1_Biotecnología de Microalgas

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Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima Biotecnología de Microalgas Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería 28-30 Octubre 2013 Universidad de la Frontera Emilio Molina Grima Microalgas para la producción de biocombustibles y otros productos de interés: perspectivas para su aplicación industrial en Chile Consorcio Tecnológico Desert BioenergyS.A

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Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Biotecnología de Microalgas

Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería

28-30 Octubre 2013 Universidad de la Frontera Emilio Molina Grima

Microalgas para la producción de biocombustibles y otros productos

de interés: perspectivas para su aplicación industrial en Chile

Consorcio Tecnológico Desert BioenergyS.A

Pure chemicals:EPA, AA, DHAAstaxanthinBetacaroteneLuteinePhycocyaninsPhycoerythrinsDino toxinsC13 PUFAs

Biofuels/biofertilizers

Biodiesel

Bioethanol

Biogas

Biofertilizers

BiomassAnimal feedingAquacultureFunctional foodsTailored lipids

Bioremediation

Flue gases

Wastewater

Soils

APPLICATIONS OF MICROALGAE

PRODUCTION

TECHNOLOGY

FINAL USE OF

MICROALGAE

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

CURRENT SCENARIO

Economics Applications of microalgae and strains

2004

Human and animal nutrition

Aquaculture

Biofertilizers

Depuration and bio-remediation

Production of hydrogen and methane

Biofuels from microalgae

Bioactive and Novel Chemicals

High-value Recombinant Protein Production

Chlorella

Arthrospira (Spirulina)

Dunaliella

Haematococcus

Porphyridium

Nannochloropsis Nostoc

2004

2013

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería

Índice de la exposición

1) Microalgas: caracterización y particularidades

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

2) Biotecnología de microalgas

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Microorganismos unicelulares fotoautotróficos

Gran capacidad de generación de biomasa

Biomasa de composición compleja

Gran plasticidad metabólica

Diversidad de especies

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Microorganismos unicelulares fotoautotróficos

LUZMicroalgas

CO2

Microorganismos (diferencia con las macroalgas)

Fotótrofos (aunque flexibles) : su fuente de energía es la luz

Autótrofos: Su fuente de carbono es el CO2

Más microalgas

Nutrientes,

agua

O2

Metabolitos

Gran velocidad de duplicación por ser microorganismos

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Gran capacidad de generación de biomasa

Microalgas: tiempo corto de duplicación = gran velocidad de crecimiento

•Microalgas

•Macroalgas o plantas

No necesitan suelo

Elevada eficiencia fotosintética (referenciada hasta el 10%)

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Gran capacidad de generación de biomasa

dt

dC

C

b

b

1

dt

dCCP b

Velocidad específica de crecimiento

Productividad

tiempoB

iom

asa

t

Cmicroalgas

Cotras

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Biomasa de composición compleja: componentes de interés

Proteínas y otros nutrientes: alimentación humana y piensos para ganado

Capacidad quelante: biorremediación

Ácidos grasos poliinsaturados

Clorofilas

Carotenoides

Enzimas antioxidantes (SOD)

Pigmentos fluorescentes

Componentes de gran interés en comparación con otras

biomasas de origen vegetal (plantas terrestres o macroalgas)

Exopolisacáridos

Compuestos bioactivos: antifúngicos, antivirales, citotóxicos

ACUICULTURA

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Gran plasticidad metabólica

Posibilidad de modificar la composición mediante las condiciones de cultivo

Composición controlable. Optimización de los procesos de estabilización y

extracción

•Temperatura

•Luminosidad

•Nitrógeno

•pH

•Salinidad

•Edad del cultivo

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Diversidad de especies

Muchas especies catalogadas y disponibles

Sólo unas pocas estudiadas y aprovechadas comercialmente

Gran potencialidad de productos y aplicaciones

Haematococcus pluvialis Phaeodactylum tricornutumDunaliela salina

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

1) Microalgas: caracterización y particularidades

Diversidad de especies

Isochrysis galbana

Skeletonema costatum Tetraselmis suecica

Phorphyridium cruentum Chlorella sp.

Anabaena.

