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12.3 Algeponía

2 years ago

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12.3.1 Fondo

Las microalgas son fotoautotrófos unicelulares (que van desde 0.2 μm hasta 100 μm) y se clasifican en varios grupos taxonómicos. Las microalgas se pueden encontrar en la mayoría de los ambientes, pero en su mayoría se encuentran en entornos acuáticos. El fitoplancton es responsable de más del 45% de la producción primaria mundial, así como de generar más del 50% del OSub2/sub atmosférico. En general, no hay diferencia importante en la fotosíntesis de microalgas y plantas superiores (Deppeler et al. 2018). Sin embargo, debido a su menor tamaño y a la reducción de un número de organelos fisiológicos competitivos internamente, las microalgas pueden crecer mucho más rápido que las plantas superiores (Moheimani et al. 2015). Las microalgas también pueden crecer bajo condiciones de nutrientes limitadas y tienen la capacidad de adaptarse a una gama más amplia de condiciones ambientales (Gordon y Polle 2007). Lo que es más importante, el cultivo de microalgas no compite con la producción de cultivos alimentarios en cuanto a tierras cultivables y agua dulce (Moheimani et al. 2015). Además, las microalgas pueden utilizar eficientemente nutrientes inorgánicos procedentes de efluentes residuales (Ayre et al. 2017). En general, la biomasa microalgal contiene hasta un 50% de carbono, lo que las convierte en un candidato perfecto para la biorremediación atmosférica de COSub2/sub (Moheimani et al. 2012).

El aumento de la agricultura y la ganadería extensivas en todo el mundo ha dado lugar a aumentos significativos de nitrógeno y fósforo disponibles biológicamente que ingresan a la biosfera terrestre (Galloway et al. 2004). Los sistemas de cultivo y ganadería y alcantarillado aportan cantidades significativas a estas cargas nutritivas (Schoumans et al. 2014). La infiltración de estos nutrientes en las corrientes de agua puede causar problemas ambientales masivos, como las floraciones dañinas de algas y la mortalidad masiva de peces. Por ejemplo, en los Estados Unidos, la contaminación por nutrientes procedente de la agricultura es reconocida como una de las principales fuentes de eutrofización (Sharpley et al. 2008). Controlar el flujo de nutrientes procedentes de las explotaciones agrícolas hacia el medio ambiente circundante da lugar a desafíos técnicos y económicos que deben superarse para reducir tales efectos. Se han desarrollado varios procesos exitosos para tratar efluentes residuales con altas cargas orgánicas. Sin embargo, casi todos estos métodos no son muy efectivos para eliminar elementos inorgánicos del agua. Además, algunos de estos métodos son bastante caros de operar. Un método sencillo para el tratamiento de residuos orgánicos es la digestión anaeróbica (DA). El proceso AD es bien entendido y, cuando se opera de manera eficiente, puede convertir más del 90% de las materias orgánicas de aguas residuales en biometano y COSub2/sub (Parkin y Owen 1986). El metano se puede utilizar para generar electricidad y el calor generado se puede utilizar para varios propósitos adicionales. Sin embargo, el proceso AD da como resultado la creación de un efluente de digestión anaeróbica (ADE) que es muy rico en fosfato inorgánico y nitrógeno, así como en alta demanda de oxígeno de carbono (DQO). En ciertos lugares, este efluente puede tratarse con microalgas y macroalgas (Ayre et al. 2017).

