Manual de Buenas Prácticas

Transcripción

1 LIFE 10ENV/ES/496 Manual de Buenas Prácticas INSTALACIÓN DE CULTIVO DE MICROALGAS Proyecto CO 2 ALGAEFIX Diciembre 2015 CO2 Capture and Bio-fixation through microalgal culture (LIFE10 ENV/ES/ CO2ALGAEFIX)

2

3 CONTENIDOS 1. Objetivo del manual 5 2. Introducción 7 3. Descripción de la planta de cultivo 9 Unidad de cultivo 10 Unidad de Operación Problemas encontrados y medidas correctoras implementadas Conclusión final 21 Anexo: Resumen de las ponencias del Curso «Cultivo y valorización de las microalgas» 23

4

5 1. OBJETIVO DEL MANUAL El presente manual se ha elaborado con el objeto de describir los problemas e imprevistos que pueden surgir durante la puesta en marcha y operación de una instalación industrial de cultivo de microorganismos fotosintéticos (microalgas y/o cianobacterias). Su elaboración se ha basado en la experiencia adquirida durante el desarrollo del proyecto LIFE CO 2 Capture and Bio-fixation through microalgal culture (LIFE10 ENV/ ES/ CO 2 ALGAEFIX), donde se ha contemplado el diseño, construcción, puesta en marcha y operación de una instalación de cultivo de microalgas a la intemperie, en el suroeste de la península ibérica, con dos características innovadoras: la utilización de fotobiorreactores planos verticales y el aprovechamiento del CO 2 procedente de una planta de generación de electricidad de ciclo combinado. Objetivo del manual / 5

6 6 / Manual de Buenas Prácticas

7 2. INTRODUCCIÓN El proyecto CO 2 ALGAEFIX, financiado por la unidad LIFE+ de la Comisión Europea, consiste en la construcción, puesta en marcha y operación de una planta demostración de cultivo de microalgas, a la intemperie, en el municipio gaditano de Arcos de la Frontera, utilizando como fuente de carbono las emisiones de gases de combustión de la Central de Ciclo Combinado adyacente a la planta de cultivo. El objetivo de CO 2 ALGAEFIX es demostrar la viabilidad de un proceso de captura y biofijación de CO 2 mediante microalgas en una planta industrial de generación eléctrica. Introducción / 7

8 8 / Manual de Buenas Prácticas

9 3. DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE CULTIVO La planta de cultivo se conforma de la Unidad de Cultivo y la Unidad de Operación. Unidad de Cultivo Unidad de Operación Plano de la superficie ocupada por la planta de cultivo de microalgas del Proyecto CO2ALGAEFIX. Descripción de la planta de cultivo / 9

10 UNIDAD DE CULTIVO La unidad de cultivo se compone de la zona de laboratorio y cámara de inóculos, así como de la zona donde se encuentran los fotobiorreactores. El laboratorio de investigación y su instrumentación básica son necesarios para el seguimiento de los cultivos y el control de la producción, al igual que la cámara termoclimática de inóculos, imprescindible para la generación y mantenimiento de inóculos, que aseguren el funcionamiento continuo de la planta. A partir de estos inóculos iniciales es necesario realizar un escalado a mayores volúmenes que permitan llegar a la fase de cultivo. Para esta actuación se están utilizando dos tecnologías ampliamente demostradas: columnas de burbujeo y reactores tubulares. Las columnas de burbujeo son reactores cerrados, construidos en material plástico rígido transparente. La planta cuenta con 12 columnas de 100 L de volumen unitario. Columnas de burbujeo. 10 / Manual de Buenas Prácticas

11 Reactores tubulares Reactores verticales planos Reactores raceways Con los fotobiorreactores tubulares cerrados se ha optado por un diseño de lazo cerrado (receptor solar) y columna de burbujeo (desgasificador), tanto en disposición horizontal como vertical de L de volumen unitario. Se dispone de 6 unidades. En la fase de cultivo propiamente dicha se trabaja con reactores verticales planos, de 90 m de longitud conteniendo cada uno de ellos L de cultivo. Estos reactores son de tipo semiabiertos. Están construidos con una estructura de acero, que soporta en su interior una bolsa de polietileno cuya función es albergar el cultivo. Para asegurar el movimiento continuo del cultivo se inyecta aire de forma permanente por la base de los reactores mediante un burbujeador de longitud igual a la de la bolsa. De esta manera, el cultivo se mantiene en agitación continua, evitando la sedimentación de la biomasa y favoreciendo la mezcla y desorción de oxígeno. La razón de aireación deberá ser tal que logre los fenómenos citados. Las concentraciones conseguidas en estos reactores son ligeramente inferiores a las alcanzadas en los reactores tubulares, siendo los costes de operación y construcción también inferiores. Otro tipo de tecnología de cultivo implementada en el presente proyecto son los reactores raceway (tipo abierto) de 28 y 198 m 3 de volumen, que se han construido con el fin de comparar productividades y niveles de fijación de CO 2 con los reactores planos verticales. Estos reactores se caracterizan por su bajo coste de construcción y operación. Descripción de la planta de cultivo / 11

12 UNIDAD DE OPERACIÓN La Planta de Cultivo CO 2 ALGAEFIX se complementa con la Unidad de Operación, consistente en una nave industrial aislada de las zonas de cultivo, donde se localiza todo el equipamiento y maquinaria necesaria para llevar a cabo el proceso completo de producción y cosechado, la sala de control y las oficinas. Pozo de cosechado subterráneo. A continuación se describe brevemente el proceso productivo: Cuando los cultivos alcanzan la densidad celular adecuada, se procede a la etapa de cosechado. Esto implica recoger una parte del volumen de cada fotobiorreactor, con el fin de concentrarlo, y separar las células o biomasa de la fase acuosa (medio de cultivo). El cosechado se realiza por gravedad, de manera que se minimiza el empleo de grupos de bombeo y por tanto, se reduce el consumo de energía eléctrica. Decantador lamelar. Depósitos de recirculado y purga y centrífuga. Este pozo se ha localizado bajo el nivel del suelo, con el fin de conseguir el desnivel necesario para que el caudal de cultivo discurra por gravedad por conducciones destinadas a tal fin. Una vez recogido el volumen de cosechado en el depósito subterráneo, se bombea hasta un decantador lamelar. Con este paso se reduce el volumen de cultivo a centrifugar y por tanto, el tiempo de operación y, de nuevo, el consumo eléctrico. El cultivo pre-concentrado, se somete a una etapa de centrifugación, para obtener una pasta húmeda, con un contenido en 12 / Manual de Buenas Prácticas

13 biomasa en torno a un 20% (peso seco). Esta pasta es el producto final. Con el fin de evitar degradaciones de la materia orgánica, ésta debe estabilizarse, por refrigeración, congelación o secado. Si el producto final deseado no es la biomasa sino algún producto obtenido a partir de ella, la biomasa debe someterse a etapas posteriores de procesado. Equipo de preparación de medio de cultivo. Para reducir el consumo de agua, parte de la fase acuosa que se obtiene en las etapas de concentración se recircula en el sistema y se reutiliza como medio de cultivo. El resto debe ser purgado, con el fin de evitar acumulaciones indeseadas de materia orgánica que pueda provocar problemas de contaminación. Para completar el volumen del reactor que debe permanecer constante, se añade medio fresco preparado en el cabezal de riego. De esta forma, el cultivo se opera en modo semicontinuo asegurando el suministro adecuado de nutrientes. Toda la instalación está automatizada gracias a un sistema de control y la instrumentación instalada en cada reactor De izquierda a derecha, sistema de control SCADA, tarjetas de envío y recepción de señales eléctricas de control y Software de control SCADA. Descripción de la planta de cultivo / 13

14 14 / Manual de Buenas Prácticas

15 4. PROBLEMAS ENCONTRADOS Y MEDIDAS CORRECTORAS IMPLEMENTADAS CONTAMINACIONES EN LOS CULTIVOS En el periodo de operación de la planta se registraron problemas de contaminación por diversos microorganismos, además de un episodio de Legionelosis que obligó a parar la operación durante meses. Es, por tanto, evidente que uno de los factores determinantes en la estabilidad y viabilidad de un monocultivo de microalga o cianobacteria es el riesgo de contaminación; es primordial garantizar que la especie cultivada sea la deseada y, aunque aparezcan otros organismos en el medio líquido (inevitable al no ser posible trabajar en condiciones de esterilidad a determinadas escalas), éstos no comprometan la viabilidad del cultivo, ni reduzcan la productividad del mismo. Es, por tanto, de vital importancia que el agua utilizada para la preparación del medio de cultivo (agua y nutrientes disueltos) sea de buena calidad, con la menor carga biológica posible, además de la correcta operación del personal técnico, lo que requiere una amplia experiencia y formación en el cultivo de microalgas. Problemas encontrados y medidas correctoras implementadas / 15

16 El agua que abastece a la instalación de cultivo debe ser tratada con anterioridad a su uso. Si la calidad es buena, esto es, carga biológica reducida y baja concentración de sólidos en suspensión, es suficiente un tratamiento con ozono, cuya operatividad ha sido demostrada en instalaciones a escala de laboratorio y piloto por las Universidades de Sevilla y Almería, así como en la Plataforma Tecnológica de Experimentación con Microalgas de AlgaEnergy (PTEM). Si, por el contrario, la calidad del agua no es adecuada, es necesaria la implementación de otros sistemas. Así, se recomienda la instalación de un equipo de radiación electromagnética en longitudes de onda fuera del espectro. Los factores técnicos que se deben de tener en cuenta para la instalación de este equipo son: intensidad de radiación de la lámpara, periodo de exposición, volumen del flujo del agua a tratar y características del agua. Las ventajas de este tipo de radiación son: no añade ningún producto químico al agua, tiene una acción rápida con tiempos de contacto de pocos segundos, poco mantenimiento y bajo consumo. La operatividad de este equipo se reduce por la presencia de partículas en suspensión, problema que se soslaya con una etapa previa de filtración, mediante ultrafiltración o filtración tri/bicapa, seguido de la instalación de filtros de cartucho. De esta forma se obtendrá un agua clarificada y apta para un posterior tratamiento optimizado mediante radiación. Tabla 1. Características que debe reunir un agua para considerarse adecuada para consumo humano Parámetros físico-químicos Concentración máxima admisible ph 6,5/9,5 Color 15 mg/l escala Pt/Co Turbidez (U.N.F) 5 U.N.F. Sólidos en suspensión (mg/l) Conductividad (μs/cm) μs/cm Hierro, en Fe (mg/l) 0,2 mg/l Manganeso, en Mn (mg/l) 0,05 mg/l 16 / Manual de Buenas Prácticas

17 Adicionalmente a estas medias, se recomienda la instalación de filtros de aire en todas las conducciones que abastecen de gases a los fotobiorreactores. Si los problemas de contaminación persisten se puede recurrir a un tratamiento químico, con hipoclorito sódico a la concentración adecuada, tanto del agua como de los nutrientes disueltos en los depósitos de mezcla, previos al equipo de preparación del medio de cultivo. Estos tratamientos aseguran el suministro de agua y aire limpios que garantizan la estabilidad de los cultivos. VISTA DE LOS DISTINTOS EQUIPOS DE LIMPIEZA DE AIRE Y AGUA INSTALADOS EN LA PLANTA DE CULTIVO. Equipo de ozono instalado Equipo de radiación ultravioleta instalado Filtro de aire instalado CONTROL DE TEMPERATURA La ubicación de una instalación de cultivo de microalgas es uno de los aspectos determinantes durante la etapa de proyección ya que, en gran medida, de su buena selección dependerá la viabilidad de los cultivos y, por tanto, el éxito del proyecto. El emplazamiento seleccionado debe garantizar una irradiancia y temperatura promedio anual dentro del rango de tolerancia de la microalga a cultivar (habitualmente 20-35ºC). De forma general, para todas las microalgas, la baja temperatura reduce la actividad biológica disminuyendo las tasas de productividad. Por otro lado, la elevada temperatura puede provocar, dependiendo de la tolerancia de la estirpe, la muerte de los cultivos. Este problema se acentúa en los fotobiorreactores cerrados, ya que la posibilidad de autorregulación térmica por evaporación es muy reducida. Por tanto, se considera prioritario evitar el sobrecalentamiento de los cultivos. Problemas encontrados y medidas correctoras implementadas / 17

18 Durante la operación de la planta se registraron temperaturas superiores a las toleradas por la microalga que se estaba cultivando, lo que supuso la muerte de los cultivos durante el periodo de la puesta en marcha y comienzo de la operación. En base a esta experiencia se recomienda la implementación de un sistema controlado de refrigeración y calefacción (mediante intercambiadores de calor localizados en el interior de los fotobiorreactores). Sin embargo, estos sistemas son muy costosos de construir e implican elevados consumos energéticos. Una alternativa es la instalación de tradicionales sistemas de refrigeración mediante la utilización de pequeños caudales de agua a baja presión en cada fotobiorreactor que permiten reducir la temperatura del cultivo a un coste reducido. Adicionalmente, puede ser útil la instalación de estructuras o elementos que protejan a los fotobiorreactores de la exposición directa a la radiación solar, favoreciendo la incidencia de luz difusa De forma general, se recomienda cultivar estipes autóctonas aisladas de fuentes próximas a la planta de cultivo, ya que, en principio, estarán mejor adaptadas a las condiciones climáticas de la zona. Otro de los problemas evidenciado en la planta es la velocidad de los vientos predominantes en la zona, lo que provocó la caída y rotura de los sistemas de cultivo. Si el emplazamiento de la instalación elegido puede presentar riesgos de este tipo, se recomienda arriostrar todos los elementos susceptibles de derribos, especialmente los fotobiorreactores, por tratarse de los sistemas más vulnerables por la naturaleza de los materiales de construcción. Los sistemas de sujeción dependerán de las cargas que deban de soportar, pero se recomienda el anclaje de los reactores al suelo y la unión entre ellos. 18 / Manual de Buenas Prácticas

19 VISTA DE LOS SISTEMAS DE SUJECIÓN O ARRIOSTRAMIENTO DE LAS UNIDADES DE CULTIVO IMPLEMENTADAS EN LA PLANTA Arriostramiento de reactores verticales planos. Arriostramiento de reactores tubulares verticales BIOFOULING EN FOTOBIORREACTORES Otro problema habitual también detectado en la planta de cultivo es el biofouling o adhesión de células vivas o muertas de las propias microalgas o de bacterias contaminantes en las paredes internas de los fotobiorreactores. Se trata de un problema importante que compromete la productividad de los cultivos al reducir la disponibilidad de luz. Los motivos que propician la aparición del biofouling son variados y, en muchos casos, incontrolables, por ejemplo cuando tiene lugar la liberación por parte de la microalga de compuestos extracelulares. Esto hace difícil evitar su aparición aunque se puede minimizar manteniendo el cultivo en fase exponencial mediante diluciones periódicas y asegurando una agitación suficiente que mantenga las células en suspensión pero no excesiva para evitar la rotura de las mismas. Adicionalmente se recomienda establecer protocolos de limpieza particularizados para cada tipo de fotobiorreactor, modo de cultivo y estirpe. Biofouling en fotobiorreactor vertical plano. Problemas encontrados y medidas correctoras implementadas / 19

20 20 / Manual de Buenas Prácticas

21 5. CONCLUSIÓN FINAL Para desarrollar de manera satisfactoria el diseño, construcción y operación de una instalación de cultivo de microorganismos fotosintéticos a escala demo o semi-industrial, se recomienda tener en cuenta los siguientes aspectos generales: Es primordial seleccionar una ubicación con condiciones climatológicas favorables, que permita reducir costes de climatización y conseguir productividades óptimas. Es necesario el estudio previo de las tasas de irradiancia, vientos predominantes, pluviometría. El microorganismo o microorganismos seleccionados así como la tecnología de cultivo implementada es crítico; es recomendable seleccionar microorganismos autóctonos, adaptados al entorno, así como fotobiorreactores que permitan su cultivo con tasas de productividad elevadas. El proceso debe ser económicamente rentable, optimizando los balances de materia y obteniendo balances energéticos favorables, consiguiendo así costes de producción (OPEX) reducidos. Se debe incidir de forma positiva en el entorno natural, lo cual se consigue reduciendo el caudal de vertido de agua de proceso o aprovechando el CO 2 emitido por industrias cercanas a la instalación. No se deben generalizar los parámetros de cultivo o modos de operación, cada instalación debe ser proyectada en función de las características de la zona, así como de la finalidad de la biomasa o productos resultantes. Resulta fundamental la colaboración con organismos científicos que aporten su experiencia propia y know how adquirido durante décadas, así como promover sinergias con otras entidades que faciliten el desarrollo del proyecto, tanto en las etapas de diseño como en la fase de explotación de la instalación. Conclusión final / 21

22

23 ANEXO PUBLICACIÓN CULTIVO Y VALORIZACIÓN DE MICROALGAS

24 En este apartado se recoge el resumen de la ponencias impartidas por científicos y profesionales especializados en microalgas durante el curso «Cultivo y valorización de las microalgas» celebrado en Sevilla en la sede de la Universidad Internacional de Andalucía (UNIA), en septiembre de Estas ponencias ofrecen una visión completa y actualizada de los últimos avances en investigación, producción y aplicaciones de las microalgas, y es necesario resaltar que la formación en este sector es importante, ya que Andalucía cuenta con una situación privilegiada para liderar el desarrollo del cultivo de microalgas, motivando el interés de distintas compañías por situar proyectos en la comunidad andaluza. Este curso se ha financiado por el proyecto CO 2 Algaefix, proyecto de I+D, integrado en el programa LIFE+ de la Dirección General de Medio Ambiente de la Unión Europea, que tiene como objeto principal el estudio de la viabilidad técnico-económica, de un proceso de captura y bio-fijación biológica de CO 2 mediante microalgas en una planta industrial de generación eléctrica, que permita mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, a la vez que se obtienen productos de valor añadido, como son biogás, fertilizantes, alimento animal y productos cosméticos. 24 / Manual de Buenas Prácticas

