Mster Universitario en Ingeniera Hidrulica y Medio Ambiente Puesta en marcha de un cultivo de microalgas para la eliminacin de nutrientes de un agua residual urbana previamente tratada anaerbicamente. Ana Ruiz Martnez Abril 2011 Director: Jos Ferrer Polo 1 Contenido I.Objetivos7 II.Introduccin9 1.Las microalgas9 1.1.Tipos y caractersticas10 1.2.Funcin fotosinttica14 1.3.Por qu hay inters en las microalgas?16 1.3.1.Energa16 1.3.2.Depuracin21 1.3.3.Otros productos22 2.Produccin de microalgas24 2.1.Estanques24 2.2.Fotobiorreactores25 2.3.Crecimiento29 2.3.1.Luz29 2.3.2.Nutrientes31 2.3.3.Salinidad34 2.3.4.pH34 2.3.5.Oxgeno34 2.3.6.Agitacin35 2.3.7.Temperatura35 3.Separaciny post-tratamiento de las algas producidas36 3.1.Separacin36 3.2.Post-tratamiento37 4.Barreras y avances en la produccin de microalgas37 III.Algas en depuracin. Aplicacin e investigacin39 1.Historia39 2.Lagunaje40 3.Empleo de algas fijadas40 4.Capacidad de las algas de eliminar otros compuestos41 5.Eliminacin por bioadsorcin y precipitacin42 6.Revisin de ensayos43 2 6.1.Agua residual artificial43 6.2.Agua residual real44 6.2.1.Agua residual urbana44 6.2.2.Agua residual de explotaciones ganaderas y agrcolas45 6.2.3.Agua residual industrial45 IV.Sistema de depuracin propuesto47 1.Introduccin: agua residual urbana. Combinacin de tratamiento anaerobio y cultivo de microalgas47 2.Planta piloto: biorreactor de membranas anaerobio48 3.Proceso de post-tratamiento propuesto51 V.Puesta en marcha de un fotobiorreactor en el laboratorio53 1.Objetivo53 2.Descripcin del montaje53 2.1Sistema de concentracin inicial del cultivo54 2.2Fotobiorreactor54 3.Mtodos analticos57 4.Procedimiento experimental65 4.1.Toma de muestras para la obtencin de microalgas (I)65 4.2.Puesta en marcha del cultivo en el laboratorio (I)66 4.3.Toma de muestras (II)68 4.4.Concentracin de las microalgas mediante filtracin69 4.5.Cultivo de microalgas. Batch y semicontinuo70 5.Resultados obtenidos71 5.1.Batch71 5.2.Operacin en semicontinuo74 6.Conclusiones90 VI.Bibliografa93 3 Indice de tablas Tabla 1: Datos de digestin anaerobia20 Tabla 2: Microalgas empleadas en la degradacin de diversos contaminantes 22 Tabla 3: Estado de la produccin de microalgas para otros usos en 201023 Tabla 4: Productividades de biomasa en fotobiorreactores27 Tabla 5: Caractersticas del agua de entrada y salida a la planta piloto AnBRM51 Tabla 6: Sondas generales para identificacin de bacterias nitrificantes y metanotrficas61 Tabla 7: Volmenes necesarios de formamida y agua mili-Q63 Tabla 8: Toma de muestras inicial. Recuento aproximado de microorganismos65 Tabla 9: Toma de muestras inicial. Recuento exhaustivo66 Tabla 10: Concentraciones de nutrientes en el reactor a t=ti y en la salida puntual68 Tabla 11: Toma de muestras II. Recuento exhaustivo69 Tabla 12: Planificacin del cultivo70 Tabla 13: Seguimiento de la concentracin de nutrientes durante el cultivo batch71 Tabla 14: Caractersticas del agua influente al cultivo de microalgas74 Tabla 15: Caractersticas del agua efluente del cultivo de microalgas75 Tabla 16: Nutrientes eliminados76 Tabla 17: Fsforo suspendido y soluble eliminados. pH del cultivo78 Tabla 18: Valores de clorofila medidos en el cultivo82 Tabla 19: Slidos suspendidos totales y voltiles82 Tabla 20: Contenido en clorofila de la biomasa83 Tabla 21: Recuento exhaustivo de microorganismos en el cultivo tras 34 das84 Indice de figuras Fig. 1: Spirulina o Arthrospira11 Fig. 2: Anabaena11 Fig. 3: Pediastrum12 Fig. 4: Scenedesmus12 Fig. 5: Clorofceas clorococales13 Fig. 6: Clorofceas volvocales13 Fig. 7: Diatomeas penadas y cntrica14 Fig. 8: Estructura de la clorofila a15 Fig. 9: Espectro de absorcin de la clorofila a y b16 Fig. 10: Esquema de un canal de cultivo de microalgas25 Fig. 11: Configuraciones de fotobiorreactores28 Fig. 12: Esquema de varios tipos de fotobiorreactores28 4 Fig. 13: Productividad en un reactor plano en funcin de la densidad del cultivo31 Fig. 14: Productividad de Chlorococcum littorale31 Fig. 15: Consumo de dixido de carbono (mg/Ld) por varias especies de microalgas32 Fig. 16: Diagrama de flujo de la planta piloto49 Fig. 17:Diagrama de flujo del tratamiento propuesto52 Fig. 18: Montaje de laboratorio para concentracin inicial de la muestra54 Fig. 19: Membrana empleada55 Fig. 20: Disposicin del sistema de iluminacin56 Fig. 21: Alimentacin del fotobiorreactor con el agua efluente del AnBRM56 Fig. 22: Obtencin del efluente del cultivo de microalgas mediante filtracin57 Fig. 23: Smartchem57 Fig. 24: Cultivo de la muestra tomada67 Fig. 25: Seguimiento del OD y pH tras alimentar 1300 mL67 Fig. 26: Reactor tras la concentracin por filtracin y aclimatacin69 Fig. 27: Concentracin de nutrientes en el reactor durante el primer batch 72 Fig. 28: pH y oxigeno disuelto en el reactor durante el primer batch 73 Fig. 29: Concentracin de clorofila durante el primer batch73 Fig. 30: Fsforo suspendido, fosfato eliminado y pH mximo en el cultivo78 Fig. 31: Seguimiento de pH y OD. Semana con alimentacin 600mL/d79 Fig. 32: Seguimiento de pH y OD. Semana con alimentacin 800mL/d80 Fig. 33: Seguimiento de pH y OD. Semana con alimentacin 1000mL/d80 Fig. 34: Seguimiento de pH y OD. Semana con alimentacin 1500mL/d81 Fig. 35: Evolucin de la clorofila durante el cultivo en semicontinuo81 Fig. 36: 07/02/2011. Muestra de la Albufera concentrada85 Fig. 37: Muestra del fotobiorreactor durante el primer batch85 Fig. 38: Muestra del fotobioreactor durante proceso semicontinuo. 