12.3.2 Sistemas de Crecimiento de Algas

Dado que el comité de las Naciones Unidas recomendó que los cultivos agrícolas convencionales se complementaran con alimentos ricos en proteínas de origen no convencional, las microalgas se han convertido en candidatas naturales (Richmond y Becker 1986). El primer cultivo de microalgas se logró aunque en 1890 cultivando\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). Debido al hecho de que las microalgas normalmente se dividen en una determinada hora del día, el término ciclostato se desarrolló con el fin de introducir un ciclo claro/oscuro (circadiano) al cultivo (Chisholm y Brand 1981). El cultivo a gran escala de microalgas y el uso parcial de su biomasa, especialmente como base para ciertos productos como lípidos, probablemente se inició seriamente ya en 1953 con el objetivo de producir alimentos a partir de un cultivo a gran escala de *Chlorella\ * (Borowitzka 1999). Por lo general, las algas se pueden cultivar en líquido utilizando estanques abiertos (Borowitzka y Moheimani 2013), fotobiorreactores cerrados (Moheimani et al. 2011), o una combinación de estos sistemas. Alga también se puede cultivar como biofilms (Wijihastuti et al. 2017).

Fotobiorreactores cerrados (después de Moheimani et al. 2011): Los cultivos de algas cerradas (fotobiorreactores) no están expuestos a la atmósfera, sino que están cubiertos con un material transparente o contenidos dentro de tubos transparentes. Los fotobiorreactores tienen la clara ventaja de prevenir la evaporación. Los fotobiorreactores cerrados y semicerrados se utilizan principalmente para producir productos de algas de alto valor. Debido al coste total de los gastos operativos (OPEX) y los gastos de capital (CAPEX), los fotobiorreactores cerrados son menos económicos que los sistemas abiertos. Por otro lado, hay menos contaminación y menos pérdidas de COSub2/sub, y al crear condiciones de cultivo reproducibles y flexibilidad en el diseño técnico, esto los convierte en un buen sustituto de los estanques abiertos. Algunas de las debilidades de los sistemas cerrados se pueden superar mediante (a) la reducción de la trayectoria de la luz, (b) la solución de la complejidad de la cizalla (turbulencia), la reducción de la concentración de oxígeno, y (c) un sistema de control de temperatura. Los fotobiorreactores cerrados se dividen principalmente en (a) carboys, (b) tubulares, (c) transporte aéreo y (d) fotobiorreactores de placas.

Estanques abiertos (después de Borowitzka y Moheimani 2013): Los estanques abiertos son los más utilizados para el cultivo de microalgas al aire libre a gran escala. La mayor producción comercial de algas se basa en canales abiertos (caminos de rodadura) que son menos costosos, más fáciles de construir y operar en comparación con los fotobiorreactores cerrados. Además, el crecimiento de microalgas encuentra menos dificultades en sistemas de cultivo abiertos que cerrados. Sin embargo, sólo unas pocas especies de microalgas (por ejemplo, Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) se han cultivado con éxito en estanques abiertos. Los costos de producción de microalgas comerciales son altos, aproximados a estar entre 4 y 20\ $US/GSUP-1/SUP. En los últimos 70 años se ha desarrollado el cultivo comercial de microalgas en estanques abiertos al aire libre a gran escala, y se han desarrollado estanques sin agitación y se han utilizado sobre una base comercial. Los grandes estanques abiertos sin agitar se construyen simplemente a partir de estanques de agua naturales con camas abiertas que suelen tener menos de 0,5 m de profundidad. En algunos estanques más pequeños, la superficie puede estar revestida con láminas de plástico. Los estanques abiertos sin agitar representan el más económico y menos técnico de todos los métodos de cultivo comercial y se han utilizado comercialmente para la producción de β-caroteno Dunaliella salina en Australia. Estos estanques se limitan principalmente al cultivo de microalgas capaces de sobrevivir en malas condiciones o tienen una ventaja competitiva que les permite superar contaminantes como protozoos, microalgas no deseadas, virus y bacterias. Los estanques agitados, por otro lado, tienen la ventaja de un régimen de mezcla. La mayoría de los estanques agitados son (a) estanques circulares con agitadores giratorios o (b) estanques de vías de rodadura individuales o unidos.