25 PONENCIAS Microalgas: nuevos recursos, nuevas oportunidades. Mª José Colinet Carmona y Mª Amparo Manso Ramírez. Agencia Andaluza de la Energía Introducción a las microalgas y sus aplicaciones. Luis Lubián Chaichio. CSIC. Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía Ingeniería genética de cianobacterias y microalgas. Francisco Javier Florencio Bellido. Universidad de Sevilla Producción de microalgas a gran escala y evaluación de los costos de producción F.G. Acién, J.M. Fernández-Sevilla, E.Molina. Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Almería Técnicas de procesado de la biomasa algal. Filtración tangencial Ricardo Galindo Rojo. Pall España Técnicas de procesado de la biomasa algal. Floculación. Erika Yuliana Ortiz Montoya. Algaenergy Aplicaciones de las microalgas para depuración de aguas. Jose Antonio Perales Vargas Machuca. Dpto. de Tecnologías del Medio Ambiente. Universidad de Cádiz Aplicaciones de las microalgas para captación de CO 2. Maria Segura Fornieles. Algaenergy Aplicaciones de las microalgas en nutrición: acuicultura, alimentos funcionales, carotenos. Justo J. Pedroche Jiménez. CSIC; Instituto de la Grasa Aplicaciones de las microalgas para producción de biodiesel. Mercedes García González. Universidad de Sevilla Aplicaciones de las microalgas para producción de bioetanol. Mercedes Ballesteros Perdices. Ciemat Biocarburantes de algas: situación y perspectivas. Enrique Espí Guzmán. Centro de tecnología Repsol Experiencias industriales y proyectos de Algaenergy en microalgas. Maria Segura Fornieles. Algaenergy Anexo / 25

26 Microalgas: nuevos recursos, nuevas oportunidades Mª José Colinet Carmona. Agencia Andaluza de la Energía Mª Amparo Manso Ramírez. Agencia Andaluza de la Energía Introducción El uso de recursos agotables ha llevado a nuestro planeta a una situación preocupante. El crecimiento de la población, el uso intensivo de energías en forma desigual por el conjunto de la población y el aumento de las zonas desérticas, áridas y los deshielos está ocasionando un fuerte estrés en el ecosistema. Pero este no es un problema nuevo, En la segunda mitad del siglo XIX encontramos a científicos y economistas comenzando a discutir sobre el agotamiento de los recursos energéticos. En 1865 W. Stanley Jevons en The coal question expresa su preocupación por la disponibilidad futura de carbón y más tarde en 1885 Rudolf Clausius publica su obras sobre los recursos energéticos de la naturaleza y su utilización para el bien de la humanidad, donde sostiene que si bien es válido consumir tanta energía como se puede producir en el mismo periodo, al consumir las reservas de carbón la sociedad se comportaba como quien dilapida una herencia, (Martínez-Alier 1990). Es curioso pensar que estos científicos predecían, influidos por el momento histórico, de conocimiento y tecnológico, el agotamiento del carbón, combustible fósil que en la actualidad se conoce que tiene mayores reservas probadas. Pero antes, Thomas Robert Malthus en su -An Essay on the Principle of Population- (1789) expone su teoría sobre crecimiento de la población y de los alimentos. En el siglo XIX sus seguidores, Neomalthusianos, en gran medida introducen el concepto de desarrollo sostenible. Pero tienen que pasar dos siglos para que el Club de Roma en su informe Los límites del Crecimiento (Meadow et all. 1972), concluya que si el actual incremento de la población mundial, la industrialización, la contaminación, la producción de alimentos y la explotación de los recursos se mantiene sin variación, alcanzará los límites absolutos de crecimiento en la Tierra durante los próximos cien años. La tesis del informe es que en un planeta limitado, las dinámicas de crecimiento exponencial (población y producto per cápita) no son sostenibles. El informe propone que es posible alcanzar una situación de equilibrio, que será la base para la Declaración de Estocolmo, acuerdo que nacía tras una conferencia de la ONU sobre Medio Humano (Estocolmo 5 al 16 de junio de 1972). A este primer informe le siguen dos actualizaciones posteriores «Más allá de los límites del crecimiento» (Meadow et all., 1992) y «Los límites del crecimiento: 30 años después» (Meadow et all. 2004). En el primer informe se indica que la humanidad ya había superado la capacidad de carga del planeta para sostener su población. La tercera edición constituye una versión actualizada e integral de las dos anteriores. 26 / Manual de Buenas Prácticas

27 Como consecuencia de estos efectos sobre los distintos ecosistemas de la Tierra surge el cambio climático, el cuál hoy en día es indiscutible entre la comunidad científica. En el último informe de Working Group I Contribution to the IPCC Fifth Assessment Report Climate Change 2013: The Physical Science Basis (IPCC, 2013) afirma que existen evidencias probadas de los efectos del cambio climático y sitúa el aumento de temperatura, respecto a la media de , para finales de siglo entre 1,5 y 2 ºC. Ante esta situación, ya no es posible buscar soluciones parciales que pudieran tener un efecto positivo en el corto plazo pero que a la vez contribuyan a el medio y largo plazo a acentuar aún más la difícil situación de la Tierra y sus habitantes, e incluso en el corto plazo provoquen el agotamiento de recursos, el aumento de emisiones, los efectos nocivos sobre la salud de los seres vivos y, sobre todo, la desigualdad entre los distintos habitantes de la Tierra acentuando la pobreza de un gran número de población mundial. El desarrollo de las microalgas se vislumbra como una oportunidad para el nacimiento de una industria capaz de producir alimentos, energía, fármacos, a gran escala, permitiendo la armonía entre población, territorio, uso de recursos, medio ambiente y efectos producidos en el proceso de crecimiento y transformación de estos organismos. Aún no hemos llegado a disponer de la tecnología suficiente que posibilite un uso comercial de las microalgas para aplicaciones a gran escala como la bioenergía, pero muchas son las personas, empresas, instituciones que están trabajando por conseguir esta meta. A lo largo de los distintos artículos aquí recogidos conoceremos, a través de científicos y profesionales especializados en esta materia, el estado de avance de las investigaciones y aplicaciones tecnológicas. Uso de recursos no agotables en Andalucía Andalucía es una región rica en recursos no agotables, provenientes, en su mayoría, de la acción directa del sol. Andalucía con una radiación de 5 kw/m 2 y día, 3.6 veces superior a la media mundial, es una de las regiones europeas con más disponibilidad de esta fuente energética. El sol se convierte en energía almacenada en forma de biomasa a lo largo del 53% de la superficie andaluza, que se corresponde con los espacios forestales. La orografía andaluza junto con el sol posibilita disponer en Andalucía de un régimen de vientos muy favorables para su aprovechamiento energético. Estas circunstancias han permitido, en nuestra región, contar con una alta capacidad para aprovechar las energías renovables, a la vez que otros recursos naturales no agotables: corcho, frutos, madera, etc. Andalucía, en los últimos diez años ha pasado de consumir un 6,0% (año 2003) de energía procedente de renovables a un 19,3% en el año Especialmente significativo ha sido el avance de la generación eléctrica con fuentes renovables, en el mismo periodo se ha incrementado desde 8,8% al 29,3% o la aparición de la sustitución de los carburantes fósiles por biocarburantes que ya hoy representan el 10,1% (en 2003 era de 0,5%). La tasa por habitante de instalaciones solares térmicas en Andalucía es 0,09 m 2 frente a la española de 0,06 m 2 /hab. Anexo / 27

28 Tabla 1. Comparativa de aprovechamiento de energías renovables en Andalucía Variación GENERACIÓN ELÉCTRICA MW Biomasa y biogás 115,6 287,3 148,5% Eólica 234, , ,7% Hidráulica 574,0 617,4 7,5% Solar fotovoltaica 8,1 884, % Solar termoeléctrica 0,0 997,4 - GENERACIÓN ENERGÍA TÉRMICA Solar térmica (m 2 ) , ,0 316,8% Geotérmica (ktep) 0,0 0,47 - Biomasa y biogás (ktep) 578,1 875,0 51,3% BIOCARBURANTES ktep Consumo biocarburantes 21,0 155,8 641,9% Fuente: Agencia Andaluza de la Energía El desarrollo de las energías renovables ha necesitado de un importante impulso de la I+D+i, en esta área empresas, investigadores, instituciones y administración han trabajado conjuntamente. Es muy significativo, el desarrollo de la tecnología termosolar, se puede considerar que Andalucía ha sembrado la semilla que hoy en día está creciendo en el mundo entero: Estados Unidos, países árabes, Sudáfrica, Australia, China, etc. Igualmente Andalucía fue pionera en Europa del desarrollo de la energía eólica. Las energías renovables por si mismas, aun siendo una fuente energética de primer orden, son susceptibles de transformación para obtener nuevos vectores energéticos o para incrementar la eficiencia de los procesos. Así se está trabajando, entre otros, en la obtención de hidrógeno, biocarburantes de segunda y tercera generación y carburantes sintéticos, o en tecnologías de almacenamiento de energía o sistemas inteligentes. Andalucía cuenta con empresas, Universidades, centros de investigación (caso por ejemplo del Centro Tecnológico Avanzado de Energías Renovables) y estructuras administrativas (como la Agencia Andaluza de la Energía) que trabajan y cooperan en el desarrollo de proyectos innovadores energéticos. Las microalgas: oportunidad de innovación desde Andalucía La innovación nos permite combinar avances para conseguir resultados que antes no existían, mejorando el entorno social, medioambiental y económico, y superando obstáculos que a priori parecían limitantes e incluso excluyentes. En Andalucía tenemos un buen ejemplo de ello en la provincia de Almería, donde la innovación ha permitido que pese a ser la provincia de menor pluviometría de la península ibérica y con el único desierto árido del continente europeo, haya destacado como una de las principales provincias productoras de hortalizas de España y la Unión Europea. 28 / Manual de Buenas Prácticas

29 Surge ahora la oportunidad de conseguir la implantación de un nuevo tipo de bioindustria basada en el cultivo de microalgas y que se perfila como un sector con gran potencial de aprovechamiento, en el que a diferencia del caso antes expuesto de Almería, el clima aquí juega a su favor, ya que la irradiación solar y la temperatura con la que cuenta Andalucía hacen que nuestra comunidad sea una localización idónea para la puesta en marcha de este tipo de proyectos. Prueba de ello es que según el informe Bioplat (2012) el 46% de los proyectos de investigación de microalgas que se están llevando a cabo en España se desarrollan en Andalucía; proyectos liderados en su mayoría por universidades andaluzas y desarrollados en cooperación con entidades privadas. Le sigue las Comunidades de Canarias y Cataluña con un 16% y 12% de los proyectos respectivamente. En materia de investigación, aunque las microalgas llevan siendo aprovechadas desde hace miles de años para alimentación, no ha sido hasta el último siglo cuando se ha producido una intensa actividad investigadora que ha ido incrementándose a medida que ampliaban los campos de aplicaciones y usos, entre ellos: alimentación y nutrición, nutraceúticos, cosmética, energía y tratamientos descontaminantes de agua, suelo y aire. En Andalucía las universidades con mayor dedicación investigadora en algas son las universidades de Almería, Cádiz, Málaga y Sevilla, coordinando proyectos dedicados a la investigación y mejora de procesos en la obtención de biocarburantes y biocombustibles, optimización de la capacidad de captura de CO 2 de las microalgas y depuración de sistemas, así como proyectos destinados a la obtención de nutrientes para la acuicultura y componentes de alto valor añadido como luteínas, lípidos y colorantes para alimentación humana, alcanzándose importantes resultados, materializados algunos de ellos en patentes. Esto nos ha llevado a plantearnos dar el paso para avanzar desde la escala experimental a la semiindustrial, aspecto básico en este tipo de proyectos donde el escalado progresivo del cultivo ha demostrado ser un punto crucial en la viabilidad técnica y económica de este tipo de proyectos. De hecho, en la obtención de biocombustibles y otras aplicaciones que precisan importantes cantidades de biomasa algal no está aún demostrada la viabilidad técnico-económica a gran escala, lo que pone de manifiesto la importancia de desarrollar instalaciones pre-industriales. Esta es una de las finalidades del proyecto CO 2 Algaefix, cuyo objetivo es estudiar la viabilidad técnico-económica de un proceso de captura y bio-fijación biológica de CO 2 mediante microalgas en una planta industrial de generación eléctrica real (Ciclo combinado de electricidad de Arcos de la Frontera). Este proyecto está financiado por el Programa de incentivos de la Unión Europea Life+. Los socios que participan son: Algaenergy, Iberdrola, Exeleria, Agencia Andaluza de la Energía, Universidades de Almería y Sevilla y Madrid Biocluster Para alcanzar la viabilidad industrial del uso de microalgas, al igual que para la mayoría de materias, requiere unir los intereses privados y públicos, concretamente el conjunto ciencia-tecnología-empresa, fomentando la investigación y desarrollo entre científicos y tecnólogos de diferentes áreas con empresas involucradas en el sector las cuales deben establecer los objetivos y alcances Anexo / 29

30 requeridos para hacer este tipo de procesos viables, y donde se facilite el traspaso del conocimiento obtenido como resultado de esa investigación y desarrollo. A la vez es necesario que el sector empresarial encuentre atractivo la inversión en este tipo de proyectos. Este es el modelo seguido en el proyecto CO 2 Algaefix. Otra variable que puede influir positivamente en alcanzar la viabilidad industrial puede ser la conveniencia de que un organismo actúe como centro coordinador tecnológico de la I+D+i de los proyectos de algas y que concentre la totalidad de los trabajos realizados para rentabilizar las sinergias existentes entre los mismos y evitar repetir experiencias previas fallidas, permitiendo optimizar la utilización de los recursos disponibles. I+D+i Colaboración + + Coordinación = público Privada Viabilidad industrial proyectos de microalgas Es necesario también desarrollar un modelo innovador de negocio que sea apropiado para este sector y donde por el momento las tendencias son dos; por un lado trabajar bajo el concepto de biorrefinería, ya que el amplio abanico de productos resultantes de la biomasa algal, hace probable que estas nuevas bioindustrias se diseñen para la obtención de varios productos finales, siendo biocombustibles y bioproductos desarrollados de manera conjunta como complemento imprescindible para rentabilizar su producción. Por el otro lado la tendencia es tratar de manera diferenciada los sistemas para producción de energía de aquellos que producen un alto valor añadido, o que tienen como finalidad la depuración o descontaminación de sistemas, ya que las vías de producción van ser literalmente distintas. Como conclusión recalcar que la innovación en este sector nos debe permitir explotar un cultivo de manera rentable y sostenible, que nos va a proporcionar una amplia gama de productos de primera necesidad como son alimentos y energía, y de servicios como son las aplicaciones para descontaminación, pero que a su vez nos va a situar como exportadores de tecnología y de valor añadido. Hablar de plazos en materia de desarrollo tecnológico e innovación ha demostrado ser una práctica bastante inútil, por lo que no vamos a entrar a debatir cuando las microalgas serán una realidad en proyectos a gran escala, habida cuenta de que nuevos descubrimientos y cambios en el panorama económico, social y energético pueden transformar en muy poco tiempo los horizontes y plazos que se daban por establecidos. Eso sí, establecer un objetivo claro: la realidad del sector industrial de las microalgas, y con esa mira establecer estrategias e ir dando pasos en el día a día. 30 / Manual de Buenas Prácticas

31 Introducción a las microalgas y sus aplicaciones Luis Mª Lubián Chaichío. Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía (CSIC) Con el término algas se designa un grupo polifilético de organismos acuáticos filogenéticamente diverso y muy heterogéneo. Pertenecen al reino Protoctista y son, por tanto, eucariotas. No obstante, tradicionalmente en botánica se han considerado también como algas a las cianobacterias y aunque éstas son organismos procariotas tienen con las algas similitudes morfológicas y funcionales. Las cianobacterias aparecieron con las primeras formas de vida en nuestro planeta hace millones de años y fueron los primeros organismos capaces de llevar a cabo la fotosíntesis oxigénica mediante la cual, la energía de la luz solar se utiliza para reducir compuestos inorgánicos transformándolos en compuestos orgánicos ricos en energía. El principal producto residual de este proceso es el oxígeno. Las algas se originaron por endosimbiogénesis primaria y secundaria de eucariotas unicelulares sin capacidad fotosintética con cianobacterias a las que fagocitó y esclavizó quedando estas como un orgánulo celular denominado plastidio. A partir de estos grupos primigenios evolucionaron las distintas clases de algas. En el transcurso de esta evolución, el oxígeno se fue acumulando en nuestra atmósfera y eso condicionó la aparición de nuevas formas de vida, dependientes en último término de la producción primaria de las algas y sus descendientes, dando lugar a la biosfera como la conocemos actualmente. En la actualidad se conocen unas especies de algas distribuidas en unas 15 clases y repartidas en su conjunto al 50% entre ecosistemas marinos y continentales. Una sola de estas clases dio lugar a las plantas terrestres, el grupo de las clorofitas. La mayoría de las clases la constituyen organismos unicelulares (microalgas), coloniales o filamentosos y solo 4 de ellas tienen especies pluricelulares con un porte que alcanza desde varios milímetros hasta más de 100 m (cianofitas, clorofitas, rodofitas y feofitas), y que se conocen como macroalgas o macrófitos. Las microalgas, en sentido amplio y dentro de un contexto ecológico, constituyen el fitoplancton, es decir, todos aquellos organismos fototróficos que viven en suspensión en mares, océanos y aguas continentales. Si bien, la producción anual de las plantas terrestres es superior por unidad de superficie a la acuática, la superficie del océano y aguas continentales es mayor, por lo que entre el 50 y 60 % de la productividad primaria de nuestro planeta se debe al fitoplancton. En aguas continentales la diversidad es dependiente de los distintos hábitats, aunque en términos de productividad es pequeño en relación al total. En el ecosistema marino, el fitoplancton nerítico es el que ostenta una mayor diversidad, destacando en general las diatomeas y dinoflagelados como grupos predominantes, pero en la mayor parte del océno los responsables de la productividad primaria a escala global son dos cianobacterias muy pequeñas pertenecientes a los géneros Prochlorococcus y Synechococcus. Anexo / 31

