el sistema operaría como Batch, la ecuación
32
condicional para el flujo alimentado así como las ecuaciones para la formación de
biomasa, consumo de nitrato y formación de producto se describen a continuación.
Condicional
Se usó la función UnitStep para simular la función intermitente de
alimentación
Formación de biomasa
𝑑𝑋
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑋𝑂 − 𝑋1) + (𝜇𝑚𝑎𝑥
𝑆1
𝐾𝑠 + 𝑆1) (𝑋1)
Consumo de nitrato
𝑑𝑆
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑆𝑂 − 𝑆1) − (𝑚𝑠 +
(𝜇𝑚𝑎𝑥𝑆1
𝐾𝑠 + 𝑆1)
𝑌𝑋/𝑁) (𝑋1)
Formación de producto
𝑑𝑃
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑃𝑂 − 𝑃1) + (𝛼 (𝜇𝑚𝑎𝑥
𝑆1
𝐾𝑠 + 𝑆1) + 𝛽) (𝑋1)
Las variables del modelo son el flujo de alimentación, la duración del cultivo en lote,
el tiempo de alimentación en el cultivo semicontinuo y el tiempo sin alimentación en
el cultivo semicontinuo.
Para la simulación en operación continua se planteó un modelo condicional donde
la operación continua comenzaría después de un cierto tiempo donde el sistema
operaría como un cultivo Batch, las ecuaciones que se usaron son las siguientes:
Formación de biomasa
𝑑𝑋
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑋𝑂 − 𝑋1) + (𝜇𝑚𝑎𝑥
𝑆1
𝐾𝑠 + 𝑆1) (𝑋1)
Consumo de nitrato
𝑑𝑆
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑆𝑂 − 𝑆1) − (𝑚𝑠 +
(𝜇𝑚𝑎𝑥𝑆1
𝐾𝑠 + 𝑆1)
𝑌𝑋/𝑁) (𝑋1)
Formación de producto
33
𝑑𝑃
𝑑𝑡=
𝐹
𝑉(𝑃𝑂 − 𝑃1) + (𝛼 (𝜇𝑚𝑎𝑥
𝑆1
𝐾𝑠 + 𝑆1) + 𝛽) (𝑋1)
Las variables del modelo son la duración del cultivo en lote y el flujo de alimentación.
RESULTADOS
CÁLCULO DE RENDIMIENTOS TEÓRICOS
Estequiometria de la reacción global
Los moles de nitrato se calcularon en base a la concentración de Nitrato de sodio
en un litro de medio de cultivo BG-11
𝛼𝐶𝑂2 + 1.2𝑁𝑂3 + 𝛽𝐻2𝑂 → 𝛾𝐶𝐻1.78𝑂0.36𝑁0.12 + 𝛿𝑂2
Balance elemental
𝐶: 𝛼 − 𝛾 = 0
𝐻: 2𝛽 − 1.78𝛾 = 0
𝑂: 2𝛼 + 3(1.2) + 𝛽 − 0.36𝛾 − 2𝛿 = 0
𝑁: 1.2 − 0.12𝛾 = 0
Solución del sistema de ecuaciones
𝛼 = 10; 𝛽 = 8.9; 𝛾 = 10; 𝛿 = 14.45
Rendimiento teórico de nitrato y dióxido de carbono
Masa de biomasa
𝑀𝑥 = (𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎)(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎)
𝑀𝑥 = (21.22 𝑔
𝑚𝑜𝑙) (10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 ) = 212.22 𝑔 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎
Rendimiento 𝑌𝑋/𝑁
𝑌𝑋/𝑁 =212.22 𝑔 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎
74.5 𝑔 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 = 2.848
Masa de 𝐶𝑂2
𝑀𝐶𝑂2= (𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝐶𝑂2)(𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2)
𝑀𝐶𝑂2= (44
𝑔
𝑚𝑜𝑙) (10 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠) = 440 𝑔 𝑑𝑒 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜
Rendimiento 𝑌𝑋/𝐶𝑂2
𝑌𝑋/𝐶𝑂2=
212.22 𝑔 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑎
440 𝑔 𝑑𝑒 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 = 0.482
34
SIMULACIÓN DE CULTIVO EN LOTE CON PARÁMETR OS DE LA TABLA 6
Gráfica 1 Cultivo en lote de 7 días con los parámetros de la tabla 6
Tabla 7 Valores de concentración celular [g/L] y sustrato residual [g/L] en un cultivo en lote de 168 horas
Tiempo [h] Concentración celular [g/L] Sustrato residual [g/L]
24 0.0527 0.0651
48 0.1109 0.0445
72 0.2274 0.0032
96 0.2352 -0.000008
120 0.2336 -0.000008
144 0.2320 -0.000008
168 0.2304 -0.000008
35
CULTIVO TUBULAR
Gráfica 2 Simulación de cultivo tubular de 168 horas con un flujo de 0.0311 L/h
COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS DE CULTIVO
Gráfica 3 Comparación entre un cultivo en lote y un cultivo tubular
CULTIVO CONTINUO EN ESTADO ESTABLE
Las siguientes gráficas representan la simulación en estado estable de cada una de
las etapas de un cultivo continuo en un fotobiorreactor air-lift en serie (véase figura
14 y 15) con los valores de la tabla 6.