01/03/201186 Fig. 39: Muestra del fotobioreactor durante proceso semicontinuo. 04/03/201186 Fig. 40: Muestra del fotobioreactor durante proceso semicontinuo. 11/03/201187 Fig. 41: Muestra del fotobioreactor durante proceso semicontinuo. 21/03/201187 Fig. 42: Imagen en contraste de fases y en epiflorescencia de muestras sin hibridar88 Fig. 43: Positivos para amoniooxidantes Gramm -, muestra del 01/03/201189 Fig. 44: Positivos para amoniooxidantes Gramm -, muestra del 01/03/201189 Fig. 45: Positivos para metanotrficas, Gramm -, muestra del 01/03/201189 5 Puesta en marcha de un cultivo de microalgas para la eliminacin de nutrientes de un agua residual urbana previamente tratada anaerbicamente. Mster Universitario en Ingeniera Hidrulica y Medio Ambiente Universidad Politcnica de Valencia Ana Ruiz Martnez Abril 2011 6 7 I.Objetivos Elpresentetrabajodescribelapuestaenmarchadeunfotobiorreactoraescalade laboratorio para el cultivo de microalgas.Elobjetivodedichomontajeescomprobarlaviabilidaddeuncultivodemicroalgas autctonas en condiciones controladas de luz, temperatura y nutrientes. Este cultivo se lleva a cabo de modo que el aporte de nutrientes se realiza a partir del agua efluente deunsistemadetratamientoanaerobiodeaguasresidualesyaexistente.La caractersticaprincipaldedichaaguaeslapresenciadenutrientesminerales (nitrgenoyfsforo)yunbajocontenidoenmateriaorgnica,loquelohaceen principioapropiadoparaunpost-tratamientomedianteelcultivodemicroalgas propuesto.Enunprimerapartadodeltrabajoseintroducenalgunosconceptosbsicos relacionadosconlasmicroalgas,conlossistemasdeproduccinactualesyconsus posibles aplicaciones. A continuacin se detalla la informacin sobre su posibilidad en elcampodeltratamientodeaguas,parafinalmentepresentarelfotobiorreactor montado en el laboratorio y los resultados obtenidos. 8 9 II.Introduccin 1. Las microalgas Bajoeltrminodemicroalgaseincluyenaquellosmicroorganismosunicelulares capacesdellevaracabolafotosntesis.Enestacategoraquedanagrupadaslas cianobacterias(conocidastradicionalmentecomoalgasverdeazuladas)juntocon algas eucariotas (tradicionalmente algas verdes, rojas y doradas).Las microalgas son en general organismos fotoauttrofos, es decir, obtienen la energa delaluzprovenientedelSolysedesarrollanapartirdemateriainorgnica.Sin embargo, algunas especies son capaces de crecer empleando materia orgnica como fuente de energa o de carbono. Segn esto, la produccin de microalgas se divide en: Fotoauttrofa:lasalgasobtienenlaenergadelSolyelcarbonode compuestos inorgnicos (sales). Son a las que nos referiremos principalmente en este trabajo. Fotohetertrofa:obtienenlaenergadelSolyempleancompuestosorgnicos como fuente de carbono. Mixotrfica:muchasalgassoncapacesdecrecerbajoprocesostanto auttrofoscomohetertrofos,demaneraquelafuentedeenergaestantola luz como la materia orgnica. El carbono lo obtienen por tanto de compuestos orgnicosydeCO2.AlgunasdeestasalgassonlaSpirulinaplatensisola Chlamydomonas reinhardtii. Hetertrofa:loscompuestosorgnicosproporcionantantolaenergacomola fuente de carbono. Es decir, existen en efecto algas que pueden desarrollarse bajo ausencia de luz, como por ejemplo Chlorella protothecoides. La produccin fotoauttrofa de algas (para uso distinto al energtico) es actualmente la nica tcnica y econmicamente viable a gran escala (Brennan 2010) La composicin de las microalgas (contenido en lpidos, carbohidratos y protenas) es variable,ypuedesermanipuladamediantevariosparmetrosduranteelprocesode sucultivo.Dependeobviamentetambindelaespecieconsiderada.Engeneral,las cianobacterias tienen un contenido de hasta 20% en lpidos, mientras que el contenido lipdico de las algas procariotas oscila entre un 20 y 50% en peso seco. La relacin C:N para las microalgas vara entre 6 y 9 dependiendo de las especies. Comofrmulamoleculardelasmicroalgassepuedeemplear,amodogeneral,la siguiente, propuesta por Grobbelaar (2004): C106H181O45N16Pde donde se deduce que un kilogramo de microalgas contendra: 10 -523,9 g de carbono -74,5 g de hidrgeno -296,5 g de oxgeno -92,2 g de nitrgeno -12,76 g de fsforo Un estudio de Ras et al (2011) da el siguiente contenido en un kilogramo de algas en masa seca: 367 g de carbono 61 g de nitrgeno 8,1 g de fsforo 6,6 g de potasio A partir de lo que se puede deducir el grado de variabilidad en la composicin de las microalgasestudiadas.Elmismoestudioempleaunfactordeconversinentre5,1y 7,7 109 clulas/g DQO y un valor de 1,33-1,43 g DQO/g SSV El tamao de las algas eucariotas vara entre 0,530 m (Markou 2011), mientras que las cianobacterias pueden llegar a medir hasta 200 m. Cabedestacarlacomparacinresultanteentrelasaproximadamente250.000 especies de plantas verdes existentes en el planeta y los varios millones estimados de especies diferentes de microalgas. 1.1.Tipos y caractersticas Cianobacterias Las cianobacterias o cianofceas son un grupo extenso perteneciente al reino de las eubacterias. Son por tanto procariotas, es decir, no presentan un ncleo diferenciado sinoquesumaterialcelularseconcentraenunaregindelcitoplasmadenominada nucleoide. Pertenecen a la divisin de las cianofitas y son bacterias Gramm negativas. Lascianobacteriassonorganismosplanctnicossinmotilidadpropia,condiferencias morfolgicasentres,ysupresenciaescomnenmediosextremos.Sedesarrollan tantoenaguasdulcescomosalobresosalinas,ysoncapacesdeproducirgrandes florecimientosconocidoscomobloomscuandoelmediopresentaelevadas concentracionesdenutrientes.Estosbloomsdecianobacteriasindicanportantoque el medio est eutrofizado.Engeneral,comoenelrestodemicroalgas,elhbitatylasnecesidadesecolgicas dependen del gnero o incluso de la cepa estudiada. Lascianobacteriashansidotradicionalmenteconocidascomoalgasverde-azuladas, debidoaque,juntoalaclorofila,contienendospigmentosaccesorios(ficocianinay ficoeritrina) que le confieren su aspecto azul-verdoso. 