32 Las distintas clases de algas difieren básicamente en su morfología, ultraestructura, ciclo de vida, composición pigmentaria y perfil lipídico. Además, pueden existir diferencias importantes entre las distintas especies de un mismo grupo en cuanto a sus características fisiológicas y metabólicas. Por ello resulta inadecuado referirse a las microalgas como una identidad única de referencia, sobre todo en lo que se refiere a la valoración de sus capacidades a la hora de buscar utilidades para el hombre. Normalmente, cada aplicación de las microalgas va asociada a una especie determinada, en la que hay que valorar una serie características fisiológicas de la misma, antes de hacer una selección definitiva. Históricamente, las algas (macrófitos) han sido muy valoradas en la cultura oriental y de hecho hay una explotación importante de varios cientos de miles de toneladas al año que se utilizan principalmente para la industria alimentaria y textil. En el caso de las microalgas, el primer cultivo se hizo a finales del siglo XIX con Chlorella vulgaris y desde entonces se fueron aislando nuevas especies y formulando medios de cultivo. Muchas de las investigaciones sobre las rutas bioquímicas de la fotosíntesis se hicieron utilizando como material biológico cultivos de microalgas. Los estudios realizados a principios de los años 50, con microalgas como alternativa a la producción agrícola como fuente de alimento, no resultaron favorables desde un punto de vista de la rentabilidad, pero sentó las bases de una tecnología de cultivo que ha servido para el desarrollo posterior de sistemas de producción de alto rendimiento. El auge de la acuicultura en los años sesenta supuso un nuevo impulso a los cultivos de microalgas, en particular las marinas, aislando y seleccionando nuevas especies con características idóneas para la alimentación y nutrición de las especies de interés comercial. El tamaño, digestibilidad y la composición bioquímica, en particular la de ácidos grasos poliinsaturados marcaron la pauta. La actividad acuícola tiene la ventaja del ahorro de los costes implicados en una tecnología más sofisticada de cultivo y de los procesos de concentración de la biomasa. Los usos y aplicaciones de las microalgas abarcan tres áreas biotecnológicas. La biotecnología verde incluye todo lo relacionado con la agricultura, acuicultura (alimentación, fertilización) y medio ambiente (tratamiento de aguas, secuestro de gases invernadero). La biotecnología blanca hace referencia a la obtención de energía (biocombustibles). Y finalmente, la biotecnología roja implica todo lo relacionado con la salud humana (nutracéuticos, alicamentos). Estas áreas no son cerradas y se solapan entre ellas en algunos aspectos. Las especies más comúnmente utilizadas en acuicultura pertenecen a los géneros Tetraselmis (Prasinophyceae), Nannochloris y Chlorella (Chlorophyceae), Nannochloropsis (Eustigmatophyceae), Chaetoceros (Bacillariophyceae) y Rhodomonas (Cryptophyceae). Para otros usos, las especies que actualmente se cultivan a escala industrial son: Arthrospira (=Spirulina) platensis (dietética), Chlorella sp. (nutracéuticos y acuicultura), Dunaliella salina (obtención de ß-caroteno), Haematococcus pluvialis (astaxantina), Porphyridium cruentum (ficoeritrina, ácido araquidónico) y Nannochloropsis gaditana (acuicultura, ácidos grasos poliinsaturados, lípidos para obtención de biodiesel). En la mayor parte de los casos, los cultivos de estas especies se realizan tanques al exterior tipo raceways con agitación por paletas. Otros tipos de cultivo más tecnificados utilizan sistemas semicerrados o fotobioreactores con agitación por bombeo o air-lifts. 32 / Manual de Buenas Prácticas

33 La productividad de los cultivos de microalgas está limitada por la irradiancia y la propia limitación del aparato fotosintético, además de la temperatura. En un lugar que reciba una buena radiación anual (del orden de 2500 MJ m -2 ) la productividad máxima teórica sería de unas 100 T Ha 1 año -1, pero la realidad es que teniendo en cuenta que la irradiancia y la temperatura varían según la época del año, la productividad se reduce de un 50 a un 20%, dependiendo del sistema de cultivo. En cuanto a los costes de producción de biomasa microalgal puede oscilar entre los 5 Kg -1 en cultivos realizados en tanques abiertos y los 300 Kg -1 llevados a cabo en fotobioreactor con un alto grado de control de las variables que afectan al crecimiento de la especie que se cultive en cada caso. La biodiversidad de las algas ofrece un inmenso recurso genético, que se traduce en un gran potencial para ofrecer nuevas aplicaciones, productos químicos y sustancias bioactivas. Sin embargo, hay un consenso general de que los sistemas de producción actuales de microalgas no son económicamente rentables en cuanto al coste de la biomasa. Las dificultades incluyen altos costos de infraestructura de capital, problemas de contaminación en sistemas abiertos y los costos asociados con la recolección y el secado. Este coste negativo impide actualmente el uso generalizado de las microalgas para la producción de biocombustibles o la producción de otras formas de bioenergía exclusivamente. La combinación de la capacidad de las células para remediar agua con su utilización para la captura de carbono o la producción de energía y obtención de productos de alto valor añadido puede ofrecer una forma económicamente viable en el futuro para el desarrollo de productos múltiples. Anexo / 33

34 Ingeniería genética de cianobacterias y microalgas Francisco J. Florencio Bellido. Instituto de Bioquímica vegetal y fotosíntesis. Universidad de Sevilla-CSIC. El creciente interés de la sociedad por los recursos de la tierra y la preocupación que el uso de los mismos puede acarrear en su propio devenir está incidiendo en la búsqueda de nuevas aproximaciones que permitan obtener fuentes de energías que presenten una menor incidencia en la viabilidad futura de la Tierra, en especial en todo aquello que pueda afectar al cambio climático, como el aumento del CO 2 en la atmósfera. Las cianobacterias y microalgas, son organismos fotosintéticos, y por tanto capaces de captar el CO 2 atmosférico y convertirlo en carbono orgánico, especialmente carbohidratos, la base principal de compuestos de interés como pueden ser los biocombustibles. El estudio del metabolismo de dichos organismos permite utilizar dicho conocimiento para su aplicación en la obtención de biocombustibles partiendo de compuestos abundantes y sencillos como son el agua, la energía solar y el CO 2. Las cianobacterias, los primeros organismos en la biosfera capaces de generar oxígeno a partir de la fotólisis del agua, mediante la fotosíntesis, constituyen un grupo diverso de microorganismos capaces de adaptarse a muy diversas condiciones ambientales debido a su elevada plasticidad metabólica. La alteración del metabolismo de las cianobacterias mediante el uso de técnicas de ingeniería genética permite redirigir el flujo de carbono, desde el CO 2 hasta productos con alto valor energético, destacando entre estos la producción de alcoholes como el etanol o el butanol, la producción de ácidos grasos precursores del biodiesel o de alcanos precursores de gasolinas y queroseno. El conocimiento completo de sus genomas y la disponibilidad de herramientas que permiten su manipulación genética constituye un elemento clave para su utilización aplicada. En cianobacterias existen tres sistemas básicos de introducción de material genético exógeno en sus genomas, estos son mediante transformación, por conjugación, o mediante electroporación. En todos los casos se utiliza como marcador del proceso de transferencia un gen que permita la resistencia de forma general a antibióticos, o bien a otros compuestos que permitan la selección de las estirpes mutadas. La cianobacteria más utilizada en estudios de transferencia genética con fines encaminados a la ingeniería metabólica es Synechocystis sp PCC 6803, considerada un modelo para el estudio del metabolismo fotosintético en procariotas. En la actualidad existe un amplio campo de investigación centrado especialmente en la construcción de estirpes conteniendo genes capaces de ser activados por compuestos artificiales y por tanto conteniendo promotores sintéticos que permitan 34 / Manual de Buenas Prácticas

35 una alta expresión de dichos genes y el consiguiente incremento en la producción del compuesto de interés requerido. Con respecto a las microalgas, su interés radica principalmente en la producción de lípidos para la obtención de biodiesel, y en la biomasa completa, a partir de la que es posible obtener otros compuestos como carotenos, proteínas o hidratos de carbono para usos como fertilizantes, en la industria cosmética etc. Los sistemas de ingeniería genética para microalgas, están bien desarrollados solo en algunas especies entre las que destaca el alga verde modelo Chlamydomonas reinhardtii, que permite la transformación nuclear o plastídica mediante sistemas químicos, utilizando compuestos que permitan debilitar la pared celular, o bien mediante el método biolístico, que permite transformar con eficacia el cloroplastos. En otros casos como diatomeas y otras algas verdes también se han empleado la transferencia mediante electroporación. Los problemas más comunes que se encuentran en relación a la transferencia de material genético residen fundamentalmente en la estabilidad de las transformaciones realizadas, por lo que se suelen perder al cabo de varias generaciones y que la introducción del ADN exógeno en el núcleo ocurre de forma no homóloga, pudiendo por tanto afectar a la funcionalidad de otros genes de la microalga. No obstante se han descrito sistemas de recombinación homóloga en algunas microalgas con una eficiencia notable, como es el caso de Nannochloropsis gaditana. Lo que permite inactivar genes concretos del genoma de dicha microalga y por tanto realizar ingeniería metabólica encaminada a procesos como el incremento de determinados ácidos grasos. La amplia variedad de microalgas existentes y las diferencias tan amplias que existen entre ellas tanto en sus genomas como en su fisiología ha hecho que el avance de introducción de técnicas genéticas este aún poco desarrollado, pero el creciente interés en su utilización biotecnológica permiten augurar un futuro en el que la mayoría de las especies de interés puedan ser transformadas genéticamente con facilidad. La capacidad futura de utilización de cianobacterias y microalgas optimizadas para incrementar la capacidad de fijación de CO 2 y su transformación en compuestos de interés industrial, en especial la producción de biocombustibles de tercera generación, permiten ser optimistas en su uso en nuevas industrias con un alto grado de sostenibilidad, ya que usarían compuestos simples como el agua, el aire y la energía solar para su crecimiento y producción, como elementos básicos. Sin duda, un mayor desarrollo de los métodos de transformación genética, de los sistemas de expresión génica y de los nuevos procedimientos de análisis masivo, como son todas las técnicas genómicas, darán lugar a un amplio espectro de estirpes capaces de realizar procesos metabólicos nuevos y de forma muy eficiente. Las cianobacterias y microalgas en los sistemas acuáticos son uno de los dos sistemas capaces de generar oxígeno en la tierra junto a la corteza vegetal, este compuesto, no hay que olvidar que constituye la base de la vida en la tierra y sin sus productores está quedaría seriamente comprometida, por tanto su utilización es una garantía de la vida en la Tierra. Anexo / 35

36 Producción de microalgas a gran escala y evaluación de los costos de producción F.G. Acién, J.M. Fernández-Sevilla, E.Molina. Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Almería Resumen En este artículo se presenta un análisis global de la producción de microalgas a gran escala. El punto de partida es el análisis de las aplicaciones más importantes de las microalgas y de las especies que se utilizan comercialmente. A continuación se estudian los factores determinantes de la velocidad de crecimiento de estos microorganismos, con especial atención a la disponibilidad de luz y al modo de operación de los sistemas de cultivo. Para la producción a gran escala de microalgas es necesario emplear reactores externos cuyo diseño permita un control de las condiciones de cultivo lo más análogo posible a las óptimas determinadas en laboratorio. Se revisan los factores determinantes del rendimiento de sistemas de cultivo en externo, así como los tipos de reactores más ampliamente utilizados y sus características principales. El balance de energía al proceso que permite cuantificar la capacidad de producción máxima alcanzable en 200 t/ha año aunque los valores reales obtenidos a pequeña escala difícilmente superan las 100 t/ha año. Para lograr estas altas productividades es necesario utilizar sistemas de cultivo y microalgas de elevado rendimiento, es decir que permitan alcanzar altas productividades con bajos consumos energéticos o utilizando muy eficazmente la radiación solar disponible. Las tecnologías de cultivo a emplear deben ser optimizadas pero no necesariamente tienen que corresponder a reactores abiertos de gran volumen por unidad de superficie, siendo posible utilizar reactores de poco volumen por unidad de área. El mayor cuello de botella para la expansión de la producción de microalgas es el elevado coste de producción de la biomasa. El análisis económico llevado a cabo permite identificar los factores que más contribuyen a dicho costo. De este artículo se concluye que tanto la escala como el tipo de proceso empleado determinan el coste final de producción, que difícilmente está por debajo de los 10 /kg. Para reducir este coste a valores inferiores a 1 /kg es necesario no solo trabajar a gran escala en procesos simplificados, si no emplear efluentes industriales como nutrientes, lo que además permite incrementar la sostenibilidad del proceso. Palabras clave: Microalgas, fotobiorreactores, productividad, coste producción. 36 / Manual de Buenas Prácticas

37 Introducción La producción de microalgas a gran escala tiene su comienzo en la década de los 60 cuando se desarrollaron los primeros reactores abiertos tipo raceway, para la depuración de aguas residuales (Oswald and Golueke 1960). Posteriormente estos reactores se emplearon para la producción de microalgas y cianobacterias con diversas aplicaciones, principalmente en alimentación animal y humana, y como alimento en acuicultura. Las especies que se comenzaron a producir fueron todas ellas de las denominadas extremofilas por su tolerancia a condiciones de cultivo extremas que dificultan el desarrollo de otras especies contaminantes. Algunas de estas especies son Chlorella, Spirulina, y Dunaliella. Ya en la década de los 90 se llevaron a cabo intentos relevantes de producir biocombustibles a partir de microalgas, cuando Japón y EEUU pusieron en marcha proyectos de investigación nacionales con este objetivo (Benemann 1997; Hughes and Benemann 1997). A pesar de estos importantes esfuerzos no se alcanzó un desarrollo comercial viable debido a los elevados costos de producción de la biomasa de microalgas y de los biocombustibles obtenidos, cuando se comparaban con el precio del petróleo y sus combustibles derivados. Por este motivo, actualmente la producción comercial de microalgas se dedica a la obtención de productos de alto valor o biomasa de alta calidad (Pulz and Gross 2004). Para ello es preciso utilizar una mayor variedad de especies de microalgas, en condiciones de cultivo más favorables en las que se desarrollan otras contaminaciones, por lo que ha sido necesario desarrollar sistemas de producción o fotobiorreactores cerrados, más parecidos a los fermentadores tradicionales empleados en la industria alimentaria y farmacéutica (Acién et al., 2012). Las microalgas se emplean actualmente para alimentación animal y humana. En alimentación animal cabe destacar la producción de microalgas para acuicultura, ya que las microalgas son el alimento indispensable en la producción de larvas de peces y moluscos, en sus primeros estadios de desarrollo. Especies como Nannochloropsis, Tetraselmis e Isochrysis con ampliamente utilizadas para este fin, llevándose a cabo mayoritariamente su producción in situ como alimento vivo. Algunas empresas están comercializando microalgas liofilizadas y concentrados para este fin, como Necton, Ocena Nutrition y Blue Biotech. En alimentación humana se utilizan principalmente la cianobacteria de medio alcalino Spirulina, y la microalga de crecimiento rápido Chlorella. Compañías como Cyanotech, Earthrise, Parry y Myanmar producen más de t/año de Spirulina y t/año de Chlorella, a un precio entre 5-20 $/kg. Otro producto destacado es la producción de carotenoides como astaxantina y betacaroteno, que se comercializan como nutracéuticos. El primero de ellos se obtiene con la microalga de agua dulce Haematococcus pluvialis, mientras que el segundo se produce con la microalga de medio hipersalino Dunaliella (Figura 1). Compañías como Cyanotech, BioReal y Mera Pharma comercializan productos basados en estos compuestos, estimándose un mercado potencial de 200 M$. Otros productos obtenidos a partir de microalgas que actualmente se comercializan son las ficocianinas obtenidas a partir de biomasa de Spirulina y que se emplean como colorante alimentario, Anexo / 37

38 y los ácidos grasos poliinsaturados (PUFAs) que se producen con diversas especies de microalgas como Phaeodactylum y Chrypthecodinium. Especial mención merece la producción de PUFAs que lleva a cabo la compañía Martek/DSM que se ha convertido en un ejemplo de desarrollo industrial basado en la biotecnología de microalgas. Figura 1.- Imagen de dos microalgas ampliamente utilizadas a nivel comercial. Izquierda Haematococcus pluvialis, Derecha Dunaliella salina. Biotecnología de microalgas Las microalgas son organismos fotosintéticos que poseen una elevada velocidad de crecimiento, con tiempos de duplicación de aproximadamente un día, lo que llevaría a capacidades de producción de hasta 340 t/ha año en zonas de climas templados (Acién et al., 2012). Sin embargo, para poder aprovechar esta potencialidad es necesario suministrar a las microalgas un ambiente de crecimiento óptimo, con temperaturas y ph adecuados (T=18-24ºC, ph=7,8-8,2), medios de cultivo con suficiencia de nutrientes (nitrato, fosfato, calcio, potasio, etc.), y sobre todo un suministro a demanda de CO 2 como fuente de carbono y de luz solar como fuente de energía. Hacer esto a escala de laboratorio resulta sencillo, pero poder llevarlo a cabo a escala industrial resulta muy complejo y requiere una adecuada conjunción de conocimientos de Ingeniería y Biotecnología. En el caso de la luz, al tratarse de un nutriente que no se puede almacenar, ésta se debe suministrar de forma continua y de la forma más homogénea posible, evitando que unas zonas queden sobreexpuestas a la luz mientras otras quedan oscuras y por tanto inactivas para el crecimiento. Para establecer el nivel de luz promedio que recibe una célula se introduce el concepto de irradiancia promedio (Iav), que se define como el promedio de irradiancia que existe en cada volumen de 38 / Manual de Buenas Prácticas