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Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería

2) Biotecnología de microalgas

Aislamiento y conservación de cepas

Selección y mejora

Caracterización de las condiciones de cultivo

Diseño de fotobiorreactores

Procesado y extracción de productos de interés

Cosechado y recuperación

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Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Obtención y preparación de inóculos

• Intercambio de gases

• Medio de cultivo

• Termostatación

• Agitación y mezcla

• Iluminación

Necesidades de los cultivos

• Mantenimiento del pH

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Obtención y preparación de inóculos

Primer paso: aislamiento de la estirpe

Cultivo axénico: sólo la microalga deseada, libre de otros

microorganismos

Cultivo monoalgal: sólo la microalga deseada, puede haber otros

microorganismos compatibles

Mantenimiento de inóculos

Depósito en colecciones (ej: CCAP, Oban, Scotland, UK)

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Necesidades de los cultivos de microalgas

Cultivos: multiplicación (casi) ilimitada del inóculo

Proveer las necesidades de las microalgas para posibilitar el crecimiento

Inóculo

Luz

Nutrientes

(medio)

CO2

O2

Agitación

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Necesidades de los cultivos de microalgas

Ejemplo de un cultivo creciendo en laboratorio

Luz

Nutrientes

(medio)

CO2

O2

Agitación

Luz

Nutrientes

(medio)

CO2

Agitación

O2

Microalgas

reproduciendose

Es práctica común aunar la

agitación, aporte de CO2 y retirada de O2

usando una corriente de aireación para las

tras cosas

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (presentación de los nutrientes mayoritarios)

Suministrar los elementos para que la fotosíntesis genere biomasa

Carbono Nitrógeno

Los cuatro elementos mayoritarios de la materia viva

Hidrógeno Oxígeno

Otros elementos mayoritarios

Iones del medio (K+, Na+, Cl-, … ): Magnesio

Azufre Fósforo

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (carbono)

Suministrado como CO2

Capturado en el ciclo de

Calvin

Enzima: RUBISCO

Consume ATP y NADPH de

la fotosíntesis

Es un paso LIMITANTE:

debe haber siempre suficiente

CO2

Acumulación de ATP y

NADPH de la fotosíntesis:

FOTOINHIBICIÓN

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (carbono)

CONSECUENCIAS

El contenido en CO2 del aire es insuficiente

El CO2 debe ser suministrado en exceso controlado

(prevenir bajada del pH)

Es práctica común suplementar con CO2 por varias técnicas

-Enriquecimiento de la corriente de aireación

- Aporte controlado por el pH

- Aporte de bicarbonato y acidificación

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (oxígeno)

Segundo componente mayoritario de la biomasa seca

Aportado a las celulas en la mayor parte por el CO2 condensado en el ciclo

de Calvin (oxígeno fijado)

Aportado al medio de cultivo por el AGUA, H2O, asociado a la liberación de

O2 en el PS II (oxígeno liberado)

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (hidrógeno)

Proviene del agua

Asociado a la liberación de O2

en el fotosistema 2

Llevado a cabo por un enzima

con un núcleo de 4 átomos de

manganeso

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (nitrógeno)

Forma parte de las proteínas de la biomasa

Es aportado como nitrato, a veces como amonio y raramente en otras

formas (urea, aminoácidos)

El nitrógeno del nitrato (N+5) ha de ser fuertemente reducido (N-3). Aún así

es la forma mejor aceptada por las microalgas

Supone un 5% de la biomasa seca

Algunas cianobacterias pueden FIJAR EL NITRÓGENO MOLECULAR.

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (nitrógeno)

NO3- (sal sódica, potásica o amónica), 50 mg/L – 1 g/L

NH4+ (cloruro), concentración inferior al nitrato, ligéramente tóxico

Observación: la reducción del nitrato AUMENTA el pH

Ventajoso para prevenir contaminaciones cuando la

especie cultivada lo tolera

Ocasionalmente como urea (NH2-CO-NH2) o como aminoácidos

(R-CH2-COOH)

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (otros nutrientes mayoritarios)

Fósforo (como fosfatos): ubícuo (ATP, proteínas, lípidos de membrana…)

Azufre (sulfatos)