11 Spirulinaplatensisessindudaelgnerodecianobacteriamsestudiado,porsu importanciaenalimentacinylaproduccindemetabolitos.Otrosgnerosson Anabaena,Anabaenopsis,Aphanizomenon,Nadularia,Oscilatoria,Phormidium, Nostoc, Nostochpsis y Scytonema. -Spirulina: Actualmente conocida como Arthrospira, tiene su rango de pH ptimo entre9y10yadmitehastapH11,5,peronosedesarrollaapH7.Trasel aislamientodediversascepasyunestudiosobresutemperaturaptimade crecimiento, se ha llegado a la conclusin que para algunas sta se sita entre 24-28Cmientrasqueparaotrascepaselrangollegahasta40-42C.Su eficiencia de fijacin de CO2 puede llegar al 38%, siendo una de las ms altas entre las microalgas. Se ha comprobado tambin que puede crecer en medios con alta carga orgnica, con hasta 10 g acetato/L, as como que es, junto con OscilatoriayAnabaena,capazdetomarcomonicafuentedenitrgenoel nitrgenomolecularN2,queempleaconlaayudadelaenzimanitrogenasa, reducindolo a amonio. Fig. 1: Spirulina o Arthrospira -Anabaenasp.:SurangoptimodepHsesitaentre7,4y8,4ysu productividaddisminuyesignificativamenteapHmayoresde9.Sus velocidades de fijacin de CO2 llegan a 1,45 gCO2/Ld. Fig. 2: Anabaena -Nostoc:Cianobacteria de agua dulce. Forma colonias esfricas compuestas de filamentos (tricomas). 12 Algas eucariotasLasclorofitasoalgasverdessonungrupo(divisin)importantedemicroalgas,que debensucoloralaclorofila(sobretodoclorofilaayb),carotenoidesyxantofilas presentes en su estructura. Son tambin capaces de provocar florecimientos o blooms. Laclasemsdestacadadeclorofitassonlasclorofceas,entrelasqueasuvez destacanlasrdenesdelasvolvocales(organismosdeaguadulceprovistosde flagelos)ylasclorococales(microorganismosdesprovistosdeflagelos).Destacamos algunas de las ms estudiadas y que encontraremos en este trabajo ms adelante: -Pediastrum: clorofcea clorococal colonial con morfologa muy caracterstica. Fig. 3: Pediastrum -Scenedesmus: clorofcea clorococal. Es un alga colonial, donde 2, 4 u 8 clulas alargadasseunen.Amenudopresentanespinasenlosextremos.Escomn enaguasdulcesysalobresencondicionesdenutrientesmedio-altas.La relacin ptima de nutrientes para este alga es N:P 16:1. Fig. 4: Scenedesmus -Chlorella:clorofceaclorococalespecialmenteconocidaporsucapacidadde eliminarnutrientesdelagua.Sedesarrollaportantoenmediosricosen nutrientes.Esconocidaporserunadelasmicroalgasdemsrpido crecimiento. Es esfrica y su dimetro oscila normalmente entre las 2 y 10 m. Contiene clorofila a y b. 13 3 Actinastrum, longitud 24 mMonoraphidium(alargada)51 micraslongitud82 m41 mDimetro 8 micrasAnkistrodesmus19m Fig. 5: Clorofceas clorococales -Dunaliellasalina:clorofceavolvocal,secaracterizapordesarrollarseen medios de alta salinidad. Fig. 6: Clorofceas volvocales Las crisofitas o algas doradas deben su color al enmascaramiento de la clorofila por partedelaltocontenidoencarotenos.Lasdiatomeas,algasquepresentanuna estructurasilcea,pertenecenaestegrupo.Entresuspigmentosfotosintticos destacan la clorofila a y c y la fucoxantina (un carotenoide). 14 67 x5 m147 x10.6 m12 m Fig. 7: Diatomeas penadas y cntrica Lasrodofitasoalgasrojassonrepresentativasdelmediomarino,encontrndose pocas en aguas dulces. Sus pigmentos fotosintticos incluyen tres tipos de ficobilinas que les confieren su color caracterstico. 1.2.Funcin fotosinttica La fotosntesis es un proceso llevado a cabo por organismos fotoauttrofos, que tienen la capacidad de sintetizar materia orgnica partiendo de la energa del Sol y la materia inorgnica. La importancia de este proceso no puede ser discutida, ya que la vida en la Tierrasemantiene fundamentalmente graciasalafotosntesisquerealizanlasalgas enelmedioacuticoylasplantasenelmedioterrestre,yaquestasintroducenlos nutrientes minerales en la base de la cadenas trficas de los ecosistemas, generando materia orgnica que es consumida por organismos superiores. Lasmicroalgas,comolascianobacteriasyaligualtambinquelasplantasverdes, empleanlaenergadelaluzdelSolparagenerarunoxidantelosuficientemente potentecomoparaextraerdelaguaoxgeno,protonesyelectrones.Loselectrones extradosdelaguareducen,enlafaseluminosadelafotosntesis,elNADP+a NADPH. NADP+eslaformaoxidadadelanicotinamidaadeninadinucletidofosfato,una coenzima que interviene en numerosas vas anablicas. NADPH es su forma reducida, que interviene en la fase oscura de la fotosntesis (ciclo de Calvin) donde se reduce el CO2. El NADPH acta como transportador de energa, la cual se emplea finalmente en sintetizar macromolculas orgnicas a partir de molculas precursoras pequeas.La estequiometria del proceso fotosinttico total, en el que se libera oxgeno molecular, es como sigue: 6 +6++ 6 15 Donde h representa la energa lumnica en funcin de su frecuencia y la constante dePlanckh.ElprocesofotosintticodefijacindeCO2provocaunaumentogradual de pH en el medio debido a la acumulacin de OH-. En la actualidad se denomina a este proceso fotosntesis oxignica, y se diferencia de la fotosntesis anoxignica o bacteriana, llevada a cabo por las bacterias purpreas y verdesdelazufre.Enesteproceso,enelquenoentraremosenmayordetalle,el