39 cultivo, y que viene determinado por la luz en el exterior del reactor (Io), la concentración de biomasa y el camino óptico que debe recorrer la luz dentro del sistema. El adecuado diseño del reactor y de la mezcla o turbulencia en el líquido son aspectos clave para el desarrollo de un sistema de cultivo eficiente. Cualquiera que sea el tipo de reactor empleado, para maximizar su productividad éste debe ser operado en modo continuo, es decir cosechando diariamente un volumen de cultivo y reponiendo el mismo mediante medio de cultivo fresco. Operando de esta forma y manteniendo un volumen de cosechado constante, se alcanza un equilibrio entre la cantidad de microalgas que se retiran del reactor mediante el cosechado y las que se producen en función de las condiciones de cultivo existentes. Esto permite alcanzar un estado estacionario que en teoría se podría mantener de forma ilimitada en el tiempo. La productividad alcanzada en estas condiciones dependerá del volumen cosechado y de cómo las condiciones de cultivo se aproximen a las condiciones de cultivo ideales para la microalga en producción. La velocidad de crecimiento depende de las condiciones de cultivo a las que las células están expuestas dentro del reactor, tales como la concentración de nutrientes (P, N, CO 2 ), la acumulación de productos (O 2 ), el ph, la temperatura y la disponibilidad de luz o irradiancia promedio (Ecuación 1). Para una velocidad de dilución impuesta, D, se alcanza un equilibrio en el sistema cuando la velocidad de crecimiento se iguala con dicha dilución impuesta (Ecuación 2). Dicho equilibrio determina la concentración de biomasa que se alcanza en el sistema, y por tanto la productividad de biomasa que se puede obtener, como el producto de la concentración de biomasa por la velocidad de crecimiento (Ecuación 3). Esta productividad por unidad de volumen puede transformarse en productividad por unidad de superficie conociendo la razón de volumen por unidad de superficie del reactor empelado, V/S (Ecuación 4). (Ecuación 1) (Ecuación 2) (Ecuación 3) (Ecuación 4) μ= f (I av, T, ph, D, O 2, [CO 2 ], [N],[P], etc) μ=d= Q medio fresco /V reactor Pb v = μ C b Pb a =Pb v V/S Producción microalgas en externo La producción de microalgas a gran escala requiere el uso de la luz solar como fuente de energía. Ello implica que se deben emplear reactores externos, es decir expuestos a la luz del sol y operados en condiciones ambientales naturales. En algunos casos se pueden emplear sistemas de protección como invernaderos, que permitan mitigar el efecto adverso de algunos factores ambientales y disponer de un entorno más controlado, sin embargo esto encarece la producción y queda limitado a aplicaciones de la biomasa de alto valor. Los parámetros determinantes de la productividad de cualquier sistema de producción de microalgas se reflejan en la Figura 2 (Molina et al., 1999). Anexo / 39

40 La ubicación geográfica determina la cantidad de radiación solar disponible, así como la temperatura y condiciones climáticas predominantes y sus variaciones anuales. La radiación solar disponible, junto con la geometría del reactor, determinan la disponibilidad de luz en el reactor, la cual junto con el grado de turbulencia o mezcla en el reactor determinan la radiación promedio que cada célula recibe, y por tanto cual puede ser su productividad máxima. Dicha productividad vendrá modulada por como de adecuado sea el control de temperatura en el sistema, así como por otros parámetros como el volumen de cosechado diario, entre otros. Al final, la eficiencia de un sistema de producción de microalgas vendrá determinada por tres factores principales: (i) la ubicación del reactor, (ii) su adecuado diseño, y (iii) su correcta operación. Diseño y orientación Localización geográfica y climática Día del año Dinámica de fluidos Geometría Incidencia de la radiación solar Temperatura Transferencia de masa Perfil lumínico, irradiancia Régimen de luz Concentración de biomasa Índice de crecimiento Productividad de biomasa Figura 2.- Factores determinantes de la productividad de sistemas de producción de microalgas. La Figura 3 muestra el mapa de distribución de radiación solar en la superficie terrestre. Los valores más elevados corresponden a zonas templadas y cálidas del planeta con valores de radiación disponible entre 2000 y 3000 kwh/m 2 año. Como valor medio se puede considerar una radiación solar media diaria de 250 W/m 2 dia. Sin embargo, toda la radiación solar disponible no puede ser totalmente asimilada, por lo que de forma neta solo un 8% de la radiación solar disponible puede 40 / Manual de Buenas Prácticas

41 ser eficientemente utilizada. Si además se tiene en cuenta que se trata de organismos fotosintéticos con periodos de respiración durante la noche y consumo de energía para mantenimiento, al final se concluye que la cantidad máxima de energía que puede ser fijada como biomasa neta es de un 5% (Schenk, et al. 2008). Estos valores de radiación disponible y eficiencia de la fotosíntesis determinan la capacidad máxima de almacenamiento de energía, y por ende, de producción de biomasa que se pueden alcanzar. Así, 250 W/m 2 de radiación solar disponible equivalen a una disponibilidad de energía de 21,6 MJ/m 2 - dia, que con una eficiencia fotosintética del 5% se traducen en una fijación neta de energía química de 1.1 MJ/m 2 día. Considerando un calor de combustión de la biomasa de 20 MJ/kg (20 kj/g) esto supone una productividad máxima de 54 g/m 2 día, o extrapolando a una hectárea, un valor óptimo de 200 t/ha año. Así pues, la primera limitación en la capacidad de producción de microalgas es la disponibilidad de radiación solar. La selección de una ubicación con altas tasas de radiación solar disponible resulta determinante en la capacidad de producción. A esto se debe añadir el efecto de la temperatura. A cada microorganismo le corresponde una temperatura óptima y la ubicación seleccionada debe poseer una temperatura media anual lo más parecida posible a la temperatura óptima del microorganismo, y con las mínimas variaciones tanto diarias como estacionales. Figura 3.- Mapa de distribución de radiación solar y productividad de biomasa en sistemas de producción de microalgas. Producto final Anexo / 41

42 Tecnología de producción de biomasa Una vez definidos los valores máximos alcanzables es necesario tener en cuenta que el lograrlos o no, así como a que coste, depende de la tecnología que se utilice. En este sentido actualmente existen varias líneas de investigación relacionadas con el diseño y operación de reactores, pero en todas ellas hay que tener en cuenta las mismas variables como son la productividad, la concentración de biomasa, y el consumo de energía. De entre las tecnologías disponibles, el reactor raceway es el más utilizado por la amplia experiencia en su diseño y operación. Estos reactores consisten en un canal en forma de carrusel por el que se hace circular el agua mediante un sistema de paletas giratorias o paddlewheel a baja velocidad (Figura 4). La profundidad del cultivo es baja, entre 20 y 40 cm, y la velocidad se reduce a valores de 0,2 m/s para minimizar el consumo de energía. En estos reactores existe un escaso control de las condiciones de cultivo, siendo estas las predominantes en la ubicación geográfica del reactor. Para aislar el cultivo del suelo se instala una lámina de material impermeable aunque en algunos casos los reactores se operan sin esta barrera entre el cultivo y el suelo. Debido al escaso control y la facilidad de contaminación, estos reactores permiten obtener bajas productividades, de aproximadamente 45 t/ha año, quedando limitados para la producción de microalgas de ambientes extremófilos como Spirulina y Dunaliella. 42 / Manual de Buenas Prácticas

43 El diseño de los reactores raceway está siendo actualmente revisado, con el fin de mejorar su eficiencia y productividad. En este sentido, se ha puesto de manifiesto que el incorrecto diseño de los accidentes como curvas y tabiques deflectores, puede perjudicar enormemente el consumo de energía en estos reactores y dificultar la correcta circulación y mezcla del cultivo (Mendoza et al., 2013a). La disponibilidad de luz en las capas bajas de estos cultivos es muy reducida, lo que a su vez reduce la productividad del cultivo ya que las células en estas zonas no son productivas. Por último, se ha demostrado que la capacidad de intercambio de gases de estos reactores es también muy baja, lo que provoca por un lado la acumulación del oxígeno generado durante la fotosíntesis, y por otro dificulta el aporte de CO 2 al cultivo (Mendoza et al., 2013b). Ambos factores reducen la capacidad de fotosíntesis del cultivo y por ende su productividad. Como alternativa a estos sistemas abiertos se han desarrollado sistemas cerrados que disponen de una barrera física entre el cultivo y el medio que le rodea, usualmente mediante láminas de materiales plásticos transparentes como polietileno o polimetilmetacrilato. De este tipo son tantos las columnas de burbujeo como los reactores planos verticales y los reactores tubulares (Figura 5). Las columnas de burbujeo se emplean principalmente para pequeñas producciones y para mantenimiento de inóculos, mientras que los reactores verticales planos están aún en desarrollo para su aplicación a gran escala. En el caso de los reactores tubulares si existen ya instalaciones comerciales dedicadas a producir biomasa de alta calidad para aplicaciones en nutrición humana y nutracéutica. Figura 4.- Imagen de reactores raceway a gran escala para la producción de microalgas. Anexo / 43

44 Figura Imagen de reactores cerrados para la producción de microalgas. La primera variable a la hora de seleccionar el reactor más adecuado es el consumo de energía. Hasta ahora los estudios realizados han reflejado el elevado consumo de energía en los sistemas de cultivo desarrollados planteándose casi en exclusiva el uso de reactores raceway como opción energéticamente positiva (Huesemann and Benemann 2009; Rodolfi, et al. 2009). En este sentido, es evidente que dicho consumo no puede ser superior a la cantidad máxima de energía que es posible fijar y que se ha cuantificado en 1.1 MJ/m 2 dia. Por tanto, si se establece un autoconsumo de energía como máximo igual al 20% de dicha fijación neta de energía se observa que en función del tipo de reactor es posible operar con varios diseños de reactores. La Figura 6 muestra como en función del diseño de reactor considerado, es decir la relación volumen por unidad de superficie, al aumentar el consumo de energía por unidad de volumen (W/m 3 ) el consumo de energía por unidad de superficie (W/m 2 ) se incrementa de forma lineal, aumentando de forma más pronunciada en aquellos diseños de mayor volumen de cultivo por unidad de superficie. Energy uptake, MJ/m 2 day 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Maximum photosynthetic efficiency (5%) V/S= 25l/m 2 V/S= 50l/m 2 V/S= 75l/m 2 V/S= 100l/m 2 V/S= 150l/m 2 V/S= 200l/m 2 Selfuptake of energy in the process (20%) Figura 6.- Influencia del diseño de reactor y consumo especifico de energía en el consumo neto de energía para la producción de microalgas. 0, W/m W/m Energy uptake, W/m 3 44 / Manual de Buenas Prácticas

45 Estos resultados muestran como reactores de gran volumen por unidad de superficie, tipo raceway, deben operar con consumos de potencia inferiores a 15 W/m 3 para mantenerse por debajo del autoconsumo permitido del 20% de la fijación máxima de energía alcanzable, mientras que en reactores de pequeño volumen por unidad de superficie este consumo de energía puede aumentar hasta más de 100 W/m 3, manteniéndose a pesar de ello por debajo del autoconsumo permitido. Biomass productivity., g/l day Maximum photosynthetic efficiency (5%) Biomass productivity, g/l day Biomass productivity, g/m 2 day Biomass productivity., g/m 2 day Figura 7.- Influencia del diseño de reactor en la productividad máxima alcanzable, para una eficiencia fotosintética del 5%, para la producción de microalgas en climas templados V/S ratio, L/m 2 La relación volumen por unidad de superficie del reactor, determina además la productividad y concentración de biomasa máxima alcanzables en el cultivo. Así, si se tiene en cuenta que la productividad máxima por unidad de superficie está fijada por la radiación solar disponible y la eficiencia de la fotosíntesis considerada, en un valor de 54 g/m 2 día, la relación volumen por unidad de superficie determina la productividad volumétrica que es necesario obtener para alcanzar dicha productividad máxima por unidad de superficie. La Figura 7 refleja como en los reactores de mayor volumen por unidad de superficie (200 l/m 2 ) la productividad volumétrica debe ser igual o superior a 0,27 g/l día mientras que en los reactores de menor relación volumen por unidad de superficie (25 l/m 2 ) la productividad volumétrica debe ser igual o superior a 1,7 g/l día. Entre estos dos valores extremos se observa una variación hiperbólica de la productividad volumétrica de biomasa con la disminución de la relación volumen por unidad de superficie del reactor. En los reactores raceway la productividad máxima considerada como alcanzable media anual se estima en 20 g/m 2 día (Borowitzka 1999), mientras que en reactores cerrados se han referenciado productividades de hasta 47 g/m 2 día (Chisti 2007), aunque se han referenciado productividades de hasta 100 g/m 2 día, por encima de las teóricamente alcanzables (Pulz 2007). La productividad de biomasa máxima se obtiene operando en continuo de forma estable durante todo el año, a la velocidad de dilución óptima. Aunque la velocidad de dilución óptima puede va- Anexo / 45

46 riar en función del microorganismo, condiciones de cultivo y época del año, resulta evidente que para maximizar la producción de biomasa se deben seleccionar cepas de rápido crecimiento, con velocidades específicas máximas no inferiores a 0,8 día-1. Teniendo en cuenta que la velocidad de dilución óptima recomendada para la producción en continuo de cualquier microorganismo está entre el 50-70% de dicha velocidad de dilución, y considerando el valor más conservador del 50%, se obtiene que dicha velocidad de dilución óptima debe ser de aproximadamente 0,4 día-1. A partir de este valor se puede estimar tanto la concentración de biomasa en estado estacionario como otros parámetros relevantes como son el volumen total de cultivo y el volumen de cosechado diario, ambos determinantes tanto del coste de la instalación, como de su consumo energético. La Figura 8 muestra como al disminuir la relación volumen por unidad de superficie la concentración de biomasa de estado estacionario aumenta, desde 0,7 g/l hasta 4,2 g/l para 200 l/m 2 y 25 l/m 2 respectivamente. Por el contrario, el volumen de cultivo y de cosechado a procesar por cada kilo de biomasa producida aumentan con la relación volumen por unidad de superficie. Para el menor valor analizado, de 25 l/m 2, el volumen de cultivo requerido para producir 1 kg/día es de 590 l siendo necesario procesar un total de 240 l de cosechado. Para el mayor valor analizado, de 200 l/m 2, el volumen de cultivo requerido para producir 1 kg/día es de l siendo necesario procesar hasta l de cosechado para producir un kilo de biomasa al día. Este mayor volumen de cultivo incide de forma directa en los costes del reactor así como de su operación, mientras que el volumen de cosechado repercute en el tamaño y coste de operación de los equipos tanto de preparación de medio de cultivo como de cosechado y concentración de la biomasa. Por tanto, ambos inciden en el coste de producción de la biomasa. Figura 8.- Influencia del diseño de reactor en la concentración de biomasa de estado estacionario y volumen de cultivo y cosechado por unida de masa, para la producción de microalgas en climas templados. Biomass productivity., g/l day Biomass concentration Harvest volume Culture volume , ,778 1,111 3,704 1, Volume, L/kg V/S ratio, L/m 2 46 / Manual de Buenas Prácticas

47 Coste de producción de biomasa Para estudiar el coste de producción de la biomasa, utilizando las diferentes tecnologías de cultivo, se ha partido del caso de una planta de producción de microalgas en fotobiorreactores tubulares, ubicada en Almería y perteneciente a la Fundación CAJAMAR. En esta planta se produce biomasa de Scenedesmus almeriensis, una microalga dulceacuícola de elevado crecimiento y tolerancia a factores ambientales (ph y temperatura). Esta planta presenta una elevada productividad pero también alto consumo energético debido al uso de bombas centrífugas para la impulsión del cultivo, y al diseño modular de la instalación. Para estimar el coste de producción en dicha instalación se ha utilizado la metodología de los factores de Lang partiendo del coste de los equipos principales para establecer el capital inmovilizado, así como el coste de los reactivos, servicios y mano de obra necesarios para la operación de la planta. El diagrama de bloques del proceso instalado se muestra en la Figura 9. Figura 9.- Diagrama de bloques del proceso empleado en la planta de producción de microalgas ubicada en la Estación Experimental de la Fundación Cajamar, en Almería, España. Agua Nutrientes Medios culturales Limpieza por filtración /ozonización CO 2 Fotobiorreactores Deshidratación de microalgas mediante liofilización Producto final Tomando como base los parámetros de operación mostrados en la Tabla 1, se ha puede estimar que los equipos principales considerados suponen un total de 330 k (Tabla 2), pero a ello hay que sumar todos los costes de instalación de los mismos, así como tuberías, electricidad, terrenos, ingeniería, contratistas e imprevistos. Haciendo uso de los factores referenciados para procesos basados en microalgas (Molina Grima, et al. 2003) se obtiene un total de capital inmovilizado de 972 Anexo / 47

48 k (Tabla 3). A partir de esta valor, y considerando un periodo de amortización de 10 años, se estima de forma lineal una amortización de 110 k al año (Tabla 4), a los que hay que sumar los costes de consumibles, servicios y mano de obra (Tabla 5). Estos costes suman un total de 132 k, por lo que en total los costes de producción ascienden a 242 k al año. Dividiendo estos costes entre la capacidad de producción se obtiene el coste unitario por kilogramo de biomasa, siendo este de 58 /kg. Estos valores estimados corresponden con los valores reales determinados durante la operación de dicha planta, lo que verifica la bondad de la metodología de estimación de costes utilizada. Tabla 1.- Parámetros de diseño y operación de la planta considerada para el estudio económico. DATOS DE PARTIDA Ratio V/S 0,075 m 3 /m 2 Índice de dilución 0,340 l/day Productividad de biomasa 0,420 g/lday Concentración de biomasa 1,260 g/l Periodo de operación 360 day/annun Tiempo de trabajo 10 h/day Capacidad de producción de biomasa 4,580 t/year Índice de flujo de aire 0,100 v/v/min Consumo de potencia 15,000 kwh/m 3 day Volumen total cultural 30,000 m 3 Superficie total cultural 0,040 ha Tabla 2.- Relación de equipos principales y coste para la planta considerada para el estudio económico. EQUIPOS Y COSTES ( ) Concepto Capacidad Coste /und. Nº unidades Total coste Medium preparation unit (4m 3 /h) 4,0 m 3 /h Sterilization process (2m 3 /h) 2,0 m 3 /h Air blower (200 m 3 /h) 200,0 m 3 /h , Photobioreactors (3m 3 ) 3,0 m Sedimenter (2,5m 3 /h) 2,5 m 3 /h Harvest storage tank (1 m 3 ) 1,0 m Decanter (4 m 3 /h) 4,0 m 3 /h Harvest pump (2m 3 /h) 2,0 m 3 /h CO 2 supply unit (4 kg/h) 4,0 Kg/h Freeze-dryer and storage (70 kg/day) 70,0 Kg/día Total ( ) / Manual de Buenas Prácticas

