Contribución al estudio del crecimiento y las posibilidades del aprovechamiento termoquímico de las microalgas Nannochloropsis gaditana y Nannochlorpsis oculata

Resumen

Las microalgas son microorganismos biológicos versátiles que ofrecen numerosas ventajas con respecto a la biomasa lignocelulósica terrestre para la producción de biocombustibles renovables. Las microalgas tienen una eficiencia fotosintética más alta requiriendo por tanto una menor extensión de tierra. También pueden ser ricas en aceite (triglicéridos) y cosechadas con mayor frecuencia debido a su rápida tasa de crecimiento. Por otra parte, las microalgas pueden cultivarse en climas variables, con aguas tanto salobres como contaminadas, y los reactores pueden situarse en tierras marginales no aptas para otros cultivos. Como resultado de ello, los problemas ambientales relacionados con los cambios globales en los patrones de uso del suelo son menores para el cultivo de algas. Las microalgas también pueden eliminar el nitrógeno, fósforo y metales pesados de las aguas residuales. Por lo tanto, el cultivo de algas se puede acoplar con la biorremediación de aguas residuales. Además, las instalaciones de cultivo de microalgas se pueden integrar con las centrales eléctricas que utilicen combustibles fósiles y, de este modo, aprovechar el CO2 que se obtiene en los gases de combustión para la producción de biomasa algal a través de la fotosíntesis. Por todo lo comentado anteriormente, resulta de gran interés llevar a cabo diferentes estudios, que engloben desde la mejora del sistema de cultivo, incluida la etapa de concentración, a la caracterización de la biomasa generada para, de esta manera, encontrar la mejor alternativa para su posterior utilización. En el presente trabajo de investigación se ha incidido fundamentalmente en dos de los aspectos más importantes a tener en cuenta para la obtencion de biomasa (y/o energía) a partir de las microalgas: a) Estudio de las condiciones necesarias para hacer posible el crecimiento de dichos microorganismos. b) Caracterización de la biomasa generada. Para ello, el trabajo se ha dividido en las siguientes etapas: 1. Estudio de la evolución de la composición bioquímica de los cultivos de la microalga Nannochloropsis oculata al aire libre en función de la concentración inicial de nitratos en el medio y de la etapa de crecimiento. 2. Cálculo de la relación de CO2 consumido por la microalga Nannochloropsis oculata y el CO2 perdido por arrastre en un fotobiorreactor de tipo columna de burbujas utilizando el análisis de los perfiles de pH. 3. Estudio del uso de la distribución de tamaño de partícula de la microalga Nannochloropsis gaditana para obtener información sobre el crecimiento del cultivo. Modelado cinético de la concentración celular y la distribución de tamaño de partícula. 4. Revisión del estado del arte de la conversión termoquímica de microalgas. 5. Análisis del modelado cinético de la pérdida de peso producida en la degradación térmica de las microalgas. 6. Estudio del empleo de técnicas de termogravimetría y Py-GC/MS como métodos cualitativos rápidos para la comparación de la composición bioquímica de muestras de Nannochloropsis oculata obtenida bajo diferentes condiciones de cultivo. Las PRINCIPALES CONCLUSIONES obtenidas en los estudios llevados a cabo en cada una de las etapas son: 1. Las concentraciones iniciales de nitratos más bajas han provocado los crecimientos del cultivo de la microalga Nannochloropsis oculata más pequeños en ambos reactores. En la última etapa de crecimiento de ambos reactores (estacionaria), al aumentar la concentración inicial de nitratos en el medio, las proteínas aumentan mientras que los carbohidratos y los lípidos transesterificados disminuyen. En la última etapa de crecimiento de ambos reactores (estacionaria), al aumentar la concentración inicial de nitratos en el medio, aumenta la concentración de los compuestos con 20 átomos de carbono y aumenta el grado de insaturaciones, siendo el éster metílico del ácido eicosapentanoico uno de los componentes mayoritarios en estas condiciones. 