dadordeelectroneseselsulfurodehidrgeno,yconsecuentemente,elelemento qumicoliberadonoseroxgenosinoazufre.Elazufrepuedeseracumuladoenel interior de la bacteria, o expulsado al agua. Dentrodelasclulas,lafotosntesistienelugarenloscloroplastos,unosorgnulos citoplasmticos de color verde exclusivos de las clulas fotosintticas. En una cmara ensuinteriorseencuentraelestroma,unmediointernodondetienenlugarlas reaccionesoscurasdelciclodeCalvin.Elestromaalbergacomponentesnecesarios para la fotosntesis, como la principal enzima responsable de la fijacin del dixido de carbono: la RBP-carboxilasa o RuBisCO. Es una protena formada por 16 polipptidos que cataliza la trasformacin del CO2 a una forma orgnica. Porsuparte,lospigmentosfotosintticosseencuentranenlamembranadelos tilacoides,unossacosquesontambinllamadoslamelas.Lospigmentosque absorben la luz solar son: -Clorofila:Laclorofilaaeselpigmentoinvolucradodirectamenteenla transformacin de la energa lumnica en energa qumica. Absorbe en la regin delrojo(650-700nm)yazul(400-500nm).Lasclulasfotosintticascasi siemprecontienenunsegundotipodeclorofila,laclorofilab,conunespectro deabsorcinligeramentediferente.Tambinexisteunaclorofilac,lacualse puede hallar en algas pardas. El contenido de clorofila del alga fitoplanctnica esentreel1y2%enpesoseco.Larelacinclorofila:carbonovariaportanto bastante, dependiendo de la fase de crecimiento: desde menos de 1:100 a ms de 3:100. -Carotenoides,queabsorbenenlaregindelazul(400-500nm)yse encuentran principalmente en las bacterias purpreas. Se dividen en carotenos y xantofilas. Fig. 8: Estructura de la clorofila a 16 Fig. 9: Espectro de absorcin de la clorofila a y b -Ficobilinas,queabsorbenenlareginanaranjadadelespectro(600-650).Se encuentran presentes slo en las cianobacterias y las algas rojas. 1.3.Por qu hay inters en las microalgas?Elcultivodealgashasidoobjetodeestudiodurantelasltimasdcadasdebidoal inters suscitado tanto por su capacidad para combatir el efecto invernadero (eliminar elCO2decorrientesgaseosasindustriales)comoparalaobtencindeproductosde valoraadido(nutricin,farmacia,qumicafina,etc.)y,principalmente,comofuente alternativaaloscombustiblesfsilestradicionales(produccindebiodiesel, biometano, biohidrgeno y bioetanol).A continuacin entraremos en detalle en los usos e investigacin en cada uno de estos campos: 1.3.1. Energa Podra decirse que una de las principales preocupaciones actuales es la bsqueda de fuentesdeenergasustitutasocomplementariasalpetrleo,dadoelpronsticodel agotamientodelasreservasdelplanetaylosproblemasderivadosdesuuso: emisiones de efecto invernadero, subida de los precios, inestabilidad de los mercados por dependencia energtica de pases productores, etc.La investigacin actual en microalgas est mayoritariamente centrada en la obtencin decultivosconaltocontenidoenlpidosparalaproduccindebiodiesel.Existen,sin embargo,ademsdedichaconversinqumica,otrasposibilidadesde aprovechamientoenergticodelasmicroalgas,demodosimilaracomose aprovechanotrostiposdebiomasadelplaneta(residuoforestal,residuoorgnico urbano,etc.):medianteconversintermoqumica,qumicaobioqumica.Todasestas posibilidades se detallan a continuacin. 17 Biodiesel Elbiodieselesuncombustiblelquidoobtenidoapartirdelpidosmedianteprocesos de esterificacin y transesterificacin. Estos lpidos provienen de grasas animales o de aceites de diversos cultivos, como los de soja (en la actualidad la materia prima ms empleada), maz, girasol, palma, colza, remolacha, jatropha, etc. El principal problema de estas materias primas vegetales es la necesidad de grandes extensiones de tierra para su cultivo y la competencia con productos de alimentacin, lo que ha generado en los ltimos aos un amplio debate sobre su sostenibilidad econmica, medioambiental y social. Numerosasespeciesdemicroalgaspuedenserinducidas,manipulandolas caractersticas fsico-qumicas del medio de cultivo, a producir elevadas cantidades de lpidos o cidos grasos, que pueden ser posteriormente empleados para la produccin debiodiesel.Estasmanipulacionespuedensersimples,comovariacindela salinidad,temperatura,pHodisponibilidaddemicronutrientes.Laacumulacinde lpidosseatribuyeaunconsumodeazcaresmayoralcrecimientocelular,que favorece la conversin a lpidos de los azcares en exceso. Sin embargo, y por regla general,lasmicroalgasconaltocontenidolipdiconopresentanaltasvelocidadesde crecimiento. Es por ello que lo que se busca optimizar es la produccin neta de lpidos por unidad de volumen de reactor o de superficie ocupada. Las ventajas del empleo de algas para la obtencin de biodiesel son principalmente las siguientes: -No compite en el mercado de productos de alimentacin. -La produccin no es estacional por dependencia con las cosechas. -El consumo de agua es menor. -La superficie necesaria para su cultivo es mucho menor: empleando aceite de colza se producen alrededor de 1190 L biodiesel/ha de cultivo, mientras que en el caso de las algas se pueden obtener hasta 12000 L/ha. -Su alta velocidad de crecimiento en comparacin con los cultivos tradicionales: laproductividadporunidaddesuperficieesentre20y40vecesmayorenel caso de las algas. -Eliminacin del empleo de herbicidas y pesticidas. Los principales problemas tcnicos de la obtencin de biodiesel a partir de microalgas radicanenladificultaddelaextraccindeloslpidosdelasclulas.Estos procedimientossoncomplejosyestntodavaenfasededesarrollo.Losprincipales problemaseconmicosderivanporconsecuentedelaltopreciodelatecnologa necesaria, as como del hecho que compiten con precios de carburantes relativamente bajos. 