49 Tabla 3.- Capital inmovilizado para la planta considerada para el estudio económico. CAPITAL INMOVILIZADO Concepto Factor Coste Major purchased equipment Installation costs Instrumentation and control Piping Electrical Buildings ,50 Yard improvements Service facilities Land Engineering and supervision Construction expenses ,88 Contractor s fee ,94 Contingency ,87 Total fix capital ,18 Tabla 4.- Costes de amortización para la planta considerada para el estudio económico. Concepto Factor Coste Vida útil 10 Depreciation ,92 Property tax (@ 0,01 depreciation) 0, ,69 Insurance (@ 0,006 depreciation) 0, ,61 Purchase tax (@ 0,16 of items 1-12/10) 0, ,59 Total capital amortizado por año ,81 Anexo / 49

50 Tabla 5.- Costes de operación para la planta considerada para el estudio económico. Materias primas Unidades /und. Cost, Fertilizantes (kg) , ,80 Dióxido de carbono (kg) , ,54 Medios de producción Unidades /und. Cost, Agua (m 3 ) ,10 367,20 Consumo eléctrico (Kwh) , ,20 Labores y otros Unidades /und. Cost, Labores Supervisión (@ 0,2 labor) 0, nóminas (@ 0,25 (labor + supervisión)) 0, Mantenimiento (@ 0,04 MEC) 0, ,8 Suministros de producción (@ 0,004 items 1-5) 0, ,3 8,73 Gastos generales de la planta 0, , ,96 (@ 0,55 (labores +supervisión +mantenimiento) Tax (@ 0,16 conceptos 1-7, 11 and 12) 0, ,76 Contingencias (@ 0,05 conceptos 1-7) 0, , ,31 Marketing (@ 0,05 conceptos 1-13) 0, , ,87 Total materias primas 4.466,34 Total medios de producción ,40 Total labores y otros ,43 Sin embargo, lo más interesante de este cálculo no es el valor final obtenido en sí, sino la propia metodología de determinación usada, que permite identificar cuáles son los factores que más contribuyen al coste y por tanto los que primero deben ser reducidos, así como que se trata de una metodología aplicable a cualquier otro escenario por lo que puede ser utilizada para estimar el coste de producción en diferentes sistemas de cultivo o condiciones. En cuanto a la identificación de los factores de coste más importantes la Figura 10 muestra como la mano de obra y la amortización del capital inmovilizado son las partidas de gasto más importantes, y por tanto las primeras que deben ser reducidas. La reducción de la mano de obra no puede hacerse si no es a través de una automatización y simplificación de la instalación. En condiciones de producción la mano de obra suficiente para operar dicha planta es de 1 persona, por lo que el coste de producción se reduce a 31,3 /kg pasando a ser la partida mayoritaria la correspondiente a la amortización del capital inmovilizado. Para reducir la partida de capital inmovilizado se analiza el coste de los diferentes equipos observándose como los fotobiorreactores, el liofilizador y la centrifugación son los que mayoritariamente afectan a este 50 / Manual de Buenas Prácticas

51 Figura 10.- Distribución de costes para la planta de producción de microalgas ubicada en la Estación Experimental de la Fundación Cajamar, en Almería, España. Porcentaje sobre el coste total 4,6 t/año; costes de producción: 58 /Kg 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% Depreciación Materias primas Medios de producción Labores Serie 1 79,70% 9,80% 2,40% 8,10% coste. La etapa de liofilización se puede eliminar considerando como producto final obtener un lodo con un 20% en peso de biomasa, que es el valor máximo alcanzable con centrifugas continuas comerciales. La etapa de centrifugación se debe minimizar incorporando una etapa previa de floculación decantación que permita pasar de la concentración de cultivo a un valor de alrededor del 1% en peso de biomasa, que es el valor de referencia para los sedimentadores comerciales. Para reducir el coste de los fotobiorreactores y resto de equipos se puede considerar el aumento de escala que repercute en una reducción general. Para determinar el coste de los equipos principales al aumentar de escala se ha considerado un factor exponente de 0,85, considerándose un aumento máximo de escala igual a 10 veces el considerado inicialmente, aumentándose a partir de aquí el número de unidades necesarias. Considerando una producción de 200 t/año, para la que es necesaria una superficie de 1,5 ha, y aplicando estas modificaciones se obtiene un coste de producción de 9,9 / kg, el 75% del cual corresponde a la amortización necesaria por el elevado coste de los fotobiorreactores que representan el 80% del coste de los equipos principales (Figura 11). Figura 11.- Distribución de costes en condiciones de mayor escala y simplificación del proceso. Planta de producción de microalgas de la Estación Experimental de la Fundación Cajamar, (Almería, España). Porcentaje sobre el coste total 200 t/año; costes de producción: 9,9 /Kg 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% Depreciación Materias primas Medios de producción Labores Serie 1 79,70% 9,80% 2,40% 8,10% Anexo / 51

52 Para continuar disminuyendo el coste de producción es necesario sobre todo minimizar el coste de reactor, y adicionalmente disminuir los costes de materias primas y mano de obra. Un análisis de sensibilidad permite demostrar que la utilización de reactores con un coste inferior a 0.1 /L permite reducir el coste de producción a 2.1 /kg, pero que dicho coste se puede reducir aún más, hasta los 1.4 /kg si se emplean CO 2 de gases de combustión, libres de coste. Para reducir aún más el coste de producción de la biomasa es preciso también reducir la mano de obra empleada en el proceso mediante el uso de sistemas más automatizados. Con ello se puede bajar el coste de producción a 1.0 /kg. Finalmente, eliminando la utilización de fertilizantes como nutrientes y sustituyéndolos por aguas residuales ricas en nutrientes (Olguín, 2003; Muñoz et al., 2005) es posible reducir aún más el coste de producción hasta 0.4 /kg, y adicionalmente aumentar la sostenibilidad del proceso por la reducción de emisiones de CO 2 asociadas a la producción de fertilizantes, así como la recuperación de nutrientes contenidos en el agua residual. Conclusiones Aunque las potenciales aplicaciones de las microalgas son muy amplias, éstas quedan restringidas actualmente a productos de alto valor. Para ello se emplean tanto reactores abiertos como cerrados en función del producto final deseado. El grado en que tales reactores permitan controlas las variables de operación en los valores óptimos para cada microalga determina la productividad del sistema. Es por ello que el diseño de estos reactores está siendo revisado y mejorado, con el fin de incrementar la productividad de estos sistemas. Del análisis de la radiación solar disponible y de como esta se puede transformar en biomasa, mediante un balance de energía, se puede concluir que la productividad máxima alcanzable por este tipo de cultivos es de 194 t/ha año en climas templados aunque los valores más altos referenciados han sido de 130 t/ha año y sólo han sido demostrados a pequeña escala. Por tanto existe margen de mejora en la tecnología de producción para poder aproximarse a los valores máximos alcanzables. El análisis de costos demuestra que el costo del reactor y su volumen son determinantes en el coste final de producción. Sólo reactores a gran escala y con alto grado de automatización pueden permitir reducir el coste de producción por debajo de 10 /kg. Para reducir este coste a valores inferiores a 1 /kg es necesario no solo trabajar a gran escala en procesos simplificados, sino emplear efluentes industriales como nutrientes, lo que además permite incrementar la sostenibilidad del proceso Agradecimientos Este trabajo ha sido realizado con el apoyo del proyecto CO 2 ALGAEFIX, y Junta de Andalucía (Plan Andaluz de Investigación, BIO 173). Especial agradecimiento a la Fundación Cajamar. 52 / Manual de Buenas Prácticas

53 Técnicas de procesado de la biomasa algal, filtración tangencial Ricardo Galindo Rojo. Pall España S.A.U La retirada de agua de los cultivos de microalgas y consecuente concentración de la biomasa algal, ha sido identificada como uno de los cuellos de botella para el uso de las microalgas para determinadas aplicaciones, como puede ser la obtención de aceites para la producción de biodiesel, siendo necesaria una tecnología con bajo consumo energético, que permita un manejo fácil del agua y nutrientes y que sea fácilmente escalable. Los sistemas mayoritariamente empleados hasta el momento, como la centrifugación, coagulación, sedimentación, flotación o filtros prensa, pueden presentar problemas de fiabilidad, escalado y costes de operación. Comparando los sistemas de filtración tangencial basados en membranas, con los sistemas convencionales, se puede resaltar su alta fiabilidad al ser sistemas completamente monitorizables, escalables fácilmente, de bajo consumo energético y no requiriendo el uso de productos adicionales para concentrar. Igualmente el agua filtrada podrá ser reutilizada, prácticamente sin tratamientos adicionales, en caso que sea necesaria su reutilización. Para obtener las máximas ventajas de un sistema de filtración tangencial se ha de seleccionar las membranas adecuadas, en función del producto que se vaya a tratar y se ha de operar en condiciones de operación óptimas. Igualmente es fundamental seleccionar la configuración del equipo y el modo de operación más adecuado de los múltiples posibles, concentración por batch puro, alimentación en continuo, alimentación y purga de concentrado en continuo, etc. Como se ha indicado, es fundamental seleccionar el tipo de membrana y el tamaño de poro adecuado. Hay numerosos ensayos de laboratorio donde se ha observado que el empleo de membranas de microfiltración de fibra hueca y tubular (figura 4.1) de 0,1 o 0,2 micras, son el tipo y micraje adecuado para conseguir una operación óptima, en términos de costes de operación, al minimizarse la pérdida de permeabilidad de la membrana. Figura 4.1. Membranas de fibra hueca y tubulares. Cortesia de Pall Corporation Anexo / 53

54 El caudal de filtrado o permeado a través de una membrana se ve afectado por varios parámetros (figura 4.2) como son la velocidad tangencial (CF), presión transmembrana (TMP), viscosidad (a su vez función de la temperatura y concentración del soluto), permeabilidad de la membrana, torta y capa de gel o polarización. Los procedimientos de mantenimiento de permeabilidad empleados (retrolavado, flushing, limpiezas químicas, etc) también afectan al caudal de permeado. El caudal de permeado obtenido por membrana así como la selección de los parámetros óptimos, tendrá una influencia directa en el consumo energético del sistema y en los costes operativos. CAUDAL FILTRADO Región controlada por la membrana Zona óptima CF= Velocidad tangencial Región controlada por la capa de gel CF 3 CF 2 CF 1 CF 3 > CF 2 > CF 1 Figura 4.2. Relación caudal de filtrado con resto parámetros. El cosechado de los cultivos de microalgas varía de 0,1 a 0,5 g/l, para el caso de canales abiertos, hasta 0,5 a 2 g/l para el caso de fotobiorreactores. La retirada del agua de estos cultivos es un proceso complicado, ya que el tamaño de las microalgas varía de 3 a 50 micras y tienen una diferencia de densidad con respecto al agua muy pequeña. Adicionalmente determinados tratamientos pueden producir la rotura de la pared celular de las microalgas, produciendo una liberación de lípidos lo que crearía emulsiones difíciles de separar. Por otro lado la viscosidad del concentrado obtenido es variable, estando directamente relacionada con el tipo de microalgal que se esté procesando. A modo de ejemplo hay casos en los cuales a 40 g/l de concentración las viscosidades pueden ser 3,6 o 68 cp, las mismas microalgas a 100 g/l tienen viscosidades de 26, 35 y >2000 cp. Esta diferencia en la viscosidad para un mismo valor de concentración, según el tipo de microalgal, determinará la concentración máxima a obtener con cada tipo de membrana. Hasta un máximo en torno a 20 cp se pueden emplear membranas de fibra hueca con sección interior de fibra de 1,5 mm, para viscosidades mayores hasta de 200 cp se puede emplear membranas de fibra hueca con 3 mm de sección interior, finalmente para viscosidades mayores a cp se han de emplear membranas tubulares con sección interior en torno a 6 mm. 54 / Manual de Buenas Prácticas

55 Para optimizar el consumo energético, puede ser necesario el empleo de una primera etapa con membranas de fibra hueca de 1,5 mm de sección interior de fibra, donde dependiendo de la concentración inicial y final se retiraría del 96 al 99,5 % del volumen de agua presente en el cultivo (factor de concentración volumétrico de 25 y 200 respectivamente) y por consiguiente donde se emplea prácticamente la totalidad de la energía y posteriormente en una segunda etapa se emplearían membranas con mayores secciones de paso. A modo de ejemplo, con una velocidad tangencial de 0,7 m/s, una TMP de trabajo de 1,2 bar y una concentración inicial en el cultivo de 0,5 g/l, para alcanzar un concentrado de 60 g/l, se pueden obtener consumos energéticos inferiores a 0,5 kwh/m 3, en una sola etapa, retirándose en esta etapa el 99,17 % del agua presente en el cultivo. Para llegar hasta 100 g/l puede ser necesaria una segunda etapa, siendo en este caso el consumo energético 0,6 kwh/m 3, retirándose en este caso el 99,5% del agua presente en el cultivo original. Finalmente se ha de indicar, que debido al elevado número de microalgas en estudio, para poder optimizar la operación de un sistema de concentración por membranas, es recomendable realizar en una primera fase, un estudio típico de filtración tangencial, en el cual se valora el caudal de permeado obtenido frente a diferentes velocidades tangenciales y a su vez a diferentes presiones transmembrana, evaluando igualmente la idoneidad o no del empleo de sistemas de mantenimiento de caudal de permeado, como por ejemplo el retrolavado y evaluando igualmente la eficiencia de los tratamientos de limpieza química. Anexo / 55

56 Técnicas de procesado de la biomasa microalgal: floculación Erika Yuliana Ortiz Montoya. Algaenergy. S.A. Las microalgas son capaces de convertir, por medio de la fotosíntesis, el carbono inorgánico proveniente del CO 2 en compuestos de elevado interés para el hombre como es la materia prima precursora de los biocombustibles de 2ª generación y otros productos de alto valor añadido para la industria alimentaria, farmacéutica, agrícola o cosmética, motivo por el cual han generado un notable interés entre los centros de investigación y las industrias en los últimos años. AlgaEnergy como empresa de base tecnológica del sector de la biotecnología de microalgas y con potentes programas de I+D, ha llevado a cabo diferentes investigaciones en el proceso de concentración de la biomasa obteniendo excelentes resultados. Una breve descripción de estos procesos se hace a continuación. La producción de microalgas comprende tres etapas principales, que se representan en la figura 5.1.: i. Cultivo en fotobioreactores (tubulares, raceways, open ponds y flat panel, entre otros); ii. Cosechado y concentración inicial; iii.procesado final y estabilización de la biomasa Cultivo de microalgas % materia seca ( g/l) Cosechado inicial 2-10% materia seca ( g/l) Procesado final Espesamiento 15-20% materia seca ( g/l) Figura 5.1. Proceso general de producción de biomasa de microalgas. Los procesos de cosechado y concentración constituyen uno de los principales cuellos de botella en los sistemas de producción de biomasa de microalgas a gran escala, entre otras razones porque el peso de esos procesos vienen a representar entre el 20% y el 30% del coste total de producción. Los sistemas comerciales utilizan principalmente la centrifugación como proceso de concentración, pero esa es una operación costosa y en todo caso, únicamente válida para productos de alto valor. A continuación se detallan los diferentes procesos convencionales de concentración de biomasa microalgal, haciendo especial énfasis en la floculación, que permite una alta recuperación de biomasa con costes de operación bajos. 56 / Manual de Buenas Prácticas

57 Centrifugación Es el proceso más ampliamente implementado, debido a que la mayoría de las especies de microalgas se pueden aislar mediante ese procedimiento, consistente en separar la materia sólida (biomasa) del líquido (medio de cultivo) al tener diferentes densidades, aplicando una fuerza centrífuga. Este procedimiento permite además obtener biomasa de buena calidad, con periodos largos de vida útil que son de gran interés, por ejemplo, para el sector de la acuicultura. Tiene como desventaja el alto consumo de energía especialmente cuando se deben procesar volúmenes grandes. Floculación Proceso en el que una partícula en solución forma un agregado llamado flóculo. La dificultad de separar los cultivos de microalgas (medio de cultivo/células) se debe en gran parte a la estabilidad de las suspensiones gracias a las fuerzas que interactúan entre partícula-partícula y partícula-agua. El cosechado por floculación es más conveniente y menos costoso que otros procesos cuando se deben tratar grandes volúmenes de cultivo. Autofloculación La autofloculación es la formación espontánea de flóculos y su separación del medio como resultado de un aumento del ph debido al consumo de CO 2 y a la precipitación de algunas sales. El proceso puede tener grandes variaciones en resultados dependiendo de la especie y las condiciones de cultivo. Floculantes inorgánicos y polielectrolitos: Con el fin de reducir o neutralizar la carga de la superficie en las células y lograr la formación de flóculos, son usadas diferentes sales. La floculación mediante floculantes inorgánicos es ampliamente utilizada en el tratamiento de aguas residuales pero no es apta para la concentración de biomasa para uso en acuicultura y otros usos específicos. En el caso de los polielectrolitos (polímeros), los más adecuados debido a la carga negativa de la superficie de las células de microalgas, son los polielectrolitos catiónicos, que además de reducir o neutralizar la carga de la superficie en las células, pueden vincular entre sí diferentes partículas mediante un puente. La adición de polímeros de alto peso molecular que formen puentes fácilmente, puede aumentar aún más el tamaño flóculo y mejorar la separación de la biomasa. Como principal desventaja se encuentra que puede no ser suficiente como único proceso de concentración, pero se ve compensado al permitir procesar grandes volúmenes de cultivo y permitir separar la mayoría de especies de microalgas. El coste residual de separación se ve así minimizado. Sedimentación La sedimentación por gravedad es una separación sólido-líquido que resulta en un lodo de concentración mayor y un efluente clarificado. La sedimentación se puede llevar a cabo en tanques simples o con lamelas, y es un proceso complementario a la floculación. Anexo / 57

