Optimization of microalgae production in industrial open reactors

Resumen

La tesis doctoral se ha desarrollado en el marco del proyecto de investigación “Control y optimización de la producción de biomasa como recurso de energía renovable” (DPI2014-55932-C2-1-R), el cual se centra en el modelado y control de la combinación de procesos de producción de microalga y el tratamiento de aguas residuales en reactores industriales. Este proyecto de investigación es una continuación del proyecto previo titulado “Modelado, control y optimización de fotobiorreactores”, dónde los resultados significantes fueron obtenidos en el campo del modelado y el control automático de la producción de microalgas en fotobiorreactores cerrados. El proyecto actual continúa en la misma línea, con la aplicación de las técnicas de modelado y el control para la producción óptima de biomasa, pero ahora centrada en reactores abiertos, los cuales son los más utilizados a nivel mundial. El objetivo de esta tesis es mejorar el conocimiento respecto a la caracterización de los reactores abiertos, la distribución de la luz y su uso por parte de las microalgas, la transferencia de materia, y la acumulación de oxígeno, así como el uso de estrategias de control para mejorar esta tecnología. Ambos tipos de reactores abiertos: “raceways” y “thin-layers” están considerados en esta tesis. La información obtenida de esta tesis está siendo aplicada en el proyecto europeo Horizonte 2020 SABANA. El cual está centrado en el desarrollo de la microalga basado en el concepto de biorrefinería para la mejora de los sectores de la agricultura y la acuicultura. El trabajo experimental de esta tesis se ha desarrollado en tres localizaciones diferentes: (i) Estación Experimental “Las Palmerillas” (Almería, España), (ii) Estación Experimental “Algatech”, (Třeboň, República Checa), dónde se desarrollaron los experimentos relativos a la evaluación de los reactores de capa fina (thin-layer), y (iii) la Estación Experimental “IFAPA” (Almería, España) donde se llevaron a cabo los experimentos relativos al modelado de los reactores de capa fina. Las principales contribuciones de esta tesis pueden ser resumidas de la siguiente manera: 1. Caracterización y mejora de los reactores raceways. • Trabajos previos demostraron que la acumulación de oxígeno disuelto limita la producción de biomasa en los reactores raceways si no se mejora la capacidad de transferencia de materia. Aunque el oxígeno se desorbe a la atmósfera en el canal y en las palas, esto no es suficiente para eliminar la producción de oxígeno generada mediante la fotosíntesis cuando se alcanzan altos valores de productividad de biomasa, por tanto, se hace necesario crear un foso, cuyo correcto diseño y operación contribuye a evitar la sobresaturación de oxígeno. Además, la capacidad de transferencia de materia en el foso debe ser optimizada para compensar la producción de oxígeno en el sistema. Además, también se determinó la influencia de la inyección de aire en el coeficiente de transferencia de materia, obteniendo un modelo empírico calibrado. Utilizando este modelo, es posible regular de manera apropiada la inyección de aire en el foso y además, la operación del reactor puede ser optimizada. Toda la información está disponible en (Barceló-Villalobos et al., 2018). • Uno de los requisitos que se hacen necesarios para mejorar la producción de microalgas en los reactores, es la optimización de la asimilación de luz a la cual las células son expuestas. Por ello, el primer paso es conocer cual es el patrón que tiene lugar en los reactores raceways. Esta tesis demuestra que las células de microalgas se adaptan a la irradiancia local debido a su movimiento con un patrón desfavorable. También se ha demostrado cómo es el régimen de luz al cual las células de microalgas están expuestas en un reactor raceway, el cual está lejos del óptimo requerido para optimizar el desarrollo de cultivos de microalgas a través de la integración de la luz. Se analizó cómo se ve afectada la tasa fotosintética mediante el uso de distintos ciclos de luz/oscuridad a diferentes horas del día durante varias estaciones a lo largo de un año. Estos ensayos demostraron que no existe integración de luz a una altura de cultivo de 0.15 m. Además, también se ha confirmado que las células se adaptan a la irradiancia local dentro del reactor. Toda la información está disponible en (Barceló-Villalobos et al., 2019a). • Respecto a las estrategias de control, se ha propuesto una estrategia de control selectivo, la cual fue propuesta previamente por Pawlowski et al., 2015, donde se ha utilizado un control simultáneo de pH y de oxígeno disuelto. En este control, el valor de pH se prioriza sobre el valor de oxígeno disuelto debido a que éste tiene una gran influencia en el desarrollo del cultivo. Esta tesis demuestra la correcta funcionalidad de este control selectivo en un reactor semi-industrial (100 m2) operado en modo semicontinuo. Además, el modelo de transferencia de materia desarrollado en esta tesis (Klal sump model) ha sido validado en fase de simulación para demostrar que sí es posible ajustar la capacidad de transferencia de materia mediante el uso de la estrategia de control feedback. Finalmente, también se ha demostrado que cuando el valor del oxígeno está por encima de la referencia, se hace necesario inyectar aire (información completa disponible en Barceló-Villalobos et al., 2019c, Barceló-Villalobos et al., 2019d). 2. Caracterización y mejora de los reactores de capa fina (thin-layer). • Se ha demostrado que, aunque los reactores de capa fina son actualmente más productivos que los reactores raceways, su productividad puede mejorarse si las condiciones de operación se aproximan lo máximo posible a los valores óptimos de cultivo. Este es el primer paso en la optimización y escalado de este tipo de reactores para aplicaciones de escala industrial. Esta tesis demuestra la influencia de las variaciones de los parámetros de cultivo (irradiancia, temperatura, pH y oxígeno disuelto) en el desarrollo del cultivo de microalgas. Diferentes ensayos se llevaron a cabo para analizar los parámetros del sistema en términos de la posición dentro del reactor y la hora del día a lo largo de un ciclo diario. Los resultados demuestran que la irradiancia promedio y la temperatura a las cuales las células se exponen son principalmente en función del tiempo. En cambio, el pH y la concentración de oxígeno disuelto también demuestran gradientes relevantes dependiendo de su posición dentro del cultivo. Además, también se ha demostrado que la existencia de gradientes en los parámetros del cultivo (pH, temperatura y oxígeno disuelto) reduce el desarrollo del cultivo (utilizando dos metodologías diferentes: la -chlorophyll-fluorescence y la tasa neta de fotosíntesis). Además, se ha modelado la influencia de las condiciones de cultivo en el desarrollo de Scenedesmus almeriensis. Toda la información está disponible en Barceló-Villalobos et al., 2019b). • Asimismo, se ha evaluado el cultivo de los reactores de capa fina localizados en Algatech (Trebon). La temperatura y la producción de oxígeno disuelto ha sido analizada y modelada en tres reactores de capa fina de diferentes tamaños (pequeño, mediano y grande). Se llevaron a cabo distintos ensayos: (i) análisis de las condiciones de cultivo, (ii) balance de materia del oxígeno y (iii) modelado de la producción de oxígeno. La temperatura es un parámetro estable a lo largo del canal y a lo largo del día. Se ha demostrado que es más adecuado utilizar el parámetro irradiancia promedio integrada en lugar de el concepto irradiancia promedio, para demostrar el uso de la luz efectiva en el cultivo. Información disponible en (Barceló-Villalobos et al., en revisión).