Magnesio (Mg+2): componente de las clorofilas

Calcio Potasio

Otros iones comunes en agua (ver ejemplo)

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (micronutrientes)

Componentes que aparecen a nivel de trazas

Cofactores, núcleos de enzimas (rotura del agua), … etc

Molibdeno

Manganeso

Cobalto

Hierro

Cobre

Zinc

Minerales Vitaminas

Variable

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (ejemplo: Mann&Myers)

Componente Concentración (g/L)

Macronutrientes

MgSO4.7H2O 1,2

NaNO3 1,0

CaCl2 0,30

K2HPO4 0,10

Micronutrientes

Na2EDTA 0,030

H3BO3 0,0060

FeSO4.7H2O 0,002

MnCl2 0,00140

ZnSO4. 7H2O 0,00033

Co(NO3)2. 6H2O 0,000007

CuSO4. 5H2O 0,000002

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Medio de cultivo (mixotrófico y heterotrófico)

Algunas microalgas pueden obtener carbono de fuentes diferentes del CO2

MIXOTRÓFICO: capaces de asimilar carbono de fuentes orgánicas aunque

la fotosíntesis es imprescindible

HETEROTRÓFICO: capaces de asimilar carbono de fuentes orgánicas y de

usar la energía química de estas fuentes. Pueden crecer sin luz.

Algunas microalgas pueden obtener energía de fuentes químicas (sin

fotosíntesis)

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Intercambio de gases

Aporte de CO2 y retirada del O2 fotosintético

Aporte de CO2 : imprescindible un aporte correcto (explicado antes)

Retirada de O2 : evitar la acumulación (fotooxidación, pérdida de

rendimiento de la RUBISCO, estress oxidativo)

Intercambio a través de la SUPERFICIE del cultivo INSUFICIENTE

Uso de CORRIENTE DE AIREACIÓN (aprox. 0,5 L aire cn/ (L·min))

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Intercambio de gases (corriente de aireación)

Burbujeo de gas (aire enriquecido en CO2) en la base del cultivo o en puerto

dedicado

Suficiente pero no excesivo porque:

Ineficiencia

Evaporación de agua

Estrés hidrodinámico

Coste de bombeo

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Mantenimiento del pH

pH propio de cada especie

Necesario pH óptimo para una velocidad de crecimiento elevada

Oscila entre 7-8, aunque hay casos extremos entre 3 y 10

Factores que hacen variar el pH:

Equilibrio de especies del carbono inorgánico

Reducción del nitrato

HCOHHCOCOHOHCO 333222

OHNHOHeNO 746 423

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Mantenimiento del pH

Adición controlada de ácido

Uso de tampones (tris- hidroximetil aminometano)

Aireación enriquecida en CO2 (1-5%)

Inyección de CO2 a la demanda pH

controller

CO

2

Corriente Aireación

P

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Agitación y mezcla

Imprescindible para Evitar deposiciones

Evitar gradientes de nutrientes y luz

Homogeneizar los cultivos

Favorecer la tranferencia de calor y de materia

La tecnología apropiada depende de la configuración del sistema de cultivo

Corriente de aireación (burbujeo)

Agitadores

Paletas

Bombeo

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Iluminación

La luz es imprescindible para el cultivo fototrófico de microalgas

Es ENERGÍA RADIANTE que se propaga en el vacío y medios transparentes

Llega al cultivo y es absorbida según va penetrando en el interior

Medida de la Intensidad de la luz

Moles de fotones por m2 y segundo

1 mol de fotones = Einstein (E)

Sol a mediodia : 2000-3000 µE/m2/s ()

LUZ

La luz absorbida por la

microalga es convertida en

biomasa

Luz atenuada

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Iluminación: atenuación de la luz

En el seno del cultivo, la intensidad de la luz se va atenuando al ser absorbida

Inte

nsid

ad

Profundidad en el cultivo

Baja concentración

Alta concentración

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Un cultivo eficiente DEBE absorber la mayor parte de la luz

Irradiancia

promedio

Iav

Se producen zonas oscuras en el seno del cultivo

Gran parte de las microalgas reciben menos luz de la que pueden asimilar

El aporte de luz es el factor que limita el crecimiento. Es la situación más favorable