58 Electroforesis Las microalgas se comportan como partículas coloidales y pueden ser separadas del medio acuoso por el movimiento en un campo eléctrico. Electrocoagulación Los electrodos producen iones metálicos que inducen la coagulación de la biomasa microalgas (formación del coagulante, desestabilización de las partículas, agregación y formación de flóculos) Electroflotación Similar a la electrocoagulación, si bien en este caso el cátodo está hecho de un metal inactivo que genera burbujas de hidrógeno mediante la electrólisis del agua y dichas burbujas se adhieren a los flóculos llevándolos a la superficie. Electrofloculación Se basa en el movimiento de las células de microalgas cargadas negativamente hacia el electrodo positivo. Las células al llegar al electrodo positivo (ánodo) pierden su carga y forman agregados. 58 / Manual de Buenas Prácticas

59 Aplicaciones de las microalgas para depuración de aguas José Antonio Perales Vargas-Machuca. Dept. Tecnologías del Medio Ambiente. Facultad de Ciencias del Mar y Ambientales. Universidad de Cádiz. Ya hace más de tres lustros desde que se publicase el trabajo del químico agrónomo alemán Justus von Liebig (von Liebig, 1855), donde se postulaba que el crecimiento de las plantas puede verse limitado por los nutrientes presentes en el medio al hallarse éstos en cantidades inferiores a las demandadas para su crecimiento; esta teoría es conocida como la Ley del Mínimo de Liebig. Esta limitación de la producción de biomasa por falta de nutrientes no se circunscribe solo a ecosistemas terrestres. El suministro de nitrógeno (N) y fósforo (P) también tiene serias consecuencias en el crecimiento de algas y plantas vasculares en ecosistemas acuáticos tanto continentales como marinos (Smith, 1998). La eutrofización es el proceso natural de envejecimiento de los ecosistemas acuáticos. El término fue formalmente utilizado principalmente en referencia a la evolución natural de los lagos donde un lago grande, profundo y pobre en nutrientes finalmente se transforma en un sistema más rico en nutrientes, más productivo y biodiverso que lentamente se va rellenando hasta convertirse en un estanque y luego en un pantano. Más recientemente, el término está siendo empleado para referirse a la eutrofización acelerada de lagos, ríos, estuarios y aguas costeras, donde el proceso de eutrofización natural ha sido adelantado en cientos o miles de años, por las actividades humanas que han introducido altas cargas de nutrientes al sistema. (Burkholder, 2000). En el quinto informe sobre Perspectivas del Medio Ambiente Global (GEO-5) del Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP, 2012), la eutrofización es considerada como - un continuo y generalizado problema para la calidad del agua -. En este informe se indica como la exportación de nutrientes desde áreas continentales a zonas costeras ha aumentado casi un 15% desde 1970, contribuyendo el sur de Asía casi la mitad de este aumento (Seitzinger et al., 2010). Desde 1970, el incremento de productividad bruta de algas y macrófitas en lagos ha sido del 74% (Lewis, 2011). Asimismo, desde 1990 se ha producido un dramático incremento del número de áreas costeras eutróficas (UNEP, 2012). Investigadores que estudian la contaminación por nutrientes provenientes de fuentes difusas (por ejemplo, las escorrentías agrícolas o la deposición atmosférica), han determinado que los niveles de nutrientes en el medio estaban con más frecuencia influenciados por efluentes de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) que por fuentes difusas (Ahearn et al.2005; Popova et al., 2006). Los efluentes de estas EDARs pueden convertirse en una fuente aún más importante entre las que contribuyen a aumentar los flujos másicos antrópicos de nutrientes en el medio acuático, en la medida en que se desarrollan buenas prácticas para reducir las fuentes difusas de contaminación Anexo / 59

60 por nutrientes, como por ejemplo el control de las emisiones de óxidos de nitrógeno en los procesos de combustión o en la aplicación de fertilizantes en agricultura (Lynch y Corbett, 1990; Park et al., 1994; Ice, 2004). Van Dretch et al. (2009), utilizando proyecciones específicas para cada país de crecimiento económico, demográfico, urbanístico, de desarrollo de los sistemas de saneamiento e instalaciones de tratamiento de aguas residuales, han estimado un rápido incremento en las emisiones de nitrógeno y fósforo en el mundo, procedentes de las aguas residuales. Así, los datos que muestran en su trabajo predicen un incremento de los flujos másicos desde 6,4x10 6 y 1.3x10 6 toneladas anuales de N y P respectivamente en 2000 a x10 6 y x10 6 toneladas anuales de N y P respectivamente en En los países en desarrollo, el nitrógeno y fósforo proveniente de aguas residuales se prevé que aumente en un factor de entre 2,5 a 5,5 entre 2000 y Especialmente rápido (4 a 6 veces) es el incremento de estos flujos másicos de nutrientes procedentes de redes de saneamiento en el sur y este de Asia. A medida que se construyen redes de saneamiento para convertir la contaminación por aguas residuales de una fuente difusa en una fuente puntual y EDARs para evitar el vertido de estas aguas sin tratar, resultan cruciales los esfuerzos para minimizar las concentraciones de nitrógeno y fósforo en los efluentes al objeto de proteger los ecosistemas acuáticos de una carga excesiva de nutrientes y en consecuencia de una eutrofización acelerada. Al objeto de garantizar la protección de las aguas naturales frente al sobre-enriquecimiento en nutrientes, los países cuentan con diferentes normativas orientadas a regular tanto el vertido de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas como al establecimiento de criterios de calidad del medio acuático natural. Así, por ejemplo, en Estados Unidos, para restaurar y mantener la integridad química, física, y biológica de las aguas naturales se promulgó en 1972 la Federal Water Pollution Control Act (FWPCA. 2002). En Europa, la norma homóloga sería la Directiva Marco del Agua (DMA) (Directiva 2000/60/CE), si bien hay que destacar también las Directivas 91/271/EEC y 98/15/EEC, relacionadas con la canalización, el tratamiento y vertido de aguas residuales urbanas, en la que se establecen límites para las concentraciones de nitrógeno y fósforo en los efluentes de las EDARs urbanas (Tabla 1). Estas y otras normativas en otros países, implican el tener que aumentar la eficiencia de los procesos de eliminación de nutrientes en las EDARs, pero la correspondiente infraestructura necesaria para producir efluentes con concentraciones bajas puede ser económica y ambientalmente muy costosa. Tabla 1. Valores límites de vertido para nitrógeno y fósforo en estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas, de acuerdo con la directiva 98/15/EEC Concentración (mg L -1 ) a h-e > h-e Porcentaje de eliminación Fósforo total % Nitrógeno total % 60 / Manual de Buenas Prácticas

61 La mayoría de las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales urbanas, se basan en una combinación de procesos físicos y biológicos diseñados principalmente para reducir el contenido en sólidos en suspensión y materia orgánica de las aguas residuales, esto es para alcanzar un nivel de tratamiento secundario de las aguas. Pero estas plantas presentan unos rendimientos típicos de eliminación de nitrógeno y fósforo muy bajos, por lo que si se precisa una reducción de la concentración de estos nutrientes en el efluente es necesario utilizar tratamientos avanzados específicos para eliminarlos (Tabla 2) Tabla 2. Rendimientos típicos de eliminación de nitrógeno total y fósforo total de diferentes niveles o tecnologías de tratamiento de aguas residuales. OPERACIÓN O PROCESOS DE TRATAMIENTO ELIMINACIÓN DE FÓSFORO (%) Tratamiento Convencional Primario Secundario 8-25 Tratamientos avanzados Eliminación biológica de fósforo (proceso independiente) Eliminación química (Precipitación) OPERACIÓN O PROCESOS DE TRATAMIENTO ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO (%) Tratamiento Convencional Primario 5-10 Secundario Tratamientos avanzados Procesos biológicos de Nitrificación Desnitrificación Procesos químicos: Cloración de breakpoint Los tratamientos adicionales necesarios para reducir la concentración de nutrientes, a menudo implican importantes modificaciones en el proceso biológico para la eliminación del nitrógeno solamente o conjuntamente con el fósforo y/o la inclusión de un tratamiento químico para la precipitación del fósforo. Los procesos de eliminación biológica del nitrógeno se basan en una nitrificación del amonio y el nitrógeno orgánico contenido en el agua residual mediante procesos biológicos aerobios seguido de un proceso de desnitrificación llevado a cabo también en un reactor biológico pero bajo condiciones anóxicas, el cual precisa una fuente de carbono, lo cual se consigue en algunos casos adicionando metanol (P. ej. Proceso Bardenpho de cuatro etapas, Figura 6.1 a) o recirculando parte del efluente del reactor aerobio (por ejemplo, el Proceso modificado de Ludzack-Ettinger, Figura 6.1. b). También es posible la eliminación del nitrógeno en su forma amoniacal por cloración o por arrastre con una corriente de aire previa subida del ph del agua residual. En el caso del fósforo, las tecnologías de eliminación más frecuentes incluyen la eliminación biológica, para lo cual es precisa una secuencia de procesos biológicos aerobios y anaerobios, los cuales pueden ser independientes o estar combinados con los procesos biológicos de eliminación del nitrógeno (P. ej., el proceso Bardenpho). También es posible la precipitación química de los fosfatos contenidos en el agua residual por adición de sales metálicas. Anexo / 61

62 Figura 6.1. Procesos biológicos avanzados de eliminación de nutrientes: (A) Bardenpho; (B) Ludzack-Ettinger; (C) AO y (D) A2O. (Fuente: EPA, 2008). A B Nitrified Recycle (Opcional) Methanol Addition Aeration Tank Nitrified Recycle Influent Anoxic Tank Aerobic Tank Anoxic Tank Secondary Clarifier Effluent Influent Anoxic Tank Aerobic Tank Secondary Clarifier Effluent RAS RAS WAS WAS C D Nitrified Recycle Influent Anaerobic Aerobic Tank Secondary Clarifier Effluent Influent Anaerobic Tank Anoxic Tank Aerobic Tank Secondary Clarifier Effluent RAS RAS WAS WAS Tantos los procesos biológicos de eliminación de nitrógeno y/o fósforo como los procesos físico-químicos de precipitación del fósforo presentan una serie de inconvenientes, destacando: La complejidad de los procesos, especialmente los procesos biológicos. En el caso de los procesos biológicos de eliminación de nitrógeno, son múltiples los parámetros de control del proceso, entre los que cabe destacar: una adecuada relación entre materia orgánica y concentración de nitrógeno en forma de nitratos en el reactor anóxico (Figura 6.1 b); la temperatura; garantizar una alcalinidad suficiente; la edad del lodo; garantizar una profundidad adecuada del manto del lodo en el decantador secundario; unos caudales de recirculación de lodo adecuados, etc. Para la eliminación biológica del fósforo, el control del proceso es aún más crítico habida cuenta las bajas concentraciones que hay que alcanzar en el efluente (Tabla 1). Los factores a controlar durante la operación del proceso biológico para la eliminación del fósforo, incluyen entre otros, la garantía de proporcionar cantidades adecuadas de ácidos grasos volátiles en el proceso anaerobio (en algunos casos es preciso dotar a la planta de una fermentador anaerobio de lodos primarios para garantizar el suministro de estos compuestos); la edad del lodo; la concentración del manto de lodo en el decantador secundario, etc. 62 / Manual de Buenas Prácticas

63 Los elevados costes asociados a consumibles químicos, especialmente en el caso de procesos físico-químicos de eliminación del nitrógeno (stripping o cloración) y del fósforo (precipitación química) La elevada producción de lodos y la dificultad para poder encontrarle un uso que no sea su deposición en vertederos, especialmente en el caso de los procesos de precipitación química de fosfatos. Los costes energéticos asociados principalmente al suministro de oxígeno en los procesos biológicos aerobios. Su incorporación a EDARs ya existentes. Es muy frecuente que estos procesos se deban incorporar a estaciones depuradoras de aguas residuales ya existentes, para lo cual son necesarias costosas y complejas obras que han de modificar sustancialmente el diagrama de flujo original, especialmente si se incorporan procesos biológicos, dado que estos no son procesos fin de línea sino que han de combinarse con los procesos biológicos existentes en la EDAR original. Además durante la duración de las obras de remodelación, el normal funcionamiento de la EDAR se suele ver afectado en detrimento de la calidad ambiental del medio receptor del vertido. La producción de gases de efecto invernadero. Las emisiones de GEI de los sistemas de transporte y tratamiento de aguas residuales se especifican en el inventario realizado por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC, 2006).Los procesos de depuración de aguas residuales, al igual que cualquier proceso que conlleva un consumo energético lleva implícito unas emisiones de gases invernadero indirectas en la medida en que la fuente de la electricidad empleada no proviene en un 100% en energías renovables, pero en el caso de los procesos biológicos de eliminación de nitrógeno y de fósforo, se producen emisiones directas de importantes cantidades de óxido nitroso (N 2 O) (Yu et al., 2010) y metano (CH 4 ) respectivamente. Estos gases son de especial importancia debido a su gran potencial de calentamiento (1 Kg CH 4 y 1 Kg de N 2 O tienen un potencial de calentamiento global 25 y 298 veces superior al de CO 2 ). Las microalgas parecen ser una buena alternativa a los procesos comentados anteriormente. Hay numerosos estudios que confirman el gran potencial de la microalgas en la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo de las aguas residuales (Domínguez et al., 2013a, De la Noue y De Pauw, 1988; Tredici et al. 1992; Oswald, 1995; Gonzalez et al, 1997; Park et al., 2011, Arbib et al 2012; Arbib et al 2013a; Ruiz et al 2011).Los mecanismos empleados por las microalgas para la eliminación de los nutrientes son una combinación de asimilación celular junto con procesos de stripping del amonio y precipitación del fósforo asociado a altos ph, cuando este no es regulado con CO 2 por debajo de 8 (García et al, 2006). El empleo de microalgas para la eliminación de nutrientes tiene una serie de ventajas respecto a los procesos más convencionales comentados anteriormente: Se consigue una eliminación simultánea del nitrógeno y fósforo. (Ruiz et al., 2012; Ruiz et al., 2013a; Ruiz et al., 2013b) Anexo / 63

64 No se requiere de adición de una fuente externa de carbono orgánico. Se produce un efluente oxigenado, lo cual es beneficioso para el medio acuático receptor. Es posible recuperar el nitrógeno y el fósforo en forma de biomasa de alto valor añadido. El proceso se puede localizar a continuación del tratamiento secundario con lo que es fácilmente aplicable a estaciones depuradoras sin eliminación de nutrientes que ya se encuentran en funcionamiento. Las microalgas tienen la capacidad de crecer y vivir en ambientes muy severos debido a sus estructura unicelular o simple multicelular (Mata el al., 2010). El mecanismo fotosintético de las microalgas es similar al de las plantas superiores, pero debido a sus estructura unicelular simple y al hecho de que se encuentran generalmente sumergidas en un medio acuoso donde tienen mejor acceso al agua, CO 2 y nutrientes esenciales, éstas tienen la capacidad de biofijar CO 2 mientras capturan la energía solar con una eficiencia entre 10 y 50 veces superior a la de las plantas superiores (Li et al., 2008). De hecho, las microalgas son las responsables de la producción de más del 50% del O 2 del planeta (Carlson et al., 2007). Todo esto hace que la incorporación de esta tecnología en el diagrama de una estación depuradora de aguas residuales urbanas tenga ventajosas consecuencias en la huella de carbono de todo el proceso depurativo. (Álvarez et al,. en prensa) Desde el punto de vista energético, la utilización de biotecnología de microalgas para la depuración de aguas presenta la ventaja de que la biomasa algal generada tiene un gran potencial como materia prima para la producción de energía (biogás, biodiesel, bioetanol, etc. ), lo que hace que la implantación de esta tecnología en el proceso de depuración tenga un efecto positivo en el balance energético global del proceso (Domínguez et al., 2013b). La inversión requerida para una instalación de un sistema basado en las algas en comparación a un proceso biológico aerobio convencional de tratamiento de aguas es de menos de la mitad, y los costes de operación de menos de un quinto (Craggs et al., 2011). A pesar de todas estas ventajas que supondría el uso de fotobiorreactores de microalgas para eliminar contaminantes de las aguas residuales, actualmente se trata de una tecnología que requiere investigación para solucionar diversos aspectos que dificultan su implantación, entre los que destaca el desarrollo de fotobiorreactores con mayores rendimientos, y sistemas de cosechado energéticamente más eficientes. Los fotobioreactores más susceptibles de ser utilizados para el cultivo de microalgas con aguas residuales son los sistemas abiertos denominados raceway ponds o también high rate algal ponds (HRAP) (Park et al., 2011; Arbib et al., 2012; Arbib et al, 2013b) (Figura 5). 64 / Manual de Buenas Prácticas