18 Conversin termoqumica La conversin termoqumica es la descomposicin trmica de la materia orgnica de la biomasa mediante diferentes mtodos:-Lacombustindirectageneragasescalientesquemandolabiomasaen presenciadeaire.Pesealaposibilidaddequemartodotipodebiomasa,el proceso slo es rentable para aquella con un contenido en humedad menor al 50%.Laviabilidaddelempleodemicroalgasencombustinnohasido estudiadacomotal,sinembargoexistenestudiosdondelabiomasaalgalse combinaconcarbnensucombustin,disminuyendolaproduccindegases de efecto invernadero. -Gasificacin: es la oxidacin parcial de la biomasa a temperaturas entre 800 y 1000C, que genera gas de sntesis (una mezcla de CO2, H2, CO2, N2 y CH4). ExistenestudiosdegasificacindemicroalgascomoSpirulinayChlorella,sin embargo la bibliografa al respecto es escasa. -Lapirlisistransformalabiomasa,enausenciadeaireymediante temperaturas que oscilan entre los 350 y 700C, a aceite, carbn vegetal y gas desntesis.Lainvestigacinactualdefiendeelpotencialdelapirlisiscomo medio para obtener carburantes lquidos sustitutos del petrleo. Existen varios tipos de pirlisis aunque los procesos presentan todava barreras tcnicas que salvarparatratarcorrectamentelosaceitesproducidos(craqueocataltico, hidrogenacin,eliminacindelcalis,etc.).Lainvestigacinenpirlisisde algaspresentaresultadosprometedoresquepodranllevaralaexplotacin comercial, sobre todo a partir de microalgas que crecen en heterotrofia. -La licuefaccin termoqumica de las microalgas representa una opcin viable parasuaprovechamientoenergtico,yaquenoesnecesarioelsecadodela biomasa.Seempleanbajastemperaturasalrededorde300350Cyaltas presiones (5-20 MPa), junto con un catalizador en presencia de hidrgeno. Los reactoressoncomplejosylatecnologaescostosa,sinembargo,existen diferentes estudios que demuestran un balance energtico positivo del proceso completo de licuefaccin de por ejemplo B. braunii o Dunaliella tertiolecta. Hidrgeno Lasmicroalgasposeenlascaractersticasgenticas,metablicasyenzimticaspara producirhidrgenoencondicionesanaerobias.Lasenzimashidrogenasasson capaces de producirlo a partir de los protones extrados del agua, si bien son inhibidas rpidamente por dicho hidrgeno producido. La microalga Chlamydomonas reinhardtii, porejemplo,escapazdeproducirhidrgeno gaseosoenlugardeoxgenomolecular mediante la fotosntesis cuando hay deficiencia de azufre. Esto indica que existen vas alternativasdetransportedeelectronesduranteelprocesofotosintticoqueno implicanaloxgenooalNADP+.Lasinvestigacionesalrespectosonrecientesypor tantolosresultadosconcretossonanescasos.Seestnllevandoacabo investigacionesaescaladelaboratorioydesarrollandodiferentesmtodospara 19 incrementarelrendimientodelaproduccinyoptimizarelproceso.Existen principalmentedosmtodos:produccinsimultneadeoxgenoehidrgenoy produccinendosetapas,enlasegundadelascualeslasalgassevenprivadasde azufre. Conversin bioqumicaLaconversinbioqumicadelabiomasademicroalgasincluyeprincipalmentela digestinanaerobiaylafermentacinalcohlica.Enlaprimera,labiomasadebe presentar, para un buen desarrollo del proceso, una relacin C:N apropiada, mientras queparalafermentacinconvistasaobtenerbioetanolesdeseablequelabiomasa contengaaltocontenidoencarbohidratos,yaquestossonlosfinalmente transformados en alcohol. Lafermentacinanaerobiayladigestinanaerobiasonlosprocesosde aprovechamientoenergtico,juntoconlalicuefaccintermoqumica,enlosquelas microalgassepuedenemplearenbasehmeda,mientrasqueotrosmtodosde recuperacinenergtica,comoporejemploenlarecincomentadaproduccinde biodiesel, implican el secado de la biomasa. Las operaciones de secado de la biomasa son,comoveremos,unprocesoconunsensibleconsumoenergticoquedebeser tenido en cuenta. -Fermentacinalcohlica:lafermentacinesunproceso,llevadoacabopor levaduras,enquelosazcarescomplejoscomoelalmidnolacelulosason convertidos en etanol en ausencia de oxgeno. Es un proceso exotrmico que se lleva a cabo en fermentadores a temperaturas bajas (alrededor de los 30C) y tras el proceso de fermentacin el producto obtenido se destila para eliminar aguas y otras impurezas. El producto final contienen un 95% en etanol y puede serempleadocomocarburante.Sehanobtenidoresultadosdehastaun65% de eficiencia en la conversin en etanol de Chlorella vulgaris, que supone una buenamateriaprimaporsualtocontenidoenalmidn(aproximadamenteun 37%enpesoseco).Sinembargo,labiomasaprovenientedemicroalgas necesitaunprocesado previoadicional,porloquelaviabilidaddeproduccin de etanol a partir de microalgas es todava discutida. -Digestinanaerobia:ladigestinanaerobiaesunprocesollevadoacabopor bacteriasdondelabiomasaestransformadaenbiogs,ungasquecontiene metano y CO2, junto con trazas de otros gases como H2S. Tiene lugar en tres pasos:hidrlisisdeloscompuestoscomplejosenazcares,fermentacinde estos compuestos en alcohol, cido actico, cidos grasos voltiles, hidrgeno gas y CO2, y metanognesis, mediante la cual se produce el metano. En este proceso se puede emplear biomasa con un 80-90% de contenido en humedad, por lo que hace apropiado el uso de microalgas.Esta idea fue mencionada por primera vez en 1957 por Golueke, quien compar la digestin anaerobia de las microalgas Chlorella y Scenedesmus con la de los fangos de aguas residuales domsticas.Dichoestudioproporcionaunosdatosdepotencialde biometanizacin de 0,25-0,50 L CH4/g SV para las microalgas a 3550 C y con 20 untiempoderetencinde11das.Losslidosvoltileseliminadosfueronun 