Los estanques de cultivo circular se han utilizado principalmente para el cultivo a gran escala de microalgas, especialmente en el sudeste asiático. Los estanques circulares de hasta 45 m de diámetro y generalmente de 0,3 a 0,7 m de profundidad están descubiertos, pero hay algunos ejemplos que están cubiertos por cúpulas de vidrio. Las bajas tensiones de cizallamiento que se requieren para la producción de microalgas se producen en estos sistemas, especialmente en el centro del estanque, y esta es una ventaja clara de este tipo de sistemas. Algunas desventajas incluyen costosas estructuras de hormigón, uso ineficiente del suelo con grandes huellas, dificultades para controlar el movimiento del dispositivo de agitación y el costo añadido en el suministro de COSub2/sub.

Los caminos de rodadura impulsados por rueda de remo son el sistema comercial más común de cultivo de microalgas. Los caminos de rodadura generalmente se construyen en un solo canal o como canales vinculados. Los caminos de rodadura suelen ser poco profundos (0,15 a 0,25 m de profundidad), están construidos en un bucle y normalmente cubren un área de aproximadamente 0,5 a 1,5 ha. Los caminos de rodadura se utilizan principalmente y se recomiendan para el cultivo comercial principal de tres especies de microalgas, incluyendo Chlorella, Spirulina y Dunaliella. Los principales inconvenientes de estos sistemas abiertos son un alto riesgo de contaminación y una baja productividad, debido principalmente a regímenes de mezcla deficientes y a la penetración de la luz. En los caminos de rodadura, se han demostrado posibles concentraciones de biomasa de hasta 1000 mg de peso seco.LSUP-1/SUP y productividades de 20 g de peso seco.msup2/sup.dsup-1/sup.

El precio de la producción de microalgas hace que los logros económicos dependan en gran medida de la comercialización de productos caros y exclusivos, cuya demanda está naturalmente limitada. Los caminos de rodadura son también el sistema de cultivo más utilizado para el tratamiento de aguas residuales (Parques y Craggs 2010).

Cultivo sólido (después de Wijihastuti et al. 2017): Un método alternativo de cultivo de microalgas es inmovilizar las células en una matriz de polímero o fijarlas a la superficie de un soporte sólido (biofilm). En general, el rendimiento de biomasa de estos cultivos de biomasa es al menos 99% más concentrado que los cultivos basados en líquidos. La deshidratación es una de las partes más caras y energéticas de cualquier producción masiva de algas. La principal ventaja del crecimiento de la biopelícula es el potencial de reducir el proceso de deshidratación y el consumo de energía relacionado y, por tanto, los costes. El cultivo de biofilm también puede aumentar la captura de luz celular, reducir el estrés ambiental (por ejemplo, pH, salinidad, toxicidad metálica, irradiancia muy alta), reducir el costo de producción y reducir el consumo de nutrientes. Los métodos de cultivo basados en sólidos se pueden utilizar para el tratamiento de aguas residuales (eliminación de nutrientes y metales). Existen tres métodos principales para el cultivo de biofilm: (a) 100% sumergido directamente en medio, (b) parcialmente sumergido en medio y (c) utilizando un sustrato poroso para entregar los nutrientes y la humedad del medio a las células.

12.3.3 Requisitos de nutrientes para el crecimiento de algas

Una serie de factores físicos, químicos y biológicos inhibidores pueden inhibir la alta producción de microalgas. Estos se describen en el cuadro 12.1.

Un conocimiento básico de las limitaciones críticas del crecimiento es probablemente el factor más esencial antes de aplicar cualquier microalga a cualquier proceso. La luz es, con mucho, el factor limitante más importante que afecta el crecimiento de cualquier alga. La temperatura también es un factor crítico para la producción masiva de algas (Moheimani y Parlevliet 2013). Sin embargo, estas variables son difíciles de controlar (Moheimani y Parlevliet 2013). Junto a la luz y la temperatura, los nutrientes son el factor limitante más importante que afecta el crecimiento de cualquier alga (Moheimani y Borowitzka 2007) y cada especie de microalgas tiende a tener sus propios requerimientos nutritivos óptimos. Los nutrientes más importantes son el nitrógeno, el fósforo y el carbono (Oswald 1988). La mayoría