65 Figura 6.2. Fotobiorreactores tipo HRAP a escala piloto. (Fuente: Grupo de investigación Fotobiodepuración de aguas residuales de la Universidad de Cádiz) Los HRPA son estanques abiertos a la atmosfera (Richmond, 2004) que consisten en canales poco profundos (nivel de agua de 15-30cm) en forma de circuito cerrado, en los que el medio de cultivo es impulsado mediante paletas rotatorias alcanzandose unas velocidad máxima de 30 cm s -1. Éstos sistemas tienen como ventaja el bajo costo de producción de biomasa algal (exceptuando el cosechado). Sin embargo, desde su concepción hace más de 50 años, poco se ha innovado para solventar uno de los principales problemas de esta tecnología: la baja productividad volumétrica y densidad celular, que solo alcanzan valores de unos 0.05 g/l.d y 0,3 g/l respectivamente. Esto hace que tanto la superficie ocupada por estos fotobiorreactores como el volumen de cultivo necesario cosechar y por ende la energía necesaria para ello, haga que estos procesos aún no sean una tecnología competitiva para la eliminación de nutrientes del agua resudal. Es más, la efectividad fotosintética de estos reactores (Cantidad de la energía aportada por el sol que es obtenida en forma química a través de la biomasa) es de alrededor del 1,4 %, frente al máximo alcanzable del 5%, lo que indica que aun queda mucho por hacer en el desarrollo de reactores de bajo coste de inversión como los HRAP, pero con una mayor eficiencia fotosintética. Anexo / 65

66 Aplicaciones de las microalgas para captación de CO 2 Erika Yuliana Ortiz Montoya. Algaenergy. S.A. Se denomina efecto invernadero al fenómeno natural mediante el cual determinados gases componentes de la atmósfera, retienen parte de la energía emitida por la superficie terrestre en forma de radiación infrarroja, tras haber recibido la radiación solar incidente. Este fenómeno es clave para que tenga lugar la vida en el planeta tierra, ya que de lo contrario, toda la energía recibida se emitiría de nuevo al espacio, y no se alcanzaría el balance energético que se da de forma natural. Cuando, por la actividad antropogénica, las concentraciones de estos gases de efecto invernadero se ven alteradas, o incluso, emitimos otro tipo de gases, no existentes de forma natural en la atmósfera, durante de la quema de combustibles de origen fósil, el balance energético pierde su equilibrio. Cuando este desequilibrio se da durante un periodo de tiempo determinado, se produce una acumulación energética, lo cual se define como calentamiento terrestre. Uno de los gases de efecto invernadero que existe espontáneamente en la atmósfera es el dióxido de carbono (CO 2 ). La concentración de este gas ha aumentado considerablemente desde la Revolución Industrial, llegando a concentraciones atmosféricas de 400 ppm. Este aumento se debe a la creciente actividad industrial desarrollada por el hombre de forma tan descontrolada en muchos casos como intensiva. Existen en la actualidad diversas opciones de mitigación del CO 2 : Mejora de la eficiencia energética: optimización de los procesos, nuevas técnicas de combustión en centrales térmicas convencionales, generación mediante ciclos combinados, cogeneración o trigeneración, son algunas de las opciones aplicables a dicho fin. Uso de combustibles que dependan menos intensivamente del carbono: La cantidad de CO 2 producido a partir del carbón es el doble del producido por la combustión del gas natural y un 20 % superior al generado por la combustión del fuelóleo, todo ello para la generación de 1 kwh de electricidad. Captación y almacenamiento (CAC): el CO 2 es captado, comprimido, transportado y almacenado en formaciones geológicas u oceánicas, usado para la obtención de carbonatos minerales o incluso aprovechado en diversos sectores industriales. La experiencia en CAC es limitada debido a los elevados costes que conlleva, entre otras desventajas. Energía nuclear: por medio de la fisión de los núcleos de uranio se obtiene la energía calorífica necesaria para generar la energía mecánica que da lugar a la energía eléctrica, y sin emisiones de CO 2. El problema de esta forma de generación energética son las graves consecuencias que 66 / Manual de Buenas Prácticas

67 se derivan de los accidentes nucleares, además del agotamiento del combustible y la dificultad en la gestión de los residuos. Perfeccionamiento de sumideros biológicos: se están explotando diversas formas de mejorar la retención natural del CO 2. Los bosques son importantes reservorios de carbono, por su biomasa y materia orgánica muerta, y a través de su suelo. Pero su eficiencia es reducida en comparación con la que proporciona el océano. Éste, gracias al fitoplancton que en él se desarrolla, es el principal sumidero de carbono global, pero está saturado y empezando a acidificarse. Por tanto, podemos pensar en cultivar de forma intensiva ese fitoplancton marino, fuera de mares y océanos, con el fin de lograr una reducción de las emisiones, capturando el CO 2 en el propio foco emisor e introduciéndolo en los cultivo de microalgas y cianobacterias (fitoplancton), obteniendo además un producto con un elevado valor, como es la biomasa microalgal. A través del proceso fotosintético, las microalgas o cianobacterias captan la energía solar, consumen micronutrientes, macronutrientes y CO 2, retienen el C para generar su propia biomasa y liberan el O 2 a la atmósfera. De esta forma, transforman un compuesto perjudicial en otro de elevado interés para el hombre, en forma de biomasa, con un excelente perfil bioquímico, rica en proteínas, lípidos y carbohidratos. El abanico de aplicaciones de la biomasa es amplio, abarcando sectores como el cosmético, nutrición animal, acuicultura, nutraceútico o biofertilizantes, entre otros. Podemos, por tanto, decir que gracias al fitoplancton, convertimos un compuesto perjudicial para el medio ambiente, como es el CO 2, en un producto de notable valor y todo ello, de forma natural y sin producir ningún impacto negativo. Una de las ventajas de la captura de CO 2 por las microalgas, en comparación con otras técnicas de reducción de emisiones, es que pueden asimilar una corriente de gases de combustión sin necesidad de que esta deba ser tratada previamente, siempre que el gas emitido no contenga altos contenidos de partículas en suspensión, como son NO x y SO x. En efecto, de presentar el gas de combustión elevadas concentraciones de dichos compuestos, éstos tendrían la capacidad de reaccionar con las moléculas de agua presentes en el cultivo, dando lugar a los correspondientes ácidos, provocando una bajada drástica del ph y posterior muerte del cultivo. Por tanto, además de conocer el análisis químico del gas de combustión inyectado, es importante operar los fotobiorreactores de manera controlada y favoreciendo la máxima eficiencia en la captura, inyectando el CO 2 siempre a demanda del cultivo. Dos de las variables más importantes que deben ser controladas en cualquier cultivo de microalgas son el ph y la temperatura. El ph se regula con la inyección del propio CO 2, el cual acidifica el medio cuando los valores de ph están por encima de un valor de referencia previamente fijado. De esta manera se garantiza que el cultivo se mantenga en rangos óptimos de ph, así como que el cultivo tenga una fuente de C como nutriente. La temperatura debe ser regulada ya que las microalgas y cianobacterias son resistentes a rangos de temperatura entre 20-35ºC, dependiendo de la estirpe. A temperaturas superiores, las especies más termosensibles pueden sufrir procesos de parada del crecimiento y muerte, a temperaturas inferiores los cultivos tienden a permanecer en un estado Anexo / 67

68 aletargado, viéndose minimizado su crecimiento, pero al contrario que a altas temperaturas, no dando lugar a la muerte del mismo. La aplicación directa del uso de gases de combustión como nutriente básico en cultivos de microalgas o cianobacterias se ha visto materializada con el Proyecto CO 2 ALGAEFIX (LIFE10 ENV/ ES/0496), financiado por la CE a través del programa LIFE+ y liderado por ALGAENERGY. Dicho Proyecto consiste en la construcción, puesta en marcha y operación de una planta de demostración de cultivo de microalgas de 1 Ha de extensión a la intemperie, en el municipio de Arcos de la Frontera, y utilizando como fuente de carbono las emisiones de gases de combustión de la Central de Ciclo Combinado de IBERDROLA. Para concluir, cabe resaltar que las microalgas nos proporcionan el oxígeno que necesitamos para respirar. Son también el primer eslabón de la cadena trófica en el medio acuático. Les debemos por tanto la vida y nos la van a cambiar. En efecto, en un futuro próximo, además de otros muchos productos beneficiosos para el hombre, generarán energía limpia y biocombustibles de segunda generación, contribuyendo con ello al desarrollo sostenible y a la mejora del medio ambiente en nuestro planeta. El desarrollo industrial de estos procesos biológicos puede ser, por tanto, una valiosa ayuda para paliar simultáneamente- las tres crisis que sufre la Humanidad: la ALIMENTARIA, la ENERGÉTICA y la MEDIOAMBIENTAL. 68 / Manual de Buenas Prácticas

69 Aplicaciones de las microalgas en nutrición: acuicultura, alimentos funcionales, carotenos Dr. Justo J. Pedroche Jiménez, Instituto de la Grasa-CSIC Siguiendo la evolución del crecimiento de la población humana en las últimas décadas, se estima que en 40 años, la población del planeta se incrementará en un 30%. Este continuo crecimiento de la población, unido a la escasez de recursos y a los potenciales problemas ambientales, limitan la capacidad de estos millones de personas para lograr o mantener un nivel de vida estándar, acentuándose aún más en los países desarrollados actuales. En este contexto, el cultivo de microalgas puede hacer una importante contribución a la transición hacia una sociedad más sostenible. Las microalgas consisten en una amplia gama de organismos autótrofos que pueden crecer a través de la fotosíntesis como las plantas terrestres. Su estructura unicelular permite convertir fácilmente la energía solar en energía química, permitiendo una producción ambientalmente amigable de muchas materias primas valiosas para ser utilizado para diversas aplicaciones comerciales. Por otro lado algunas microalgas son heterotróficas, que permitan asimilar sustancias orgánicas para cubrir una parte variable de sus requerimientos de carbono y energía. Las principales aplicaciones presentes y futuras de las microalgas comprenden su utilización en la depuración de aguas y captación de CO 2, su uso en acuicultura, la producción de biocombustibles tanto biodiesel como bioetanol, su papel en nutrición bien de forma directa o formando parte de alimentos funcionales y la purificación de componentes químicos de interés para su uso en diferentes áreas empresariales (farmaceútica, cosmética, ). A lo largo de los últimos 20 años ha habido un creciente interés en microalgas como fuente de energía renovable por parte de gobiernos y grandes corporaciones. Muchas especies de microalgas contienen altos niveles de lípidos y carbohidratos que pueden ser convertidos en biodiesel y bietanol. No obstante, en la actualidad, aunque la producción de microalgas puede ser una posible solución para muchos de los problemas del medio ambiente y escasez de recursos de nuestro planeta, la producción de microalgas para un único objetivo como biocombustible está lejos de ser económicamente viable. En este sentido, y mientras se sigue investigando en el área de biocombustibles, las aplicaciones más directas o a corto plazo son la acuicultura y el uso de las microalgas como parte de los denominados alimentos funcionales. A día de hoy, las microalgas son indispensables en la cría comercial de varias especies de animales marinos como fuente de alimento para todas las etapas de crecimiento. Además, se utilizan las microalgas para producir grandes cantidades de zooplancton (rotíferos, copépodos, artemias) que a su vez sirven como alimento para los estadios larvales y juveniles tempranos de crustáceos y peces. Asimismo, en muchos casos las microalgas son utilizadas directamente en los tanques larvarios, donde se cree que desempeñan un papel en la estabilización de la calidad del agua, nutrición de las larvas y control microbiano (Manual of the Production and Use of Live Food for Aquaculture-FAO, Anexo / 69

70 1996). Hoy en día, existen más de 40 diferentes especies de microalgas que se cultivan como cepas puras en sistemas intensivos. Estas especies incluyen diatomeas, algas flageladas y verdes clorofíceas y algas filamentosas verde-azules, variando en tamaño desde unos pocos micrómetros a más de 100 µm. Las especies más utilizadas en las operaciones comerciales son la diatomeas Skeletonema costatum, Thalassiosira pseudonana, Chaetoceros gracilis, C. calcitrans, los flagelados Isochrysis galbana, Tetraselmis suecica, Monochrysis lutheri, la especie clorofícea Chlorella y cianobacterias del género Arthrospira (Spirulina). En el último siglo, la nutrición humana ha evolucionado mucho más que en el resto de su historia y en este contexto, en estos últimos años aparecen los denominados alimentos funcionales. Un alimento es considerado como funcional si se demuestra satisfactoriamente que ejerce uno o más efectos beneficiosos sobre alguna función fisiológica corporal, además de presentar unos niveles nutricionales adecuados, de tal manera que mejora el estado de salud y bienestar del individuo o reduce el riesgo de una enfermedad. De este modo, las microalgas pueden ser consideradas como biofactorías o biorefinerías productoras de compuestos con actividades biológicas de gran interés a nivel industrial. Actualmente, los tres componentes principales, lípidos, carbohidratos y proteínas, están siendo estudiados con una profundidad mayor a la relativa a su aporte nutricional. Como consecuencia de su interés en la producción de biodiesel, los lípidos son uno de los elementos químicos más estudiados en microalgas y más concretamente los ácidos grasos poiinsaturados (PUFA-polyunsaturatted fatty acids). Varias especies de microalgas marinas, A. platensis, I. galbana, y Porphyridium cruentum producen cantidades elevadas de lípidos; algunas producen ácidos grasos ω-3 y ω-6, como el ácido araquidónico (ARA), ácido docosahexaenoico (DHA), ácido eicosapentaenoico (EPA), gamma-linolénico ácido (GLA). DHA y EPA han sido estudiados en el tratamiento de enfermedades cardiovasculares y artritis así como en hipertensión, participan en la reducción del contenido en lípidos (disminución de triglicéridos y aumento de HDL), como agentes antiinflamatorios y en el desarrollo y funcionamiento del sistema nervioso. En el mercado, ya pueden encontrarse, huevos de gallina enriquecidos con DHA y leche de vaca con ácidos grasos ω-3, los cuales provienen de la alimentación animal con diferentes especies de microalgas (de Jesus et al., 2013). Los carotenoides son pigmentos naturales, compuestos de ocho unidades de cinco átomos de carbono, diferenciándose principalmente en que pueden acabar con un grupo cíclico (como el b-caroteno) o contener un grupo funcional de oxígeno (oxycarotenoids o las xantófilas, tales como la astaxantina). El b-caroteno es el caroteno más común producido por la microalga Dunaliella salina, la cual puede producir hasta un 10% de su biomasa en peso seco, mientras que la astaxantina es uno de los principales pigmentos presentes en las células enquistadas de Haematococcus. Se ha demostrado la acción de b-caroteno como antioxidante y en la prevención de varios tipos de cáncer así como en aterosclerosis y enfermedades coronarias. b-caroteno, junto con cantaxantina, ha sido aprobado como colorante natural de alimentos en muchos países, como Portugal, Estados Unidos, Israel, Austria y España. Del mismo modo, se ha probado que astaxantina participa en procesos antioxidativos de peroxidación lipídica, degeneración macular asociada a la edad, reducción de la ateroesclerosis y aumento de la respuesta inmune (de Jesus et al., 2013). 70 / Manual de Buenas Prácticas

71 Las proteínas son biopolímeros de aminoácidos, algunos de los cuales son esenciales para los seres humanos, debido a una deficiencia en su síntesis o en suficiente cantidad. Algunas especies de microalgas han presentado actividades biológicas asociadas a proteínas, hidrolizados proteicos o péptidos, valorizándolas más allá de su valor nutritivo, tales como antioxidante, antihipertensiva, inmunoestimuladora, antitumoral, hepatoprotectora y anticoagulante. Por ejemplo en C. vulgaris se ha secuenciando un péptido (Val-Glu-Cys-Iyr-Gly-Pro-Asn-Arg-Pro-Glu-Phe) tras hidrólisis con pepsina, con actividades antioxidante, antihipertensiva y antiproliferación celular (Samarakoon & Jeon 2012) Cabe recordar que se pueden acumular altas concentraciones de toxinas provenientes de microalgas en especies marinas, principalmente en mariscos. No obstante, estas toxinas son la prueba real de la bioactividad altamente eficaz de los compuestos que pueden contener. La actividad citotóxica de estos compuestos están siendo estudiadas en aplicaciones en el tratamiento contra el cáncer, actividad antifúngica, anticancerígena y antimicrobianas (de Jesus et al., 2013). Anexo / 71

72 Aplicación de las microalgas para la producción de biocombustibles: biodiésel Mercedes García González. Instituto de Bioquímica vegetal y fotosíntesis. Universidad de Sevilla-CSIC Existe un consenso general en la necesidad de desplazar a los combustibles líquidos convencionalmente empleados en automoción de origen fósil, disponibilidad limitada, elevado y creciente precio, que contribuyen sustancialmente a la polución ambiental. La alternativa más inmediata es su progresivo reemplazo por combustibles de generación renovable, neutros en cuanto al balance de carbono. La fotosíntesis se perfila como el único proceso disponible para generar con carácter renovable, a expensas de la energía solar, las materias primas para los biocarburantes, en forma más o menos directa y a la escala necesaria. Entre la variedad de biocombustibles potencialmente disponibles, bioetanol y biodiesel son los mejor considerados como sustitutos de sus homólogos de origen fósil. El biodiesel se obtiene mediante la transesterificación de los triglicéridos presentes en aceites vegetales y grasas animales, presentando algunas ventajas sobre el diésel como su bajo perfil de emisiones, mejor combustión y su carácter biodegradable. La calidad del producto viene determinada por la longitud y grado de saturación de los ácidos grasos presentes en el triglicérido. La producción mundial de biodiesel es aproximadamente de 20 millones de toneladas al año, con un previsible incremento en el futuro, pero que apenas cubre el 1% del consumo global de combustibles para transporte. La fuente principal de aceite para biodiesel son las plantas oleaginosas: girasol, soja, colza y palma que constituyen a su vez un alimento básico. Y no puede olvidarse que la incrementada población mundial, demanda no sólo energía, sino también alimentos, previéndose la necesidad de aumentar un 50% la producción de estos últimos de aquí a No va a ser fácil compatibilizar el desarrollo de cultivos para generar biodiesel con el requerido a su vez para satisfacer la necesidad de alimento, máxime si deben protegerse los recursos naturales, la calidad de suelos y aguas, reduciéndose las emisiones contaminantes. Una alternativa es la utilización de materia prima vegetal no apta para alimento, tales como el aceite de jatrofa o de pongamia, aunque estas plantaciones siguen requiriendo suelo fértil y agua, compitiendo por tanto con la agricultura. En este contexto se justifica el creciente interés de emplear microalgas y cianobacterias para generar biodiesel. En estos microorganismos se conjuntan propiedades típicas de plantas superiores (simplicidad de requerimientos nutricionales y eficiente fotosíntesis) con atributos propios de células microbianas (activo crecimiento en medio líquido, capacidad de acumular y/o secretar ciertos metabolitos, respuesta a cambios en las condiciones nutricionales y ambientales), además de la 72 / Manual de Buenas Prácticas