45%.Losresultadosobtenidosconposterioridad(aescaladelaboratorioya escala industrial) son similares, y las principales causas que desde entonces se atribuyenalosbajosrendimientossonlatoxicidaddelamonioyelcarcter recalcitrante de las paredes celulares de las microalgas. La relacin C:N de las algas, que oscila alrededor de 6:1, es un valor menor al recomendado para la digestinanaerobia(30-40),porloqueunaposibilidadparamejorardicho procesoseralacodigestincon residuosdemayorrelacinC:N, como fango dedigestindedepuradorasdeaguaresidual,aguaresidualdelaindustria papelera, etc. (Salerno 2009). Laventajadeladigestinanaerobiacomoestrategiadeaprovechamiento energtico de las microalgas, frente al biodiesel principalmente, es que elimina elpasodeextraccindelpidosysuconversinqumicaposterior,loque podrareducirelconsumoenergticoglobal.Porotrolado,laposibilidadde reciclarlosnutrientespresentesenlafraccinlquidaresultantepotenciala sostenibilidad del proceso. SegnCollet(2011)ladigestinanaerobiadelasmicroalgasproduceuna cantidad de biogs aprovechable para la obtencin de energa que compensa el consumo necesario en el proceso del cultivo de la biomasa y su separacin del agua tratada mediante membranas. Caractersticas de la biomasa gSSV/gSST0,90 gDQO/gSSV1,43 gCOT/gDQO0,29 gNKT/gCOT0,167 Digestin anaerobia mL CH4/gSSV292 mLCH4/gDQO204 %CH4 en el biogs70 Biodegradabilidad0,56 Tabla 1: Datos de digestin anaerobiaobtenidos por Ras et al (2011) Cabe destacar que la conversin bioqumica de las microalgas puede tener lugar tras la extraccin de los lpidos para su empleo en produccin de biodiesel, con lo que es posiblelacombinacindevariossistemasdeaprovechamientoenergticopara mejorar el rendimiento global 21 1.3.2. Depuracin Lafitoremediacin,entrminosgenerales,eselempleodeplantasparala eliminacinotransformacindecontaminantes,incluyendoporejemplonutrientes presentes en el agua o el CO2 presente en gases de escape. La fitoremediacin lleva asociadaunaproduccindebiomasa,yaseastaplantassuperiores(filtrosverdes, etc.), macroalgas o microalgas.Unadelasprimerasdescripcionesdelempleodealgaseneltratamientodeaguas residualesseremontaa1957ysedebeaOswald,quiendescribeunsistemade tratamientomediantelagunaje.Lasalgashanidoganandoatencindesdeentonces debidoasupotencialdeeliminacindenutrientesdeaguasresidualesurbanas(de-Bashan 2010), industriales (Bordel 2009) y de la agricultura (Olguin 2003).Juntoaloscultivosdealgasensuspensin,otrosautoreshaninvestigadola depuracindeaguasresidualesmediantealgasfijasenmedioscomoalginatoo quitosn, o mediante biofilms (Abe y Takahashi 2008).Sehanprobadotantomonocultivoscomocultivosdevariasespeciesenaguas residualesartificialesyreales,demodoqueinvestigacionesparalelashanconcluido, sobreunextensonmerodeespeciesdemicroalgas,questassonaptasparala eliminacindecontaminantesenaguasresidualesyquelaeficaciadelprocesoes prometedora.Losresultadosmuestranporcentajesdeeliminacinquealcanzanel 100% en algunos casos, aunque obviamente varan en funcin de las condiciones de operacin,especiesempleadas,ycaractersticasdelaguaresidual.Otrosestudios hantrabajadoconaguasdeelevadacargaorgnica,yaseadeganaderao agricultura, concluyendo asimismo que la depuracin mediante microalgas es posible. Algunas de las especies estudiadas son Phormidium, Botryococcus, Chlamydomonas, Scenedesmusobliquus(Martnezetal.,2000,Parketal.,2010),Spirulinaplatensis (Lodi et al., 2003, Olgun et al., 2003) y Chlorella sp. (Hernndez et al., 2006, Wang et al., 2010). Estas especies pueden utilizar en su crecimiento diferentes compuestos de nitrgenotalescomoamonio,nitratoourea(Xinetal.,2010).EnlaseccinIIIse realiza una revisin a este tipo de trabajos. Asimismo, numerosos estudios se han centrado en el secuestro del CO2 por parte de lasalgas,debidoalefectoinvernaderodelgasyalhechodequelasmicroalgasy cianobacterias pueden fijar CO2 con una eficiencia entre 10 y 50 veces mejor que las plantas terrestres. Cabe destacar tambin el potencial que presentan las microalgas en la eliminacin de metales pesados en las aguas residuales, como se revisa en la seccin III. EnlaTabla2seresumenalgunasdelasmicroalgasquehansidoempleadasenla depuracin de diversos tipos de aguas residuales. 22 MicroalgaTipos de aguas residuales Prototheca zopfiHidrocarburos derivados del petrleo Chlorella pyrenoidosaTintes azoicos en aguas residuales Chlorella sp.Residuos de ganadera digeridos anaerbicamente Ankistrodesmus y Scenedesmus Aguas residuales de industria del papel y alperujos Spirulina platensisAgua residual urbana Chlorella sokonianaAgua residual en heterotrofia sin luz Botryococcus brauniiAgua residual tras tratamiento secundario ScenedesmusAltos niveles de amonio en efluente de digestin anaerobia Tabla 2: Microalgas empleadas en la degradacin de diversos contaminantes (Rawat 2010) 1.3.3. Otros productos Laproduccinaescalaindustrialdealgaspara usosnoenergticoscomenzenlos aos sesenta en Japn con el cultivo de Chlorella para aditivo en alimentacin. Este consumoseextendiapasescomolosEEUU,India,IsraeloAustralia.Elconsumo de microalgas para alimentacin est sin embargo restringido a unas pocas especies debido a la estricta regulacin en materia de alimentos. El mercado est dominado por Chlorella, Dunaliella y Spirulina en forma de comprimidos o en polvo, si bien es cierto queexistenestudiosquerelacionanelconsumodecianobacteriasconvarias enfermedades del sistema nervioso. Lasmicroalgassonunafuenteimportantedecidosgrasospoliinsaturados, esencialesparaelserhumanopor,entreotrascosas,reducirelriesgode