2. El análisis de los perfiles de pH ha permitido obtener información sobre el comportamiento del sistema microalga/fotobiorreactor en relación a la proporción CO2 consumido/CO2 inyectado. La evolución de la proporción CO2 consumido/CO2 inyectado es función de la radiación fotosintéticamente activa y de la concentración de microalgas. Para el sistema Nannochloropsis oculata/fotobiorreactor de tipo columna de burbujas se obtiene un valor máximo de la proporción CO2 consumido/CO2 inyectado próximo al 55 % a mediodía cuando la concentración de microalgas es de 0.14 g/L. La información proporcionada por esta metodología puede ser utilizada para la correcta selección de los parámetros del sistema microalga/fotobiorreactor con el objetivo de maximizar la proporción CO2 consumido/CO2 inyectado. 3. Las distribuciones de tamaño de partícula de la microalga Nannochloropsis gaditana tienen una asimetría positiva y la forma de la curva no varía durante el proceso de crecimiento. Las distribuciones de tamaño de partículas se desplazan a tamaños menores durante el periodo de oscuridad mientras que en el periodo de luz se produce el comportamiento opuesto. Durante el proceso de crecimiento, las distribuciones de tamaño de partículas se desplazan hacia tamaños mayores, debido probablemente a la falta de nitrógeno en el medio, y las diferencias entre las distribuciones al principio y al final de cada periodo son menores. El modelo cinético propuesto consigue una mejora significativa de los resultados obtenidos al considerar el modelo logístico teniendo en cuenta sólo el tiempo de oscuridad para la división celular. La división celular no es capaz de describir la evolución de la distribución del tamaño de partículas con el tiempo. El ajuste de la evolución con el tiempo de las curvas de distribución de tamaño de partículas se ha conseguido cuando se ha propuesto un modelo cinético en el que se incluyen procesos de respiración y crecimiento celular durante los periodos de oscuridad y luz, respectivamente. 4. Comparada con el resto de técnicas de conversión termoquímica (gasificación, combustión, pirólisis), la licuefacción hidrotérmica parece ser la técnica más favorable y prometedora desde el punto de vista energético para obtener combustibles líquidos a partir de sólido. Los residuos obtenidos de la licuefacción hidrotérmica deben ser reciclados, por ejemplo, para aprovechar los nutrientes que quedan en el agua, y de esta forma, mejorar la viabilidad del proceso desde el punto de vista económico. El diseño de reactores de pirólisis requiere el empleo de herramientas de modelado y simulación que necesitan de un proceso de análisis cinético adecuado. Los procesos más adecuados para ello, teniendo en cuenta la complejidad de las reacciones de descomposición de las microalgas, implicarían el análisis cinético en múltiples etapas, permitiendo de este modo, la verificación del modelo mediante una simple comparación de los resultados experimentales con los calculados a partir de los parámetros cinéticos obtenidos. 5. En el trabajo analizado, aunque hay una clara evidencia de que la combustión de las microalgas es un proceso complejo, los autores han usado procedimientos de cálculo adecuados para procesos que tienen lugar en una sola etapa (métodos isoconversionales). Los métodos isoconversionales podrían haberse aplicado correctamente si se hubiera hecho la deconvolución de las distintas etapas y se hubiese calculado la energía de activación para cada una de ellas. Cuando se aplican métodos isoconversionales, la comprobación de si existe una dependencia de la energía de activación con la conversión permite asegurarse de que el mecanismo supuesto es adecuado para realizar predicciones cinéticas fiables. Los cálculos deben realizarse considerando un rango de grados de conversión amplio con valores comprendidos entre 0.05 y 0.95 con intervalos no mayores de 0.05. La comprobación de que con los parámetros cinéticos obtenidos se pueden reproducir los datos experimentales obtenidos es necesaria. El análisis y la comparación de un único parámetro cinético no es adecuado ya que la velocidad de descomposición depende del triplete cinético (energía de activación, factor preexponencial y el orden de reacción). 6. El análisis termogravimétrico y el Py-GC/MS han mostrado una clara correlación con la composición bioquímica de las muestras (proteínas, carbohidratos y lípidos transesterificables). Ambas técnicas, pero en especial Py-GC/MS, han demostrado ser una poderosa herramienta con fines comparativos. Estas técnicas proporcionan una idea cualitativa de la composición bioquímica mediante un análisis rápido y sencillo que requiere una cantidad de muestra muy pequeña.