73 posibilidad de establecer sus cultivos en terrenos no productivos, utilizando aguas dulces, salobres o residuales y cubriendo los requerimientos de CO 2 a partir del contenido en los gases de escape de diversas plantas industriales. Para el exitoso establecimiento de un proceso de producción de microalgas como fuente de ácidos grasos para biodiesel se requiere un arduo trabajo de investigación que permita seleccionar la mejor estirpe en base a su productividad, tolerancia a factores ambientales, resistencia a contaminación y facilidad de recolección. La mejora genética es aún una estrategia a medio y largo plazo. Es imprescindible establecer las condiciones de operación que maximicen esa productividad además de ofrecer el perfil de ácidos grasos adecuado para biodiesel. Por último, pero no menos importante, evaluar y desarrollar sistemas de cultivo más eficientes de bajo costo de fabricación y operación. Una estimación realista, en base al actual estado de conocimiento, situando el cultivo en una zona de insolación elevada, es obtener 30 gramos de biomasa de microalgas por metro cuadrado y día, con un contenido medio entre 20-30% en aceite. La extrapolación de estos valores a una superficie de una hectárea durante un tiempo de operación de un año suponen una productividad de toneladas de aceite por hectárea y año, aunque alejada de las necesidades a cubrir, presentan un gran potencial. La reducción sustancial de los costos de producción representa también un importante objetivo estratégico, basada en una gestión integral de nutrientes y en una utilización global de la biomasa generada que contemple el pleno aprovechamiento del material remanente tras la extracción de lípidos. La necesidad de apoyar sustancialmente la investigación y el desarrollo tecnológico en este sector está justificada sobre la base de sus inmensas potencialidades y perspectivas. Anexo / 73

74 Aplicación de las microalgas para la producción de biocombustibles: bioetanol Mercedes Ballesteros. Unidad de biocarburantes. CIEMAT En comparación con las materias primas utilizadas para la producción de bioetanol, tales como los cultivos tradicionales (maíz y caña de azúcar) o los materiales lignocelulósicos (residuos agrícolas y/o forestales), las microalgas se vislumbran como una alternativa muy prometedora, ya que su eficiencia para convertir la energía solar en energía química es mucho mayor que la de los vegetales superiores (5% frente al 1% de las plantas terrestres en climas templados). Los carbohidratos son los principales productos de la fotosíntesis y del metabolismo de fijación del carbono. Los carbohidratos se acumulan en los plástidos como material de reserva (p.e. almidón) y son parte importante de la pared celular (celulosa, hemicelulosa, pectinas y polisacáridos sulfatados). Sin embargo, la composición y el metabolismo de los carbohidratos (principalmente almidón y celulosa) en las microalgas difieren significativamente de especie a especie. Por lo tanto, para un futuro proceso de producción de etanol es muy importante seleccionar estirpes de microalgas con alta productividad en carbohidratos. Ciertas especies de microalgas, como Chlamydomomas, Scenedesmus o Chlorella, tienen una pared celular compuesta principalmente por celulosa y son capaces de almacenar altos niveles de hidratos de carbono, principalmente almidón, como polímero de reserva. Estas especies son candidatas ideales para la producción de bioetanol puesto que estos carbohidratos son susceptibles de ser hidrolizados y fermentados mediante el uso de levaduras adecuadas. Además de la selección de la especie, otro aspecto interesante a considerar es la capacidad de las microalgas para cambiar su composición en función de las condiciones de cultivo. La acumulación de carbohidratos en las microalgas normalmente ocurre bajo condiciones de estrés (típicamente limitaciones nutricionales) las cuales, a menudo, conducen a una severa limitación del crecimiento celular. Por lo tanto, aumentar el contenido en carbohidratos sin comprometer la tasa de crecimiento celular es crucial para avanzar hacia un proceso factible tanto técnica como económicamente de producción de etanol a partir de microalgas. Conocemos poco todavía de los mecanismos de regulación del metabolismo de las microalgas, por lo que es necesario seguir avanzando en la investigación para entender mejor los mecanismos por los que el microalga incrementa la producción de carbohidratos y determinar si puede ser controlado sin afectar el crecimiento. El proceso de producción de etanol a partir de carbohidratos complejos, como el almidón o la celulosa, implica una etapa de sacarificación en la que los hidratos de carbonos se hidrolizan hasta azúcares fermentables. Los procesos enzimáticos empleando amilasas y celulasas de vegetales superiores son ampliamente conocidos y podrían aplicarse a las microalgas. En las microalgas la pared celular de está muy poco lignificada por lo que la etapa de pretratamiento, para aumentar 74 / Manual de Buenas Prácticas

75 la susceptibilidad de la celulosa a la hidrólisis, podrían simplificarse. No obstante, la producción de bioetanol a través de la fermentación de carbohidratos complejos tiene sus inconvenientes ya que es necesaria una etapa de extracción. Se están buscando formas alternativas para producir bioetanol directamente a partir de algunas microalgas. En condiciones anaerobias y de oscuridad se produce una reacción oxidativa incompleta del almidón y, dependiendo del tipo de microalga, se puede producir etanol y otros productos en proporciones variables. Este proceso, todavía en un estado incipiente de investigación, puede suponer un gran avance ya que el producto final (el etanol) podría recuperarse directamente del medio reduciendo sensiblemente los costes globales del proceso. Anexo / 75

76 Biocarburantes de algas: situación y perspectivas Enrique Espí Guzmán, Centro de tecnología Repsol Las algas fotosintéticas son campo de investigación continuado durante los últimos 30 años como productoras primarias de biomasa para la fabricación de biocombustibles por las siguientes razones: Su productividad de biomasa a partir de CO 2 es superior a la de los cultivos terrestres convencionales en varios ordenes de magnitud. No necesitan suelo fértil, ni agua de calidad, ni pesticidas para crecer. Capturan CO 2 de la atmósfera o directamente de fuentes de emisión, como refinerías, centrales eléctricas o cementeras. Una vez extraída la materia prima para el biocombustible, la biomasa excedente se podría utilizar para alimentación en piscicultura, ganadería, o incluso en algún caso, como suplemento dietético en seres humanos, con lo que se rompe el debate alimentos vs. combustibles. Las aplicaciones energéticas de las microalgas están aún lejos de ser competitivas: A diferencia del cultivo plantas superiores, su cultivo a gran escala es una tecnología poco madura. Las productividades por unidad de tiempo y superficie que se han podido demostrar hasta ahora están aún lejos de lo esperado y, aunque superiores a las de los cultivos terrestres, no alcanzan valores que las hagan competitivas. Como consecuencia, los costes de producción son excesivamente altos para una aplicación de gran volumen pero escaso valor añadido, como es la de los biocarburantes. Los costes de producción se podrían rebajar por medio de un programa de desarrollo tecnológico que permitiese incrementar la productividad y reducir las inversiones necesaria y los costes de producción, tanto fijos como variables, para el ciclo completo de producción desde el cultivo a la producción del biocombustible, mediante innovaciones tanto en el ámbito de la biología como de la ingeniería. En el caso de la producción de diésel a partir de lípidos de algas, es importante asegurar la idoneidad de lípidos producidos, que en la actualidad no siempre es la deseable por grado de insaturación, impurezas, etc. 76 / Manual de Buenas Prácticas

77 Además de la sostenibilidad económica del proceso, es necesario asegurar la sostenibilidad medioambiental, optimizando las necesidades de suelo, agua y otros insumos y mejorando el balance energético y de gases de efecto invernadero. Para ello es crucial la utilización para el cultivo de fuentes de anhídrido carbónico industrial sin necesidad de purificación y de aguas residuales como fuente de nutrientes. Un estudio reciente del US National Research Council concluye que el escalado de la producción de biocombustibles de algas con la tecnología actual es insostenible por las necesidades de energía, agua y nutrientes y su impacto en los costes de producción. Sin embargo, también identifican potencial para cambiar esta situación a través de mejoras en la biología y la ingeniería del proceso. Otros estudios del NREL y KIT concluyen que es posible la producción sostenible de 19 millones de toneladas (Mt) de biocombustible de algas (5 billion galons) en USA y 50 Mt de biomasa de algas en Europa, de las cuales 34 Mt en España. Anexo / 77

78 Experiencias Industriales. Proyecto CO 2 Algaefix María Segura Fornieles. AlgaEnergy, S.A. ALGAENERGY, fundada en 2007, es una compañía de base tecnológica, del sector de la biotecnología de microalgas y cianobacterias cuya misión es poner en valor el enorme talento y capacidad existentes en España en este campo de la ciencia y el conocimiento. Son principales actividades de ALGAENERGY: La mejora de los procesos de cultivo y procesado La reducción de los costes de producción El desarrollo de nuevos productos derivados de las microalgas y cianobacterias que sean comerciales ALGAENERGY cuenta con la contribución de un equipo directivo fiable y con dilatada experiencia, accionistas líderes mundiales en energía y reducción de CO 2, como son Iberdrola y Repsol, como socio científico cuenta con el Dr. Miguel García Guerrero, Catedrático de Bioquímica Vegetal y Biología Molecular de la Universidad de Sevilla y autoridad internacionalmente reconocida, además de grandes inversiones en I+D y en talento. Adicionalmente, ALGAENERGY está vinculada a Universidades y a Centros de Investigación con gran reconocimiento internacional en sus diferentes especialidades: Universidad de Sevilla, Universidad de Almería, Universidad de Santiago de Compostela y el Instituto Español de Oceanografía, entre otros. La compañía cuenta en su cartera de proyectos con potentes Programas de I+D, en diversas disciplinas, entre los que destacan los siguientes: Proyecto PISCIS: en colaboración con el Dpto. de Ingeniería Química de la Universidad de Almería y el Dpto. de Microbiología y Parasitología (Facultad de Biología) de la Universidad de Santiago de Compostela, el programa PISCIS ha logrado el desarrollo de un proceso de producción de biomasa de microalgas de alta calidad para su utilización en acuicultura, que ha implicado: El desarrollo de sistemas de preparación y esterilización del medio de cultivo a gran escala; La optimización del diseño del fotobiorreactor más adecuado para la producción de especies de microalgas de elevado interés en acuicultura; El desarrollo de sistemas de preservación de la biomasa que maximicen su vida útil y calidad. Los productos que actualmente comercializa ALGAENERGY son el resultado de la investigación desarrollada durante los últimos años. 78 / Manual de Buenas Prácticas

79 Proyecto CENIT VIDA ( el potencial de las microalgas como materia prima tiene tal magnitud que, para abarcarlo en toda su extensión, se hacía necesario integrar, en un escenario común, a los actores especializados de los diversos sectores estratégicos implicados. ALGAENER- GY, convencida de esa necesidad, ha promovido el proyecto CENIT VIDA (Valorización Integral De Algas) que, liderado por IBERDROLA, ha sido aprobado por el gobierno español (CDTI) en su 6ª convocatoria (septiembre 2010). La duración del programa es de 4 años y está dotado con 19 M. El Proyecto CENIT VIDA aúna los esfuerzos de 14 relevantes multinacionales y empresas especializadas, las principales autoridades científicas y hasta un total de 24 organismos públicos de investigación españoles, que exploran así, conjunta y multidisciplinarmente, el potencial de utilización de las microalgas. Proyecto GENETDIESEL: La finalidad de ese programa es la de poder disponer de estirpes de microalgas y cianobacterias que, a través de la ingeniería genética y su modificación metabólica, incrementen su capacidad para producir lípidos que puedan ser convertibles en biodiesel y otros biocombustibles, en condiciones de crecimiento activo a la intemperie. GENETDIESEL está siendo desarrollado por los grupos de investigación Expresión génica y transducción de señales en organismos fotosintéticos y Biotecnología de Microalgas, del Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, en los que participan once investigadores y doctores liderados por los catedráticos de la Universidad de Sevilla, Prof. Francisco Javier Florencio Bellido y Prof. Miguel García Guerrero. Proyecto ECLIPSE: el objetivo del proyecto ECLIPSE, enmarcado en el Séptimo Programa Marco de la CE y dotado con 5 M, es el desarrollo de nuevos materiales a partir de residuos y más concretamente, la obtención de un envase ecológico tipo tetrabrik a partir de residuo microalgal. Es tarea de ALGAENERGY la selección de aquellas microalgas cuya composición bioquímica las haga atractivas para la obtención de ácido láctico así como el desarrollo de una estrategia de aprovechamiento del residuo algal procedente del proceso de separación de lípidos para producción de biocombustibles. El proyecto ECLIPSE está liderado por IK4 CIDETEC y cuenta con la participación de varias multinacionales (BIOPAC, FUTERRO, BANACOL, ANTARTIC Y GALACTIC) y centros de investigación europeos e iberoamericanos de primer orden. Proyecto BYEFOULING: El objetivo se centra en abordar la producción, a escala industrial, de revestimientos antifouling de baja toxicidad, respetuosos con el medio ambiente, para su uso en transporte marítimo, buques de pesca, dispositivos flotantes y acuicultura. ALGAENERGY tiene por misión en este programa la selección, cultivo y suministro a los consorciados de biomasa a partir de diferentes estirpes de microalgas, a fin de que sean analizadas sus propiedades como agentes anti-incrustantes. El consorcio está formado por empresas de 11 países europeos y está liderado por Stiftelsen SINTEF. El Plan Estratégico de ALGAENERGY ha previsto el progresivo escalado de sus instalaciones de I+D y Producción, toda vez que la problemática científico-tecnológica que presentan unas y otras instalaciones no solo varía en función de parámetros ingenieriles sino también en razón al volumen del cultivo y fines al que estos se destinen. Anexo / 79

80 El escalado desarrollado por ALGAENERGY se describe a continuación: Laboratorio CO 2 BIOCAP: El Laboratorio CO 2 BIOCAP (CAPtura y fijación BIOlógica de CO 2 ) es el resultado del proyecto emprendido por ALGAENERGY, en el año 2010, y cuyo singular objetivo ha sido crear, con criterios de eficiencia, un sistema móvil de captura de CO 2 en focos emisores estacionarios, para su posterior fijación biológica en los cultivos microalgales apropiados. Dicho laboratorio resuelve, por tanto, dos problemas sustanciales: por un lado, el de poder determinar la idoneidad de los gases de combustión y del CO 2 generados a partir de procesos industriales, para su biofijación en un cultivo de microalgas y, por otro, el de evaluar el microorganismo más adecuado para el gas CO 2 específico que se ha eliminado de la atmósfera. El know-how obtenido por ALGAENERGY es por tanto de particular interés para las industrias emisoras de CO 2, al permitir el desarrollo de un protocolo ad hoc de captura y biofijación de sus gases nocivos de combustión en la estirpe de microalga idónea. El laboratorio CO 2 BIOCAP está totalmente equipado con el instrumental necesario para llevar a cabo el cultivo de microalgas y cianobacterias en tres columnas de burbujeo de 0,1 m 3 de volumen unitario, con inyección automática de CO 2, a demanda del cultivo, iluminación automatizada simulando el ciclo solar, dispositivos para preparación e inyección del medio de cultivo, así como un sistema de centrifugación y estabilización de la biomasa. Plataforma Tecnológica de Experimentación con Microalgas (PTEM): En virtud de los acuerdos establecidos con la Secretaría de Estado del Ministerio de Fomento, IBERIA y AENA, ALGAENERGY ha construido en 2011 su Plataforma Tecnológica de Experimentación con Microalgas en la terminal T4 del Aeropuerto de Madrid-Barajas, que se conforma actualmente como la herramienta de I+D conocida más potente y flexible en el sector de la biotecnología de microalgas. Dicha instalación se trata de una planta a escala piloto, con un volumen total de 45 m 3 de cultivo. Su diseño flexible y funcional hace que permita examinar distintas tecnologías de cultivo, como son, columnas de burbujeo, fotobiorreactores tubulares cerrados, fotobiorreactores verticales planos y 80 / Manual de Buenas Prácticas

81 reactores raceways. La totalidad de la operación de la PTEM está automatizada y controlada mediante un programa SCADA. Para completar la operación, la instalación cuenta con un sistema automático de preparación e inyección del medio de cultivo, así como cosechado y procesado de la biomasa. La instalación cuenta con un laboratorio de análisis y control de la biomasa, y con una cámara termoclimática para mantenimiento de inóculos de distintas estirpes. Proyecto CO 2 ALGAEFIX ( ALGAENERGY lidera el Proyecto CO 2 ALGAEFIX (LIFE10 ENV/ES/0496), financiado por la unidad LIFE+ de la Comisión Europea y cuyo objetivo es la construcción de una Planta de Demostración para biofijación en cultivos microalgales del CO 2 existente en los gases de combustión procedente de la Central de Ciclo Combinado de IBERDROLA (Arcos de la Frontera, Cádiz) y la transformación de dicho gas nocivo en productos de interés comercial. El Consorcio para el desarrollo de este proyecto lo conforman, además de ALGAENERGY, IBERDROLA, EXELERIA (Grupo EVERIS), la AGENCIA ANDALUZA DE LA ENERGÍA y MADRID NE- TWORK, así como las UNIVERSIDADES DE SEVILLA Y ALMERÍA. Esta iniciativa forma parte de la cartera de proyectos aprobados por la Comisión Europea en el marco del Programa LIFE+. El desarrollo de este programa, implica la construcción y explotación de una Planta Demostración (escala pre-industrial) de cultivo de microalgas de m 2 de extensión y litros de cultivo. Anexo / 81