La luz disponible a la población se cuantifica como un promedio

Iluminación: cultivos densos y gradientes de iluminación

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 50 100 150 200 250 300 350

Irradiance, mE/m2s

Photo

synth

esis

rate

, m

molO

2/L

s

PhotoinhibitionSaturationRespiration

Cb•p•KaexpCbpKa

IoIav 1

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3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Iluminación: fotolimitación

En la situación anterior, el cultivo está fotolimitado

Tiene suficiente de todo, menos de luz

Nos aseguramos de que todos los electrones producidos en la fase luminosa

puedan ser asimilados en el ciclo de Calvin

Existe una relación entre la velocidad de crecimiento (específica) y la luz

disponible

µ

Iav

avI IK

µµ max

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Iluminación y mezcla: evitar la fotoinhibición

En las zonas externas, el cultivo puede estar SOBRESATURADO DE LUZ

La sobresaturación provoca un desacoplamiento del flujo de electrones

fotosintéticos

El mecanismo no está aún claro : ¿Daño al fotosistema II ó un mecanismo de

defensa?

Zona s

obre

ilum

inada

En las zonas internas, el cultivo puede estar DESPROVISTO DE LUZ

La falta de luz detiene la producción de ATP y NADPH y con ello la fijación de

carbono

El ciclo de Calvin se detiene

Zona o

bscura

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Iluminación y mezcla: evitar la fotoinhibición

Zo

na s

obre

ilum

inada

Zona o

scura

FotoinhibidaMuy limitada

El movimiento frecuente entre zonas oscuras e iluminadas proporciona una

exposición óptima

La mezcla es imprescindible para un adecuado régimen de luz

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

3) Fundamentos del cultivo de microalgas

Resumen: fundamentos del cultivo

Las microalgas necesitan ciertas condiciones para proliferar y generar grandes

cantidades de biomasa y/o productos de interés

Las necesidades son

• Intercambio de gases

• Medio de cultivo

• Termostatación

• Agitación y mezcla

• Iluminación

• Mantenimiento del pH

• Entorno axénico o monoalgal

Los sistemas de cultivo que se presentan a continuación intentan mantener

estas condiciones para producir al menor costo

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina GrimaDepartamento de Ingeniería Química – Universidad de Almería

Relationship among parameters that influence

biomass productivity

Biomass

Productivity

Temperature

Day of the

year

Growth

rate

Geographic and

climatic localization

Light profile,

average irradiance

Biomass

concentration

Incident solar

radiationGeometry

Design and

orientation

Fluid-dynamic

Mass

transfer

Light

regime

E. Molina Grima 1999, Encyclopedia of Bioprocess Technology: Fermentation,

biocalysis and Bioseparations. 1753-1769, John Wiley and Sons Inc.

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Influence of photobioreactor location and orientation

E. Sierra et al. / Chemical Engineering Journal 138

(2008) 136–147

MASS PRODUCTION OF MICROALGAE

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Solar radiation availability

MASS PRODUCTION OF MICROALGAE

• Solar radiation availability range from zero to a

maximum of 350 W/m2

• In template zones the mean solar radiation

availability is 250 W/m2, equivalent to 21.6

MJ/m2·day and 2160 kWh/m2·year

• Considering a photosynthetic yield of 5%, and a

biomass heat combustion of 20 MJ/kg, an energy

balance demonstrate that the maximum

productivity achievable is 272

Tn/Ha·year, reducing to 194 Tn/Ha·year in

template climates

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Maximum productivity

MASS PRODUCTION OF MICROALGAE

• The energy balance demonstrate that in

template climates the maximum mean

productivity along the year is 54 g/m2·day

• Volumetric productivity is a function of

V/S ratio of the reactor

• In reactors with V/S ratio of 200 L/m2

the maximum productivity is 0.27 g/L·day

• In reactors with V/S ratio of 25L/m2 the

maximum productivity is 1.69 g/L·day

These values can be only obtained under optimal

operation conditions and using optimally

designed and operated photobioreactors

2

3 3

2

·

·

area

vol

gPb

m daygPb

m day mVS m

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Harvest and culture volume

MASS PRODUCTION OF MICROALGAE

• The typical value of maximum specific

growth rate of microalgae species is 1 day-1

• Optimal dilution rate for continuous

operation is in the range of 40-60% of

maximum specific growth rate

• Actually, optimal dilution rate for operation

of microalgae cultures is close to 0.4 1/day.

