Microalgas, solución sostenible para problemas ambientales, energéticos y de producción de alimentos

Nuevo fotobiorreactor para producción de microalgas

Recientemente ha aumentado el interés por la producción masiva de microalgas debido a la posibilidad que ofrecen para contribuir a la solución de diversos problemas que tiene hoy en día la sociedad, entre los que cabe citar:

• Necesidad de proteína para alimentación humana, capaz de satisfacer las necesidades de una población creciente, que actualmente supera los 7.000 millones de habitantes. Para esta finalidad, según la FAO, se necesita producir más de 60.000 millones de animales al año que transformarían la proteína vegetal en proteína animal, indispensable en la alimentación humana. Esta necesidad creciente de proteína animal obliga a la búsqueda de fuentes de proteína vegetal abundante y barata para la producción de piensos, que permita mantener el equilibrio entre población y recursos.
• Necesidad de energía barata, limpia, segura y renovable, con objeto de rebajar la dependencia de los combustibles fósiles, en general importados, cuyo consumo masivo provoca un agotamiento progresivo de sus reservas.
• Necesidad de reducir el incremento de gases de efecto invernadero en la atmósfera, principalmente CO2 procedente del uso de combustibles fósiles, a los que se les identifica como responsables del cambio climático.
• Necesidad de reducir la concentración de nitrógeno y fósforo en los efluentes secundarios y terciarios de la depuración de aguas residuales urbanas e industriales causantes de la eutrofización de cursos de agua y contaminación de acuíferos.

Para la solución de estos problemas la sociedad actual trata de buscar actuaciones sostenibles desde el punto de vista económico, social y medioambiental, con objeto de conseguir una seguridad alimentaria y energética, mediante actividades compatibles con la preservación del medio ambiente.

La biomasa de las microalgas es una de las principales materias primas que se contemplan en el futuro para la producción de proteínas y productos de uso industrial, principalmente biocombustibles líquidos y gaseosos. En principio se consideran las futuras explotaciones de producción de microalgas asociadas a biorrefinerías en las que se procesaría la biomasa algal y se obtendrían los diversos productos para uso alimentario, energético o industrial. 

Rascado de un fotobiorreactor con masa de microalgas

Hasta ahora, para la producción masiva de microalgas se han propuesto diversos sistemas que comprenden canales o lagunas en contacto con la atmósfera o fotobiorreactores cerrados (PBR) fabricados en vidrio o material plástico transparente. En ambos tipos de sistemas, las microalgas están suspendidas en el medio acuoso, siendo su concentración máxima del orden de 1 kg por metro cúbico de medio. Para el uso industrial de dicha biomasa algal es necesario recolectarla y concentrarla (principalmente mediante centrifugación), debiendo emplear métodos específicos para esta finalidad que, en general, implican un elevado consumo energético, que se traduce en un elevado coste, lo que en muchos casos hace inviable el sistema. 

Independientemente del sistema, la producción mundial actual de biomasa seca de microalgas es del orden de 10.000T/año, principalmente de las especies Dunaliella, Arthrospira, Chlorella y Haematococcus, una cantidad bastante baja en relación con las posibilidades de producción que presentan estos organismos. El valor de mercado de esta biomasa se encuentra entre 1 y 3 billones de Euros entre productos de alto valor añadido como pueden ser pigmentos, aminoácidos, etc. con precios superiores a 5€/Kg y otros productos para producción de piensos, fertilizantes o energía con precios menores de 5€/Kg.

Fotobiorreactor desarrollado por la UPM

Imagen de los fotobiorreactores instaldos en los campos
experimentales del Grupo de Agroenergética-UPM

Como solución alternativa al problema de la producción de biomasa algal diluida, la UPM, a través del Grupo de Investigación de Agroenergética (GA-UPM), ha desarrollado un fotobiorreactor laminar (PBR–L) para la producción concentrada de biomasa de microalgas, basado en la técnica de células inmovilizadas, especialmente diseñado para utilizar el CO2 y óxidos de nitrógeno procedentes de emisiones de instalaciones industriales además de nitrógeno y fósforo procedentes de efluentes de depuración de aguas residuales. Este fotobiorreactor ha sido patentado por la UPM (Patente nº ES 2 347 515 B2), número de solicitud de la patente PCT/ES2011/000104 bajo el título “Fotobiorreactor laminar para producción de microalgas” y nº de publicación WO2011/138477 A1 publicado el 10 de Noviembre de 2011.

El PBR-L consiste en una serie de paneles verticales huecos, cubiertos por ambas caras por paños de geotextil sobre los que se adhiere la población algal para formar un biofilm directamente cosechable. Por el interior de la cámara de los paneles se puede inyectar mezclas de aire con gases enriquecidos en CO2 (gases de emisión de instalaciones que consuman combustibles fósiles, por ejemplo), para aumentar la actividad fotosintética de las microalgas y por lo tanto su producción de biomasa. El medio de cultivo, que contiene los elementos minerales necesarios para el crecimiento de las microalgas, que puede ser un efluente de una estación depuradora de aguas residuales, fluye por los paños de geotextil desde la parte superior, provocando que se forme sobre la superficie de éstos una abundante flora microalgal en forma de biofilm, que se puede cosechar por raspado, de forma manual o mecánica. El PBR-L es de tipo modular, siendo la unidad básica un panel, que se puede unir de forma lineal a otros paneles con la única limitación de tener asegurado el fluir constante del medio sobre su superficie y de la exposición de cada panel a las condiciones adecuadas de iluminación. 