36
Gráfica 4 Concentración celular [g/L] a diferentes tasa de dilución de la etapa 1 en estado estable
En las etapas subsecuentes se usaron los valores de biomasa y sustrato residual
finales de la etapa anterior a una tasa de dilución de 0.0311 h-1.
Gráfica 5 Concentración celular [g/L] a diferentes tasas de dilución de la etapa 2 en estado estable
Gráfica 6 Concentración celular [g/L] a diferentes tasas de dilución de la etapa 3 en estado estable
37
Gráfica 7 Concentración celular [g/L] a diferentes tasas de dilución de la etapa 4 en estado estable
Gráfica 8 Concentración celular [g/L] a diferentes tasas de dilución de la etapa 5 en estado estable
Gráfica 9 Concentración celular [g/L] a diferentes tasas de dilución de la etapa 6 en estado estable
Gráfica 10 Concentración celular [g/L] a diferentes tasas de dilución de la etapa 7 en estado estable
38
En la tabla 8 se muestran las concentraciones celular en estado estable en la última
etapa a diferentes tasas de dilución, cercanas al valor de µmax.
Tabla 8 Concentraciones celulares en la etapa 7 con diferentes tasas de dilución
Tasa de dilución [h-1] Concentración celular
en la última etapa [g/L]
0.0305 0.2010
0.031 0.2019
0.0311 0.202
0.032 4x10-17
La grafica 11 muestra el comportamiento dinámico del cultivo continuo con una tasa
de dilución de 0.0311 h-1 con una operación previa en lote durante 24 horas.
Gráfica 11 Comportamiento dinámico en operación continua con D=0.0311 h-1 de las 7 etapas
Gráfica 12 Comportamiento dinámico en operación continua con D=0.0311 h-1 de la etapa 1 y etapa 7
39
Tabla 9 Valores de concentración celular [g/L] y sustrato residual [g/L] en estado estable en cada una de las etapas con una tasa de dilución de 0.0311 h-1
Etapa Concentración de
biomasa [g/L] Concentración de
sustrato residual [g/L]
1 0.050 0.057
2 0.203 0.002
3 0.209 0.000029
4 0.207 -0.000008
5 0.205 -0.000008
6 0.203 -0.000008
7 0.202 -0.000008
Gráfica 13 Concentración de biomasa en estado estable en el cultivo continuo con D=0.0311 h-1
CULTIVO SEMICONTINUO
Las siguientes gráficas corresponden al modo de operación semicontinua, variando
la duración y el número de pulsos de alimentación, así como los flujos alimentados.
40
Gráfica 14 Comportamiento dinámico en operación semicontinua con alimentación de 4 horas cada 4 horas con un flujo
de 0.0622 L/h
Gráfica 15 Comportamiento dinámico en operación semicontinua con alimentación de 2 horas cada 6 horas con un flujo
de 0.1244 L/h
Gráfica 16 Comportamiento dinámico en operación semicontinua con alimentación de 3 horas cada 9 horas con un flujo
de 0.1244 L/h
41
Gráfica 17Concentración celular en estado quiasi estable en cultivo semicontinua con pulsos de alimentación cada 4
horas por 4 horas y un flujo de 0.0622 L/h
Tabla 10 Valores de concentración celular [g/L] y sustrato residual [g/L] en estado quasi estable en cada una de las etapas en operación semicontinua con pulsos de alimentación cada 4 horas por 4 horas y un flujo de 0.0622 L/h con en un tiempo de operación de 615 horas
Etapa Concentración de
biomasa [g/L] Concentración de
sustrato residual [g/L]
1 0.051 0.0568
2 0.196 0.0053
3 0.209 0.00012
4 0.207 -0.000005
5 0.205 -0.000008
6 0.203 -0.000008
7 0.202 -0.000008
42
COMPARACIÓN ENTRE SISTEMAS CONTINUOS Y SEMICONTINUOS
Gráfica 18 Comparación de un cultivo continuo D=0.0311 h-1, y un cultivo en lote usando los mismos parámetros cinéticos
Gráfica 19 Comparación de un cultivo semicontinuo con pulsos de alimentación de 4 horas cada 4 horas y un flujo de 0.0622 L/h, y un cultivo en lote usando los mismos parámetros cinéticos
La siguiente gráfica muestra el comportamiento de un trazador de concentración 1
g/L a través de las 7 etapas con un periodo de residencia de aproximadamente 24
horas en cada etapa.
Gráfica 20 Comportamiento dinámico de un trazador (1 g/L) en un fotobiorreactor air-lift en serie a través de cada una de las etapas
43
DISEÑO DE FOTOBIORREACTOR AIR-LIFT EN SERIE
En las siguientes figuras se muestran las dimensiones del fotobiorreactor air-lift en
serie en diferentes vistas.
