Por: Industrial Plankton*

El cultivo eficiente de microalgas exige evaluar la penetración lumínica, la trayectoria de luz y la relación superficie-volumen de cada tecnología. Industrial Plankton analiza las ventajas y desventajas entre sistemas abiertos y fotobiorreactores cerrados. Una guía técnica fundamental para optimizar la densidad celular, la bioseguridad, el control térmico y los costos operativos en hatcheries y biotecnología acuícola.

Los sistemas de cultivo de algas abiertos y los fotobiorreactores (PBR, por sus siglas en inglés) de sistema cerrado son los dos métodos más habituales para el cultivo de microalgas a escala media o grande. Sus ventajas y desventajas dependen de los objetivos del cultivo. Un PBR es cualquier equipo o sistema que sustenta el cultivo de organismos fotosintéticos mediante la luz.

En cualquier tipo de producción de algas, la penetración de la luz, la trayectoria de la luz y la relación entre el área de superficie y el volumen influyen en la densidad que se puede alcanzar y en la productividad global (cantidad de algas producidas) del sistema:

✓ Cuanto más lejos penetre la luz en un cultivo, más células de alga podrán acceder a ella para regenerarse y crecer. Sin embargo, a medida que la densidad de las algas aumenta, se absorbe más luz y, por ende, esta penetra una distancia menor.

✓ El paso de la luz a través de los cultivos, breve y atenuado, puede ser beneficioso para la densidad, ya que la luz puede alcanzar una mayor parte del cultivo y facilitar la reproducción celular.

✓ Un sistema con mayor relación superficie-volumen resulta beneficioso por la misma razón.

Todos estos factores tienen implicaciones fundamentales en el diseño de cualquier sistema de cultivo de algas y determinan el uso de sistemas abiertos o cerrados. En general, los sistemas abiertos tienden a presentar un mayor volumen y una menor densidad, mientras que los PBR cerrados tienden a presentar un menor volumen y una mayor densidad.

Al introducir fuentes de luz directamente en grandes volúmenes de cultivo, los PBR de iluminación interna alcanzan densidades de 10 a 20 veces superiores a las bolsas tradicionales, optimizando el espacio y la bioseguridad industrial.

¿Cómo identificar un sistema de cultivo de algas al aire libre?

Los sistemas de cultivo de algas al aire libre se caracterizan por su exposición al entorno exterior, lo que se traduce en costos operativos más bajos, pero con un control mínimo sobre parámetros tales como: temperatura, luz, pH, entre otros.

Por lo general, cultivan microalgas a densidades inferiores a las de los sistemas PBR cerrados, requieren más espacio para ser rentables y son más propensos a la contaminación, lo que supone una desventaja significativa.

Algunos vectores de contaminación en los sistemas abiertos son:

✓ Aire.

✓ Agua.

✓ Brisa marina.

✓ Personal.

✓ Fauna silvestre.

Los contaminantes comunes, como los depredadores de algas (zooplancton), las bacterias e incluso las cepas competidoras, pueden reducir la eficiencia de la producción e incluso dañar los cultivos. Por este motivo, la mayoría de los sistemas abiertos funcionan mediante métodos de producción por lotes, en los que las microalgas se cultivan durante un período corto y pueden hacer frente a los contaminantes hasta la cosecha.

Aunque los PBR cerrados exigen mayor capital inicial, el cultivo continuo automatizado reduce el gasto en mano de obra y desinfección. Esto garantiza inóculos puros para hatcheries, amortizando la inversión mediante superior eficiencia operativa.

Al ser sistemas más grandes y sencillos, su instalación suele ser mucho más económica en proporción al volumen. Sin embargo, como las densidades alcanzadas suelen ser más bajas y los niveles de contaminantes son más altos, se necesita más terreno. Esto pone de manifiesto las principales ventajas y desventajas de estos PBR.

Algunos ejemplos de sistemas abiertos son:

✓ Canales raceways.

✓ Tanques de fibra de vidrio.

✓ Estanques artificiales.

¿Qué son los canales raceways?

Los canales raceways son sistemas abiertos propensos a la contaminación, por lo que cualquier aplicación de las microalgas en etapas posteriores (downstream) debe tolerar cierto nivel de impurezas. Además, debido a su gran volumen, requieren elevadas cantidades de inóculo limpio.

Los canales raceways abiertos se generalizaron durante el auge de los biocombustibles a base de algas a principios de la década de 2000. Se trata de estanques poco profundos que utilizan paredes bajas y ruedas de paletas para hacer circular las microalgas a lo largo de un recorrido ovalado. La profundidad del cultivo suele limitarse a unos 30 cm para permitir que la luz solar lo ilumine eficazmente. Requieren grandes extensiones de terreno debido a su bajo nivel de agua, pero pueden resultar muy rentables si se gestionan con eficacia, lo que supone una ventaja clave para la producción de microalgas a gran escala.

Los sistemas abiertos, como canales raceways, ofrecen bajo costo de instalación, pero mínima regulación de temperatura, pH y luz. Su exposición exterior los hace propensos a contaminación por bacterias o depredadores, limitando su densidad celular.