Frente a los PBR convencionales, el PBR-L desarrollado por la UPM tiene las siguientes ventajas: 

• Bajo coste de inversión y de funcionamiento (entre 3 y 10 veces menor que los PBR convencionales, igualando a los costes de los sistemas abiertos). 
• Bajo consumo energético en la cosecha de la biomasa ya que se obtiene directamente concentrada en forma de biofilm. (la biomasa se recoge concentrada sin necesidad de centrifugación, lo que reduce el gasto energético en un 50%).   
• Diseño modular, de fácil montaje y manejo sencillo, aplicable a pequeña y gran escala, con posibilidad de instalación en áreas de países desarrollados y en vías de desarrollo (el sistema puede construirse con diversos materiales, adaptables a la disponibilidad de cada zona).   
• Mejor aprovechamiento de la radiación luminosa por parte de las microalgas gracias a su diseño laminar (la estructura laminar y la cosecha periódica evita el apantallamiento de las capas inferiores del cultivo cuando la densidad es elevada). 
• Gran eficiencia en la utilización de gases de emisión de instalaciones que utilicen biocombustibles fósiles con incremento notable de la producción de biomasa algal (la eficiencia de utilización de gases en PBR-L es cercana al 100%, y en todo caso muy superior a la que se tiene en con otros sistemas tanto abiertos como cerrados, dosde a penas supera el 10 %).
• Refrigeración natural por evaporación (no es necesario invertir en sistemas de refrigeración de los cultivos, tan necesarios en latitudes cálidas en épocas estivales, como ocurre con otros sistemas de producción de microalgas).

La biomasa algal generada puede ser empleada para alimentación animal, ya sea directamente para piscicultura o como fuente de grasa y proteína para producción de piensos. La biomasa producida puede ser utilizada también para fines energéticos por digestión anaerobia (biogás) o como materia prima de biorrefinería para la producción de biocombustibles (biodiesel, bioetanol, bioqueroseno, metano). 

Una tecnología preparada para llegar ya al mercado

El Prof. Jesús Fernández, en primer término, explica el
funcionamiento del PBR-L al  Rector de la UPM, Prof. Carlos
Conde, y a diversos miembros de la UPM.

El funcionamiento del PBR-L se ha comprobado en una instalación piloto de 15 paneles (81 m2 de superficie de geotextil), que lleva funcionando ininterrumpidamente desde principios de 2011 en los campos experimentales que tiene el Grupo de Agroenergética en la Ciudad Universitaria de Madrid y en dos instalaciones de demostración de 100 paneles cada una (540 m2 de superficie de geotextil cada una), situadas respectivamente en Palencia y Toledo, financiadas por sendas empresas interesadas en el sistema. En ambas instalaciones de demostración, se ha comprobado el funcionamiento continuo durante al menos un ciclo anual completo. En la instalación de Toledo la mitad de los paneles estaban protegidos por una cubierta plástica de invernadero y el resto al aire libre, habiéndose demostrado la viabilidad del sistema en ambas condiciones.

Comparativamente hablando, los costes de producción de los sistemas abiertos (del orden de los 10 €/kg de biomasa seca) son más baratos que los sistemas cerrados del tipo PBR tradicionales (del orden de los 35 €/kg de m.s.). Sin embargo, el PBR-L desarrollado puede bajar los costes de producción hasta precios inferiores a los sistemas abiertos, lo que unido a su fácil montaje y sencillez de operación hace al sistema PBR-L muy competitivo. 

Investigadores UPM

El Grupo de Agroenergética (GA-UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid está ubicado en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos y tiene una amplia experiencia en trabajos de I+D sobre biomasa y medioambiente habiendo desarrollado más de un centenar de proyectos, obtenidos tanto en concursos públicos como financiados por empresas, de ellos 29 de carácter internacional. Tiene concedidas 5 patentes y 2 Modelos de Utilidad en materia de Fitodepuración y producción de microalgas. El GA-UPM en la actualidad está compuesto por 15 personas y está liderado desde su creación por el profesor Jesús Fernández, Catedrático Emérito de la UPM, Dr. Ingeniero Agrónomo por la Universidad Politécnica de Madrid y Licenciado en Ciencias Biológicas por la Universidad Complutense.

Ha dedicado su actividad profesional al estudio de la producción vegetal (en especial a la producción de biomasa mediante cultivos energéticos) y al empleo de plantas acuáticas para la depuración de aguas residuales. En estos campos ha dirigido numerosos proyectos, principalmente financiados por la Comisión de la UE en el marco de convocatorias europeas. Es autor de numerosas publicaciones principalmente en relación al aprovechamiento energético de la biomasa. Ha dirigido 25 Tesis doctorales .

Maribel Martín Girela, licenciada en biología por la Universidad de Granada, en la actualidad es investigadora predoctoral en el grupo de Agroenergética de la UPM y colabora en los trabajos de producción de microalgas mediante PBR-L, con especial relavancia en el tema de las relaciones entre iluminación y absorción de CO2 en sistemas de biofilm, campo en el que está desarollando su trabajo de Tesis Doctoral.

Nota técnica realizada por:

Prof. Jesús Fernández González

Catedrático Emérito – UPM

Maribel Martín Girela

Investigadora predoctoral en el Grupo de Agroenergética - UPM