Microalgas marinas para producción de biodiéselselección de cepa y optimización de condiciones de cultivo en interno y en planta piloto

Resumen

La creciente demanda global energética y la preocupación sobre la influencia de las emisiones de gases de efecto invernadero sobre el cambio climático han motivado la investigación destinada a la búsqueda de fuentes alternativas de energía. En la última década se ha mostrado especial interés en los procesos de producción de microalgas, no solo para la producción de metabolitos de alto valor, sino también para la captura de CO2 y producción de biocombustibles. Aunque el proceso es técnicamente posible, sigue siendo necesaria la realización de un estudio riguroso a gran escala que permita analizar la viabilidad del mismo. La investigación presentada en esta Tesis Doctoral forma parte del trabajo llevado a cabo por el Grupo de Investigación “Biotecnología de Microalgas Marinas” del Área de Ingeniería Química del departamento de Ingeniería de la Universidad de Almería en el ámbito de la iniciativa de la Secretaria de Estado de Investigación para el desarrollo de sistemas de cultivo de algas con fines bioenergéticos y de captura de CO2, financiada en 2009 a través del Fondo Especial del Estado para la Dinamización de la Economía y el Empleo (Plan E), y más concretamente, se enmarca dentro de dos proyectos: (a) “Desarrollo de un proceso de producción de biocombustibles y valorización de la biomasa residual a partir de microalgas marinas”, y (b) Proyecto NOVARE VALOR CO2, financiado por Endesa S.A., con el objetivo de seleccionar una cepa de microalga marina con elevada capacidad de fijación de CO2 y potencial de acumulación de lípidos en su biomasa y su demostración a escala piloto. Atendiendo a lo anterior, el trabajo desarrollado durante esta Tesis ha estado enfocado a la selección de una microalga marina con potencial de acumulación de lípidos y ácidos grasos para la obtención de biodiésel a partir de su biomasa y la optimización de las condiciones de cultivo de la cepa. Después de una revisión bibliográfica, se pre-seleccionaron cuatro cepas para su cultivo en interno: Phaeodactylum tricornutum, Tetraselmis chuii, Tetraselmis suecica y Nannochloropsis gaditana. Los ensayos se llevaron a cabo en laboratorio en reactores tipo columna de burbujeo de 2.0 l en modo de operación continuo. Los resultados mostraron que la velocidad de dilución (D) óptima para N. gaditana es 0.40 1/día y 0.50 1/día para el resto de cepas. De este bloque de experimentos pudo comprobarse como N. gaditana fue la cepa con mayor productividad de biomasa (0.49 g/l día) y, por tanto, la seleccionada para continuar el estudio. En el siguiente bloque de ensayos se determinó la influencia del contenido en nitrato del medio de cultivo, conjuntamente con la D, sobre la productividad de biomasa, lípidos totales y ácidos grasos. La combinación de D 0.30-0.40 1/día y concentración en el medio de 8.0 mM NO3- proporcionó la mayor productividad de ácidos grasos: 50 mg/l día. Con el objetivo de inducir la acumulación de lípidos mediante la reducción del aporte específico de nitrato (SNI), la siguiente fase de experimentación consistió en un cultivo en dos fases: una primera fase de cultivo continuo con aporte normal de nitrato (0.30 1/día, 8 mM NO3-) y una segunda fase de inducción de acumulación de lípidos mediante una reducción drástica del contenido en nitratos del medio (centrifugación del volumen de cultivo y resuspensión en medio sin nitrato, seguido de un cultivo en batch). La disminución del SNI en la segunda fase (de 1.96 a 0.38 mmol/g día) conllevó un sustancial aumento de contenido en ácidos grasos, obteniéndose un máximo en la productividad acumulada (considerando el tiempo de cultivo de ambas fases) de 51 mg/l día en el tercer día del cultivo discontinuo, prácticamente igual a la obtenida anteriormente en un cultivo continuo a la D óptima y con aporte normal de nitrato. No obstante, el perfil de ácidos grasos se vio mejorado con este modo de operación, ya que aumentó el contenido en ácidos grasos saturados y monoinsaturados con respecto al obtenido anteriormente. Además, con este modo de operación se incrementó notablemente el porcentaje de lípidos neutros, representando el 73% de lípidos totales. Cultivo externo en planta piloto de N. gaditana en reactores tubulares, reactores