tabla tbody tr Factores Tabióticos/th td Luz (calidad, cantidad) /td /tr tr class="impar» td/td td Temperatura /td /tr tr class="incluso» td/td td Concentración de nutrientes /td /tr tr class="impar» td/td td OSub2/sub /td /tr tr class="incluso» td/td td COSub2/sub y pH /td /tr tr class="impar» td/td td Salinidad /td /tr tr class="incluso» td/td td Productos químicos tóxicos /td /tr tr class="impar» Los factores bióticos/th td Patógenos (bacterias, hongos, virus) /td /tr tr class="incluso» td/td td Competencia de otras algas /td /tr tr class="impar» Los factores operativos/a td Cizalla producida por mezcla /td /tr tr class="incluso» td/td td Tasa de dilución /td /tr tr class="impar» td/td td La profundidad /td /tr tr class="incluso» td/td td Frecuencia de cosecha /td /tr tr class="impar» td/td td Adición de bicarbonato /td /tr /tbody /tabla

Cuadro 12.1 Límites al crecimiento y la productividad de las microalgas (Moheimani y Borowitzka 2007)

Las algas responden a la limitación N aumentando su contenido lipídico (Moheimani 2016). Por ejemplo, Shifrin y Chisholm (1981) informaron que en 20 a 30 especies de microalgas que examinaron, las algas aumentaron su contenido lipídico bajo N-privación. El fósforo es también un importante nutriente necesario para el crecimiento de las microalgas, ya que juega un papel esencial en el metabolismo celular y la regulación, involucrándose en la producción de enzimas, fosfolípidos y compuestos que suministran energía (Smith 1983). Los estudios de Brown y Button (1979) sobre alga verde Selenastrum capricornutum mostraron una aparente limitación del crecimiento cuando la concentración de fosfato del medio fue inferior a 10 nM. COSub2/sub es también un nutriente crítico para lograr una alta productividad de algas (Moheimani 2016). Por ejemplo, si no se agrega COSub2/sub adicional al cultivo de algas, la productividad media puede reducirse hasta en un 80% (Moheimani 2016). Sin embargo, la adición de COSub2/sub a los estanques de algas es bastante costosa (Moheimani 2016). La forma más económica de introducir COSub2/sub en un medio de cultivo es la transferencia directa del gas a los medios mediante el burbujeo a través de piedras porosas sinterizadas o el uso de tubos bajo láminas de plástico sumergidas como inyectores COSub2/sub (Moheimani 2016). Desafortunadamente, en todos estos métodos todavía hay una alta pérdida de COSub2/sub a la atmósfera debido al corto tiempo de retención de las burbujas de gas en la suspensión de algas.

Aunque añadir N, P y C es fundamental, otros nutrientes también afectan el crecimiento y el metabolismo de las microalgas. La falta de otros nutrientes, como el manganeso (Mn) y varios otros cationes (MgSup2+/SUP, KSUP+/SUP y Casup2+/SUP), también se sabe que reduce el crecimiento de algas (Droop 1973). Los oligoelementos también son críticos para el crecimiento de las microalgas y algunas microalgas también requieren vitaminas para su crecimiento (Croft et al. 2005). Una forma eficaz y económica de suministrar nutrientes es combinando el cultivo de algas y el tratamiento de aguas residuales, que se discute inmediatamente más adelante.