¿Qué son los tanques de fibra de vidrio?

Los tanques de fibra de vidrio (o tubos “Kawall”) suelen ser cilíndricos y se airean desde el fondo para facilitar la mezcla y el intercambio de gases, procesos necesarios para los cultivos de algas. Al utilizar fibra de vidrio transparente, las paredes laterales —además de la superficie superior— reciben luz para la fotosíntesis.

Suelen ser más altos que anchos, pero casi todos son mucho más profundos que los canales raceways, por lo que presentan una menor relación superficie-volumen que limita su densidad. Sus dimensiones oscilan entre decenas y decenas de miles de litros. Debido al bajo costo de los materiales y a su sencillez, se utilizan ampliamente en la acuicultura, en especial en regiones con mano de obra es económica, ya que requieren un mantenimiento constante (llenado, inoculación, vaciado y limpieza en ciclos de 3 a 4 días). Esta necesidad de mano de obra supone una clara desventaja.

Si se gestionan de manera adecuada y se siembran con un buen cultivo de inóculo, la producción por lotes de microalgas en tanques de fibra de vidrio puede generar cantidades significativas de algas, aunque requiere un esfuerzo y un espacio considerables, a un costo relativamente bajo.

¿Qué son los estanques artificiales?

Los estanques artificiales tienen paredes laterales opacas o están excavados en el suelo. Esto permite una construcción económica, pero limita la superficie iluminada. Por este motivo, suelen ser tanques de perfil bajo (como los estanques de canal). Pueden utilizar revestimientos para estanques, hormigón o simplemente una excavación en la tierra. A menudo requieren mucha mano de obra y productos químicos para operar correctamente, lo que se suma a las desventajas operativas.

En general, los sistemas abiertos suelen funcionar durante períodos más cortos al no poder operar de forma continua; sin embargo, gestionados por expertos, resultan muy rentables para la producción de microalgas a gran escala.

¿Cuáles son las características de los biorreactores cerrados?

Para resumirlo en una frústula (haciendo un guiño a las diatomeas), los sistemas cerrados son aquellos en los que se controlan los insumos y las algas se cultivan en un entorno aislado. Muchos parámetros vitales para las microalgas solo pueden controlarse con precisión en estos sistemas.

Existe una amplia variedad de PBR. Los PBR cerrados pueden utilizar luz artificial o natural y son más caros inicialmente que los abiertos; sin embargo, al ser estériles o aislados, funcionan de forma continua durante períodos prolongados. Este funcionamiento continuo supone una ventaja significativa en la producción de microalgas.

Algunos tipos de PBR cerrados son:

✓ PBR tubulares.

✓ PBR de bolsa de un solo uso.

✓ PBR de panel plano.

✓ PBR de iluminación interna.

✓ PBR desarrollados por Industrial Plankton.

¿Qué son los fotobiorreactores tubulares?

Están formados por una serie de tubos transparentes de diámetro estrecho (2 a 8 pulgadas) conectados a un depósito y a una bomba que circula el medio (nutrientes y agua) y las microalgas. La forma más rentable de iluminarlos es con luz solar, aunque recurren a luz artificial cuando esta es escasa. Dado que el recorrido de la luz es muy corto, permiten obtener cultivos de alta densidad.

Como resultado, se han vuelto muy populares para el cultivo de algas a gran escala en los sectores nutracéuticos y biotecnológicos, donde los bioproductos derivados de las algas requieren un proceso de deshidratación. Sin embargo, su control de temperatura es limitado a menos que se instalen en un edificio con aire acondicionado o se equipen con camisas de refrigeración, y el producto deba ser más puro para su aplicación final.

Estos sistemas de biorreactores pueden abarcar acres y presentan una relación superficie-volumen increíblemente alta. Esto supone una gran superficie por limpiar, para lo cual se puede utilizar:

✓ La limpieza con “pigs”: en términos generales, consiste en pasar un cepillo de limpieza a través de una tubería para eliminar la biopelícula de esta.

✓ Para la limpieza entre ciclos de cultivo, se emplean grandes cantidades de productos químicos.

Los tanques transparentes de fibra de vidrio reciben luz lateral y superior, pero su profundidad reduce la relación superficie-volumen. Aunque económicos, requieren mano de obra constante para ciclos frecuentes de llenado, inoculación y limpieza.

¿Qué son las bolsas de un solo uso?

Los PBR de bolsa suelen ser más económicos que otros sistemas de biorreactores cerrados en cuanto a la inversión inicial de capital. Dado que las bolsas carecen de estructura propia, requieren mallas metálicas o armazones suspendidos. Por lo general, no cuentan con control de temperatura, por lo que también tienen limitaciones en cuanto a los lugares donde pueden funcionar.

Las bolsas suelen venir irradiadas con rayos gamma o limpias, simplemente porque así se fabrican. Esto permite un entorno limpio para el cultivo de microalgas. Sin embargo, los medios de cultivo que se introducen deben manipularse de forma adecuada; de lo contrario, el cultivo se contaminará rápidamente y habrá que desechar las bolsas, lo que supone una desventaja significativa.

Estos sistemas de biorreactores dependen de:

✓ Pasteurizadores para tratar el agua de entrada, que consumen mucha energía.