• Considering the optimal value of dilution

rate it is possible to determine the biomass

concentration achievable inside the culture

under optimal conditions, in addition to

volume of the reactor and harvest volume to

produce 1 kg of biomass, as a function of

V/S ratio

The higher the V/S ratio of the reactor, the

higher the volume of culture and the volume of

harvest to manage to produce a mass unit of

biomass

3

3

·

1

vol

vol

gPb

m daygCb

mD

day

3

day

culture

vol

gM

dayV m

gPb

m day

33 1

·harvest culture

mV V m D

day day

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Departamento de Ingeniería Química - Universidad de Almería

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas abiertos y cerrados

Open ponds y raceways

Breve visión de la tecnoogía de fotobiorreactores cerrados

Cosechado de la biomasa

Almacenamiento y conservación

Desarrollos actuales

Reducción de emisiones de CO2

Producción de biocombustibles

Producción de biomasa

Obtención de biomoléculas de alto valor

Depuración deaguas residuales

Modos de cultivo Discontinuo

Continuo

Semicontinuo

Etapas en la producción de microalgas

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Etapas en la producción de microalgas

Preparación de inóculos

Preparación y esterilización de medios (según sistema)

Esterilización del fotobiorreactor (sistema de cultivo) (según sistema o especie)

Cultivo

Cosechado de la biomasa

• Térmico

• Filtración esterilizante

• Térmica

• Química

• Centrifugación

• Filtración

• Decantación

Nos centraremos en el sistema de cultivo ó “fotobiorreactor”

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Modos de cultivo Diferentes formas de hacer funcionar el fotobiorreactor

Discontinuo

Continuo

Semicontinuo

• Carga (inóculo + medio)

• Crecimiento

• Cosechado total

• Nuevo ciclo

• Carga

• Crecimiento inicial (arranque)

• Adición continua de medio fresco

• Cosechado por rebose

• Carga

• Crecimiento inicial (arranque)

• Adición periódica de medio fresco

• Cosechado por rebose

Medio

Medio

Medio

Adición

contínua de

medio

Adición

periódica de

medio

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas abiertos y cerrados

Dos clases de sistemas de cultivo muy diferentes

Abiertos: cultivo en contacto con el medio ambiente

Cerrados: cultivo aislado del medio ambiente

Sistemas grandes

Baja-media concentración de biomasa

Instalación barata

Póbremente controlados

Poco control sobre la biomasa

Sólo apropiados para especies resistentes

Instalación cara

Alta concentración de biomasa

Sin contaminación (monoalgales e incluso axénicos)

Control eficiente

Eficaces con especies poco resistentes

Composición de la biomasa conocida y reproducible

Los diferentes diseños solucionan con diferentes

técnicas el suministro de

gases, nutrientes, correcta mezcla y manejo del

cultivo

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas abiertos: open ponds y raceways

Paddle wheel

Paddle wheel

Typical biomass productivity

0.015 kg m 2 day 1 ( 45 tons ha 1 year 1)

Maximum biomass concentration

0.5 kg m 3 (0.25 kg m 3 typical)

Volume to surface ratio 0.2-0.4 m3 m-2

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First commercial algae production in world, for Chlorella, for

human consumption, Japan ~1960

Designs by Prof. Tamiya

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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas abiertos: open ponds y raceways

Pared

inyección CO2

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas abiertos: open ponds y raceways

Cultivo de Spirulina

Cultivo de Dunaliella salina

Biomasa rica en proteína

Crece a pH muy alto

Resistente a condiciones agresivas

Producción de -caroteno

Halotolerante

Luminosidad y salinidad favorecen el proceso

D. salina en open ponds D. salina en raceways

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Cyanotech Co., Hawaii, USA Open, raceway ponds. Red for

Haematococcus for astaxanthin, ($>1million/ton) others

Spirulina

Courtesy Gerald Cyseswki

Spirulina

Haematococcus

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

Pilot plant of raceway reactors (Cajamar Foundation,

Almería)