tipo “raceway” y reactores planos verticales Esta fase de la experimentación se llevó a cabo operando los fotobiorreactores en modo continuo por un periodo de dos años. En el caso de la tecnología de reactor tubular (340 l) los resultados a distintas D (0.10-0.60 1/día) permitieron determinar que el rango 0.31-0.35 1/día proporciona la mayor productividad de biomasa para N. gaditana, 0.59 g/l día, alcanzándose también las máximas productividades de ácidos grasos y de lípidos: 66.8 y 110.0 mg/l día, respectivamente. En los ensayos en continuo a D 0.21 1/día bajo distintas concentraciones de nitrato (10.5-4.5 mM NO3-), pudo observarse cómo una disminución del contenido en nitrato en el medio hizo disminuir la productividad de biomasa, sin producirse aumento en la productividad de lípidos totales o ácidos grasos. La disminución del SNI por debajo de 1.0 mmol/g día y una alta irradiancia promedio recibida por el cultivo (Iav=63.5 µE/m2 s) tuvo una influencia en el perfil de ácidos grasos, obteniéndose valores por encima del 30% de ácidos grasos saturados y monoinsaturados (con respecto a ácidos grasos totales). En la última parte del estudio con este sistema de cultivo, se llevó a cabo un cultivo en dos fases análogo al realizado en interno, obteniendo valores máximos de productividad acumulada de ácidos grasos en el día 7 de la segunda fase de limitación de nitrato de 56.4 mg/l día. Con este modo de operación, a pesar de obtener un valor inferior en la productividad de ácidos grasos en relación al obtenido con un cultivo en condiciones estándar, se consigue aumentar sustancialmente el contenido en lípidos neutros: de 29.6 a 58.0% de lípidos totales. La siguiente tecnología utilizada fue el reactor abierto tipo “raceway”. Se dispuso de 3 reactores de 860 l (profundidad de cultivo 11 cm). Los resultados obtenidos fueron agrupados atendiendo a la temperatura de cada experimento, obteniéndose cuatro rangos dependiendo de la estación del año. En los ensayos a distintas D (0.03-0.60 1/día, 10.4 mM NO3-) se observó que el intervalo 0.31-0.36 1/día proporciona la mayor productividad de biomasa, lípidos y ácidos grasos para N. gaditana, resultando 0.19-0.17 g/l día, 30.4 mg/l día y 19.1 mg/l día, respectivamente, para los meses entre febrero y octubre (temperatura del cultivo entre 17.0 y 29.0ºC). En los ensayos en continuo (D 0.21 1/día) con distintas concentraciones de nitrato en el medio (10.5-0.9 mM), se observó una disminución de la productividad de biomasa en paralelo a la disminución de la concentración de nitrato en el medio. En condiciones de bajo SNI y altas irradiancias promedio el perfil de ácidos grasos varió, obteniéndose los valores máximos de ácidos grasos saturados y monoinsaturados (58.6% y 57.4%, respectivamente, respecto a ácidos grasos totales). El tercer sistema de cultivo utilizado fue el reactor plano vertical (400 l), para lo cual se contó con 6 reactores agrupados en dos sets de 3 reactores, con orientaciones este-oeste y norte-sur, respectivamente. Se estudiaron tres distancias de separación entre reactores: 0.5, 1.0 y 1.5 m. Los ensayos en continuo a distintas D y con aporte normal de nitrato (10.0 mM) permitieron determinar el intervalo de valores de D entre 0.3-0.4 1/día como aquel que proporciona la máxima productividad de biomasa. Los resultados obtenidos no mostraron diferencias entre las dos orientaciones de reactor, sin embargo, el distanciado entre reactores sí mostró un efecto en la productividad: la separación de 1.5 m proporcionó los máximos de 0.19 g/l día, 38.0 mg/l día y 19.4 mg/l día para biomasa, lípidos y ácidos grasos, respectivamente. Al igual que lo observado con las otras dos tecnologías de reactor, en los ensayos en continuo (D de 0.2 1/día) con distinto aporte de nitrato se registró un mayor contenido en ácidos grasos saturados y monoinsaturados (73% de ácidos grasos totales) bajo condiciones de mayor aporte de luz (Iav =85.8 µE/m2 s) y menor valor de SNI (0.8 mmol/g día). Para cada sistema de cultivo, los resultados obtenidos en los dos bloques de ensayos (a distintas D y concentración de nitrato) se ajustaron a una modificación de un modelo previo de crecimiento, permitiendo la simulación en distintas condiciones y la determinación del intervalo de condiciones óptimas que permiten obtener la mayor productividad en cada tipología de reactor.