enfermedadescardiovasculares.Estoscidosgrasossuelenobtenerseapartirde aceitesdelpescado.Actualmenteelnicodisponiblecomercialmenteapartirde microalgaseselcidodocosahexaenoico(DHA)yaquelaobtencindeotros (eicosapentaenoico EPA, gamma linoleico GLAy araquidnico AA) no es competitiva con la produccin a partir de otras fuentes.Las microalgas se cultivan tambin para alimentacin animal como suplementos que mejoranlarespuestainmunolgicaofertilidad,controlanelpesooelestadodelas pielesdelosanimales.SeempleanmicroalgascomoChlorella,Spirulinao Scenedesmus, principalmente en acuicultura. De las microalgas, sobretodo de Dunaliella salina, se obtiene -caroteno, que tiene un ampliorangodeaplicacionescomocolorante,fuentedeprovitaminaAyaditivoen cosmticos.LamicroalgaHaematococuspluvialisproduceastaxantina,queseempleaenla industrianutracutica,cosmtica,decolorantesydealimentacin.Esunpotente antioxidante con posibles acciones beneficiosas en humanos como proteccin ante la 23 radiacin UV, precursor hormonal y del sistema inmunolgico, antiinflamatorio y fuente de provitamina A. La C-ficocianina, que se obtiene principalmente de Spirulina platensis y Porphyridium cruentum, es un pigmento fotosinttico con aplicaciones en nutricin humana y animal ycomocolorantenaturalparaalimentosycosmticos,ascomoenlaindustria farmacutica por su poder antioxidante. Elcarbnvegetalresultantedelapirlisis(verapartado1.3.1)seempleacomo fertilizanteysehapropuestocomounbiocombustiblequefijaCO2,aunquelos estudios no son concluyentes (Brennan 2010). Microalga Produccin anual(tn peso seco) Pas productorAplicacin y productoPrecio () Spirulina3000 China, India, EEUU, Myanmar, Japn Nutricin humana36 kg1 Nutricin animal Cosmticos Ficobiliprotenas11 mg1 Chlorella2000 Taiwan, Alemania, Japn Nutricin humana36 kg1 Cosmticos Acuicultura50 L1 Dunaliella salina1200 Australia, Israel, EEUU, Japn Nutricin humana Cosmticos -caroteno 215 2150 kg1 Aphanizomenon flos-aquae 500EEUUNutricin humana Haematococcus pluvialis 300EEUU, India, Israel Acuicultura50 L1 Astaxantina7150 kg1 Shizochytrium 10 tn aceite DHA EEUUDHA43 g1 Crypthecodinium cohnii 240 tn aceite DHA EEUUDHA43 g1 Tabla 3: Estado de la produccin de microalgas para otros usos en 2010 (Brennan 2010) 24 2. Produccin de microalgas Comosehacomentado,lasmicroalgassepuedencultivardemanerafotoauttrofa, hetertrofaoencondicionesdemixotrofia.SegnBrennan(2010)laproduccin fotoauttrofa es hoy en da el nico mtodo de produccin de microalgas a gran escala que resulta econmicamente rentable y tcnicamente viable en el caso de que no haya produccin de energa. Respecto a los sistemas de cultivo, stos se suelen clasificar, segn su configuracin y tipodefuncionamiento,encultivoabierto(canalesoestanques)yfotobiorreactores. Los cultivos abiertos son una tecnologa relativamente simple que consiste en realizar elcultivodemicroalgasenestanquesoencanalesdeunos20a50centmetrosde profundidad. Los fotobiorreactores, por el contrario, se basan en el cultivo de algas en espacios cerrados con geometras de diverso tipo. 2.1.Estanques Este sistema de cultivo abierto se ha venido empleando desde los aos 50 (Borowitzka 1999) y es el ms comn para la produccin comercial de microalgas (Pulz, 2001). Se pueden clasificar en aguas superficiales naturales, como estanques, lagunas y lagos, y estanquesartificiales.Dentrodestosltimos,losestanquesdecarruselocanales sonlosmsempleados(racewaypondseningls).Suelensercanalesdehormign ovalados,dondeelcultivoesrecirculadoymezcladoparafavorecerlaestabilizacin delcrecimientoyproductividaddelasmicroalgas.Unrodeteseencargadeello,de modoqueelinculoylosnutrientesseintegranenelsistemaalprincipio,ylas microalgasserecirculanatravsdelloophastaelpuntodeextraccin.Seevitaas tambin la sedimentacin. Debidoasupocaprofundidad,ladifusindesdelaatmsferapermitealasalgas obtener el CO2 necesario para su crecimiento. En ocasiones, sin embargo, se instalan difusores en el fondo del estanque.Laproduccinmedianteestanquesolagunajeesunmtodomsbaratoen comparacinconlosfotobiorreactores,tantoeninversincomoenmantenimientoy consumo energtico durante el funcionamiento. En la Fig. 10 se muestra un esquema de un estanque de carrusel. 25 Fig. 10: Esquema de un canal de cultivo de microalgas Enunsistemadecultivoabiertoesdifcilmantenerunasolaespeciedemicroalga, debidoalafacilidaddecontaminacinbiolgica,quepuedeinclusosuponerla infeccin de dicho cultivo por bacterias u otros microorganismos. El modo de conseguir mantenerunmonocultivoenestetipodesistemasesmedianteelcontroldelas condiciones ambientales, de modo que stas tomen valores extremos. Esto es posible conalgunostiposdemicroalgas(extremfilas),peronocontodas.Porejemplo, Chlorella,DunaliellasalinaySpirulinasongnerosquepresentanestaopcin, medianteelcontroldeunaltoniveldenutrientes,elevadasalinidadyelevada alcalinidad respectivamente.El control de la temperatura es tambin complejo en un sistema de cultivo abierto, ya quesibienesverdadquelaevaporacinejerceefectoderefrigeracin,las oscilacionesdiariasnosevenamortiguadas,yporotroladolaevaporacinprovoca cambios en la composicin inica del medio de cultivo.Otrosposiblesproblemasdeestetipodesistemassonladificultaddemezclado eficiente,lapotencialfaltadeCO2ylalimitacindelaluzencapasinferiores.Para maximizarlaproductividaddebiomasasehadeoptimizarelmezcladoyla profundidad del estanque. 