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Fotobiorreactores cerrados

Crecimiento de microalgas aisladas del medio ambiente

Control riguroso

Contaminación reducida

Ámplia gama de especies

Muchos modelos

Clasificación Verticales

Horizontales (lazo externo + desgasificador)

• Planos

• Columnas de burbujeoSin/con recirculación

interna

• Lazo simple

• Doble lazo

• Manifold

• Empalizada

• Otros diseños

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Columnas de burbujeo: Cilindros verticales con burbujeo en la base

Ventajas

Diseño sencillo

Aireación: transferencia y agitación

Ocupan poco suelo

Buena desgasificación

Inconvenientes

Difíciles de escalar

Poca penetración de luz

Poca intercepción de luz solar a mediodia

Tranferencia de CO2 ineficiente

Sistemas con recirculación interna

Patrón de flujo ordenado

Mejora del régimen de luz

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Columnas de burbujeo: Cilindros verticales con burbujeo en la base

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

PRODUCTION TECHNOLOGIES

Closed photobioreactors: Bubble columns

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

RWE, Germany, hanging bags PBR to capture CO2 from a coal-

fired power plant - would need 100 million such bags!

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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Fotobiorreactores planos

Ventajas

Mejor penetración de la luz

Orientables

Alta concentración de biomasa

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

PRODUCTION TECHNOLOGIES

Typical biomass productivity

0.035 kg m 2 day 1 ( 80 tons ha 1 year 1)

Maximum biomass concentration

2.0 kg m 3 (1.0 kg m 3 typical)

Volume to surface ratio

0.07-0.1 m3 m-2

Closed photobioreactors: Flat panel photobioreactors

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Fotobiorreactores planos

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

ENDESA Flat panel photobioreactors for CO2 capture at UPT

Litoral. Carboneras, Spain

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

PRODUCTION TECHNOLOGIES

Typical biomass productivity

0.050 kg m 2 day 1 ( 100 tons ha 1 year 1)

Maximum biomass concentration

3.0 kg m 3 (1.5 kg m 3 typical)

Volume to surface ratio

0.04-0.08 m3 m-2

Closed photobioreactors: Tubular photobioreactors

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas tubulares horizontales

Ventajas

Buena captación de luz

Condiciones óptimas en ambos subsistemas

Aprovechamiento de CO2 (inyección en el lazo)

Alta concentración de biomasa

Elevada productividad

Inconvenientes

Diseño más caro

Limpieza difícil

Necesidad de control

Acumulación de O2 en el lazo

Particularidades del diseño

Separan el dispositivo desgasificador y el lazo externo

Desgasificador: bombeo e intercambio de gases

Lazo externo: captación de luz

Diversidad de diseños del lazo

Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

TUBULAR PHOTOBIOREACTORSDesign of tubular photobioreactors

External loop:

Optimized to maximize the light capture

Optimized to minimize the occupied surface

Bubble column/airlift system:

Optimized for the right circulation of liquid

Optimized to satisfy gases exchange requirements (O2 y CO2)

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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas tubulares horizontales

ESQUEMA DEL REACTOR

AIRE

CO2

Medio

Cosechado

Gases de salida

Sondas

Agua de enfriamiento

Bomba

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Chlorella produced in Photobioreactors (Kloetze, Germany,]

Courtesy Otto

Pulz

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Biotecnología de Microalgas: Producción de metabolitos secundarios Emilio Molina Grima

4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas tubulares

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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas tubulares

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4) Sistemas de cultivo y producción a gran escala

Sistemas tubulares horizontales

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START-UP OF AN INDUSTRIAL FACILITY

Final scheme of tubular photobioreactors

Degasser

Pumpp CO2 injection Sample withdrawalDegasser outlet(to Loop)

pH & DO2 probes

Instrumentation& actuators

Heatexchanger

Airinjection

Inlet(from loop)

Medium inlet

Culture outlet(to recovery)

Loop: Tube lenght = 400 m

Tube diameter = 9 cm

nº tubes = 22

Degasser Volume = 500 L

Reactor: Fluid circulation: centrifugal pump

Temperature control: heat exchanger

Coolingwater