✓ Sistemas de agua delicados y pueden presentar fácilmente agujeros o desgarros alrededor de las penetraciones de los racores o en los puntos donde las bolsas están dobladas o selladas.

✓ Por lo general, requieren operadores cualificados para lograr una producción óptima.

Su densidad está limitada por su relación superficie-volumen, lo que da lugar a una amplia gama de formas y tamaños de bolsas. Esto conlleva un gran número de réplicas, requiriendo más espacio y mano de obra.

¿Qué son los fotobiorreactores de panel plano?

Fabricados usualmente en vidrio o plástico transparente, alojan una capa fina (~3 a 8 pulgadas) de sustrato y microalgas laminadas y aireadas desde la parte inferior.

✓ Tienen un recorrido de luz muy corto, similar al de los biorreactores tubulares.

✓ Sus superficies son más difíciles de limpiar debido a su geometría; sin embargo, pueden desarrollar con facilidad zonas muertas de baja circulación.

¿Qué son los fotobiorreactores de iluminación interna?

Los PBR de iluminación interna son, conceptualmente, lo opuesto a los PBR tubulares. En lugar de colocar pequeños tubos de algas en áreas iluminadas, estos introducen pequeñas fuentes de luz en grandes volúmenes de algas. Pueden tener paredes laterales transparentes u opacas, pero la mayoría de los PBR de iluminación interna airean los cultivos de algas desde el fondo.

Gracias a la mezcla y a su elevada relación superficie-volumen, estos PBR pueden alcanzar densidades de 10 a 20 veces superiores a las de los sistemas tradicionales de bolsas o por lotes, lo que representa una enorme ventaja para la producción de microalgas. Al igual que los PBR tubulares, la elevada relación superficie-volumen generada por la penetración de las luces también representa una amplia área para limpiar, por lo que la inserción de luces en los PBR de iluminación interna puede ser un inconveniente a menos que estén equipados con un sistema interno de limpieza en el sitio (CIP, por sus siglas en inglés).

Debido al volumen central de algas, estos sistemas pueden utilizar intercambiadores de calor de manera eficiente para regular automáticamente la temperatura del cultivo. Esto permite un rango más amplio de temperaturas ambientales aceptables para la instalación del PBR, así como un rango más amplio de posibles temperaturas de cultivo.

Al igual que otros PBR cerrados, estos implican una mayor inversión de capital; sin embargo, con el cultivo continuo a alta densidad, amortizan dicha inversión mediante ahorros en mano de obra, menores costos operativos y una mayor bioseguridad. Esto genera innumerables beneficios en etapas posteriores para proyectos de investigación biotecnológica, criaderos (hatcheries) y la producción general de microalgas.

Los PBR cerrados tubulares utilizan tubos estrechos transparentes que maximizan la penetración de luz. Permiten obtener cultivos continuos de alta densidad, ideales para la extracción de bioproductos puros en los sectores nutracéutico y biotecnológico.

¿Qué considerar al evaluar el sistema ideal para su proyecto?

Teniendo en mente todo lo anterior, aquí tiene algunas preguntas iniciales que puede hacerse al elegir el sistema adecuado para sus objetivos:

✓ ¿Qué cantidad de algas busca producir? Defina una métrica en peso seco o cantidad de células por día que necesite para tener éxito y considere sus planes de expansión.

✓ ¿Cómo va a monetizar las algas que produzca? ¿Se utilizarán para alimentar las fases de vida sensibles de los organismos acuáticos? ¿El valor residirá en los servicios ecosistémicos que brindan las algas?

✓ ¿Cuántas cepas de algas necesita producir?

✓ ¿Es su cepa difícil de cultivar de forma continua y constante? (Por ejemplo, dinoflagelados, cianobacterias, diatomeas, etc.).

✓ ¿El espacio disponible en el suelo es un factor limitante, y debería destinar más espacio para el cultivo de algas?

✓ ¿Es importante el cultivo continuo de algas?

✓ ¿Puede encontrar fácilmente técnicos calificados y con experiencia en algas en su localidad? ¿Preferiría invertir en infraestructura para que el personal actual sea más eficiente con su tiempo?

✓ ¿Es la bioseguridad (algas no contaminadas) un factor clave para el éxito, o el valor de las algas está directamente relacionado con su pureza?

✓ ¿Cuenta con luz solar constante y temperaturas estables en su región (por ejemplo, si vive en Hawái) o se beneficiaría de luces artificiales y de un control de temperatura integrado?

✓ ¿Está dispuesto a invertir en la automatización si esta genera un ahorro de mano de obra a largo plazo?

✓ ¿Ha considerado la inversión a corto plazo frente a la de largo plazo?

✓ ¿Cuenta con los conocimientos y habilidades para cultivar algas con éxito por su cuenta o prefiere recibir apoyo de expertos de la industria?

A los expertos en algas de Industrial Plankton les encantaría conversar sobre sus objetivos y ayudarle a encontrar una solución que se adapte a sus necesidades. Visite www.industrialplankton.com para más información o envíe un correo electrónico a sales@industrialplankton.com

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