12.3.4 Tratamiento de algas y aguas residuales

Con un aumento en el deterioro ambiental y una mayor necesidad de generar fuentes alternativas de alimentación y energía, existe el impulso para explorar la viabilidad de tratamientos biológicos de aguas residuales junto con la recuperación de recursos. Los tratamientos de aguas residuales de microalgas han sido particularmente atractivos, debido a las actividades fotosintéticas de algas, donde la luz se transfiere a biomasa rentable. Bajo ciertas condiciones, la biomasa microalgal cultivada en aguas residuales puede ser equivalente o superior en la producción de biomasa a especies vegetales superiores. Así, el proceso puede transformar un producto de desecho en productos útiles (por ejemplo, piensos para animales, piensos para acuicultura, biofertilizantes y bioenergía). Por lo tanto, el efluente residual ya no es un producto residual negativo, sino que se convierte en un sustrato valioso para producir sustancias importantes y se ha informado de una biorremediación exitosa de las aguas residuales de microalgas durante más de medio siglo (Oswald y Gotass 1957; Delrue et al. 2016). La fitorremediación de algas proporciona una solución ambientalmente favorable para el tratamiento de aguas residuales, ya que puede utilizar nutrientes orgánicos e inorgánicos de manera eficiente (Nwoba et al. 2017). Los cultivos de microalgas tienen un enorme potencial para las etapas posteriores del tratamiento de aguas residuales, especialmente para reducir 'N', 'P' y 'DQO' (Nwoba et al. 2016). Además, la capacidad añadida de las microalgas para crecer a través de diferentes condiciones nutricionales tales como condiciones fotoautotróficas, mixotróficas y heterotróficas también mejora su capacidad para eliminar diversos tipos diferentes de contaminantes y químicos de matrices acuosas. La capacidad de las microalgas en el secuestro de carbono (COSub2/sub) permite la biorremediación de COSub2/sub. La relación sincronizada alga-bacterias establecida también es idealmente sinérgica para la biorremediación de aguas residuales (Muñoz y Guieysse 2006). A través de la fotosíntesis, las microalgas proporcionan oxígeno requerido por las bacterias aeróbicas para la mineralización de la materia orgánica, así como la oxidación de NHSub4/Subsup+/SUP (Muñoz y Guieysse 2006). A cambio, las bacterias suministran dióxido de carbono para el crecimiento de microalgas, reduciendo significativamente la cantidad de oxígeno necesaria para el proceso general de tratamiento de aguas residuales (Delrue et al. 2016). En general, los efluentes residuales con bajas proporciones de carbono a nitrógeno son fundamentalmente adecuados para el crecimiento de organismos fotosintéticos. Lo más importante es que los tratamientos de aguas residuales domésticas y agrícolas de microalgas son una opción atractiva ya que la tecnología es relativamente fácil y requieren energía muy baja en comparación con el estándar de tratamiento de efluentes. La optimización del tratamiento de aguas residuales de microalgas en estanques de gran escala es atractiva, ya que combina el tratamiento eficaz de un producto de desecho nocivo y la producción de biomasa de algas potencialmente valiosa rica en proteínas. La figura 12.1 resume un sistema de circuito cerrado para tratar cualquier residuo orgánico mediante la combinación de digestión anaeróbica y cultivo de algas.

12.3.5 Algas y Acuapónica

La mayoría de las veces se considera que las microalgas en la acuicultura y en los sistemas acuapónicos son una molestia, ya que pueden restringir los flujos de agua obstruyendo las tuberías, consumir oxígeno,

! Sistema Acuático/Agrícola Integrado

Fig. 12.1 Sistema integrado de procesos para utilizar el cultivo de algas para el tratamiento de residuos orgánicos y potenciales usuarios finales. (El proceso está diseñado con base en información de Ayre et al. 2017 y Moheimani et al. 2018)

puede atraer insectos, reducir la calidad del agua y cuando se descompone puede agotar el oxígeno. Sin embargo, un experimento de Addy et al. (2017) muestra que las algas pueden mejorar la calidad del agua en un sistema acuapónico, ayudar a controlar las caídas de pH relacionadas con el proceso de nitrificación, generar oxígeno disuelto en el sistema, «producir ácidos grasos poliinsaturados como alimento para peces de valor añadido y añadir diversidad y mejorar resistencia al sistema». Uno de los «sagrados griales» de la acuapónica es producir al menos parte de los alimentos que se alimentan a los peces como parte del sistema y es aquí donde se requiere investigación para producir algas que podrían cultivarse con parte del agua acuapónica, muy probablemente en un bucle separado, que luego se pueden alimentar como parte del dieta a los peces.


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