Figura 13 Diseño de fotobiorreactor air-lift en serie con dimensiones vista frontal
Figura 14 Diseño de fotobiorreactor air-lift en serie con dimensiones vista isométrica
44
Figura 15 Diseño de fotobiorreactor air-lift en serie con dimensiones vista superior de la tapa
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para la operación del sistema continuo se resolvió un sistema de ecuaciones y
graficó para determinar las tasas de diluciones convenientes para las simulaciones
dinámicas .De acuerdo a la tabla 8 una dilución con valor similar a la tasa de
crecimiento celular (µmax=0.03155 h-1) produce una mayor concentración celular
en la última etapa sin embargo al tener un valor igual o superior a 0.0312 h-1 se
observa el fenómeno de lavado de biorreactor.
El comportamiento del cultivo continuo de acuerdo a la gráfica 13 no es el esperado
ya que en base a la figura 16 en una serie de biorreactores mezclados idealmente
se esperaría un crecimiento de biomasa lento entre etapa y etapa con un consumo
de nitrato no tan grande para permitir el crecimiento celular en la etapa posterior.
Se esperaba que el sustrato residual en las últimas etapas fuera mínimo con
concentraciones altas de biomasa.
45
Figura 16 Biorreactores de tanque agitado idealmente mezclados en serie con parcial recirculación de biomasa (Tomado del libro Bioreacton engineering, Volumen 1 de Karl Schügerl)
En la gráfica 13 observamos un crecimiento exponencial en la primera etapa donde
la concentración celular se aproxima a la concentración celular máxima por lo cual
en este sistema solo son necesarias máximo 4 etapas. Lo mismo sucede cuando
se observa la gráfica 17 de un cultivo con alimentación semicontinua. La principal
diferencia entre ambos sistemas de operación es el tiempo que se debe operar ya
que en ambos la máxima concentración celular que se alcanza es de 0.202 g/L de
acuerdo a las tablas 10 y 9.
En la gráfica 18 y 19 se observan comportamientos similares entre un cultivo en lote
y un cultivo con alimentación semicontinua y continua. Esta diferencia puede
deberse a que existe una recirculación entre etapas que no se simuló. También
puede deberse a que el perfil de mezclado dentro de las etapas no se asemeje al
perfil al que se da en un flujo pistón ideal.
Para corroborar que las suposiciones anteriormente mencionadas son correctas se
tiene que simular el perfil de mezclado en cada una de las etapas, lo cual se puede
hacer en un futuro.
La duración y el tiempo transcurrido entre los pulsos de alimentación son los
principales factores que afectan el tiempo en el que se puede alcanzar la
concentración máxima celular en un cultivo semicontinuo.
46
CONCLUSIONES
Se construyó el fotobiorreactor air-lift en serie con 7 etapas, un sistema de
control de temperatura y con las entradas necesarias para llevar a cabo
cinéticas de crecimiento con diferentes especies de microalgas.
En base a las gráficas simuladas no hay necesidad de más de 4 etapas en
el fotobiorreactor sin embargo se puede modificar el volumen de medio en
cada etapa (reducirlo a un 50%) para que el sistema se comporte como un
biorreactor tubular.
El sistema de operación con alimentación semicontinua resulta mejor debido
a que se alcanza la concentración celular máxima en un tiempo de 615 horas,
la cual es menor al tiempo en el que se alcanza esta concentración en el
cultivo continuo (640 horas).
47
ANEXO A
FORMULACIÓN DE MEDIO DE CULTIVO SINTÉTICO
Tabla 11 Formulación de medio de cultivo BG-11
Solución
Stock Volumen a agregar
para preparar 1 L de medio de cultivo Reactivo Concentración
Solución 1 Stock de 1 L
NaNO3 75 g/L 10 mL
Solución 2 Stock de 0.5 L
MgSO4-7H2O 7.5 g/L
10 mL CaCl2-2H2O 3.6 g/L
Ácido cítrico 0.6 g/L
EDTA-Na2 0.1 g/L
Solución 3 Stock de 0.5 L
K2HPO4 2.0 g/L 10 mL
Solución 4 Stock de 0.5 L
Na2CO3 1.0 g/L 10 mL
Solución 5 Stock de 0.5 L
C6H5FeO7 de Amonio
0.3 g/L 10 mL
Solución de compuestos traza
Stock de 1 L
H3BO3 2.86 g/L
1 mL
MnCl2-4H2O 1.80 g/L
ZnSO4-7H2O 0.22 g/L
Na2MoO4-2H2O
0.39 g/L
CuSO4-5H2O 0.079 g/L
Co(NO3)2-
6H2O 0.049 g/L
PROCEDIMIENTO
1. Pesar en una balanza analítica los pesos correspondientes para preparar
soluciones stock de 1 L y 0.5 L y disolver en agua destilada.
2. Para preparar 1 L de medio adicionar los volúmenes de solución stock de
acuerdo a la tabla 9.
3. Ajustar pH a 7.4.
4. Esterilizar en autoclave a 121°C por 15 minutos.
48
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