2.2.Fotobiorreactores Lossistemascerradosdecultivodemicroalgassonreactorestransparentes,de plsticoovidrio,congeometrasdediversotipo:tubulares,cilndricasoplanas.Se empezaronadesarrollarconposterioridadalossistemasdelagunajeysu configuracin y geometra dependen de condiciones locales, del producto a obtener y de las especificaciones econmicas del sistema. 26 Unadelasprincipalesventajasporlascualessedesarrollaestetipodecultivoesla mayorfacilidaddemantenerunmonocultivo,sincontaminacinporotrasespecies, queproporcioneunproductodepurezaaptaparasuprocesadoenlaindustria farmacutica o alimentaria. Es tambin ms fcil mantener un cultivo durante perodos ms largos, ya que la proteccin contra otras contaminaciones biolgicas (depredacin otoxicidad)esmsfcil.Losparmetrosdeprocesosonendefinitivams controlables. Laproductividadalcanzadaensistemasdecultivocerradosesmayor,porloque requieren mucho menos espacio que los sistemas abiertos y por otro lado disminuyen los costes de recoleccin de la biomasa generada. La mayor productividad es debida a desventajas importantes de los sistemas abiertos de cultivo, que son, entre otras, una baja eficiencia de mezclado y bajas eficacias fotosinttica y de consumo de CO2. An as, los costes totales son mayores cuando se emplean fotobiorreactores, comparados consistemasdecultivoabierto:presentanmayorescostesdeinversin,operaciny mantenimiento. Por otro lado, la productividad alcanzada en los fotobiorreactores an no es la mxima terica, y no ha sido siempre posible llevar a gran escala resultados delaboratorio(Posten2009).Eldesarrolloyoptimizacindefotobiorreactoresque permitan el cultivo econmico a gran escala de microalgas es an hoy en da una de las mayores tareas a realizar. Gran parte de los estudios de cultivo de microalgas en sistemas cerrados se basa en configuracionescilndricasdefotobiorreactor,debidoprincipalmenteasus caractersticas de transferencia de masa y calor y los bajos costes de operacin (bajo consumoenergtico).Normalmenteseintroduceaireburbujendoloporlaparte inferior. El dimetro suele ser menor a 200 cm para evitar que no llegue luz al interior delacolumna.Algunosinvestigadoreshandesarrolladoreactoresanularesque eliminan la parte interior del reactor cilndrico, de modo que el reactor viene delimitado pordosparedesconcntricas.Sualturasevelimitadaa4metrospormotivos estructurales y por evitar la sombra en una extensin donde existan instalados ms de un fotobiorreactor.Los reactores tubulares son tubos de dimetro igual o menor a 100 cm, dispuestos de modohorizontal,vertical,helicoidaloinclinado.Labiomasaesrecirculadamediante bombas o empuje por aire. La longitud puede alcanzar los cientos de metros. Una de las principales ventajas de este diseo es una relacin superficie/volumen de ms de 100 m-1. Su principal desventaja es el alto consumo energtico. Seencuentrantambinnumerosasreferenciasdereactoresplanostantoparala obtencindesustanciasdeinters(Cheng-Wu 2001)oparaelestudiodelcultivode microalgas (Harun 2010). La ventaja de los reactores planos radica en su robustez y enlagransuperficieexpuestaalaradiacinsolar.Laproductividadobtenidaes elevada y la limpieza es fcil. Son una de las primeras configuraciones que se prob, y sepuedenalcanzardensidadesdeclulasmayoresa80g/L.RamosdeOrtegay Roux experimentaron en 1986 el cultivo de la microalga Chlorella en reactores planos, determinandolainfluenciadevariosfactoresensucrecimiento.Otrosestudioshan sido publicados posteriormente (Qiang y Zarmi 1998, Cheng-Wu 2001, Hoekema et al., 2002) tratando el cultivo de diferentes especies de microalgas. 27 Acontinuacinsemuestraunatabla(Tabla4)convaloresbibliogrficosde productividad de microalgas en fotobiorreactores de distinto tipo. En las Fig. 11 y Fig. 12 se muestran varias configuraciones para el cultivo de microalgas. Especies Tipo de reactor Volumen (L) Concentracin Xmax (g/L) Productividad (g/m2d) Productividad (g/Ld) Porphyridium cruentum Tubular20031,5 Phaeodactylum tricornutum Tubular200201,2 Phaeodactylum tricornutum Tubular200321,9 Chlorella sorokiniana Tubular61,51,47 Arthrospira platensis Tubular11647,72,7 Phaeodactylum tricornutum Tubular helicoidal 751,4 Haematococcus pluvialis Tubular paralelo 25130,05 Haematococcus pluvialis Cilndrico551,40,06 Haematococcus pluvialis Tubular5570,41 Nannochloropsis sp. Placas planas 4400,27 Haematococcus pluvialis Placas planas 2510,2 Spirulina platensisTubular5,50,42 ArthrospiraTubular1462,3725,41,15 Chlorella Placas planas 40022,83,8 Chlorella Placas planas 40019,43,2 TetraselmisCilndricoca. 10001,738,20,42 ChlorococcumParbola701,514,90,09 ChlorococcumCpula1301,511,00,1 Tabla 4: Productividades de biomasa en fotobiorreactores (Brennan 2010) 28 Fig. 11: Configuraciones de fotobiorreactores a: estanques, b: placas planas, c: cilndricos, d: tubulares horizontales Fig. 12: Esquema de varios tipos de fotobiorreactoresa: canal, b:tubular con loop externo, c: tubular horizontal 29 2.3.Crecimiento Cada especie y subespecie de microalga presenta sus caractersticas propias respecto a condiciones ptimas de crecimiento, as como productividades mximas alcanzadas endiferentesconfiguracionesdesistemadecultivo.Losfactoresinfluyentessonsin embargo comunes y se comentan en este apartado. Tantolacomposicindelasmicroalgascomosuproductividadestndeterminadas, principalmente,porlaalcalinidaddelmedio,elpH,latemperatura,ladisponibilidady concentracin de nutrientes, la intensidad y tipo de luz, la densidad celular del cultivo y la contaminacin o depredacin por otros organismos. Acontinuacinsecomentalainfluenciadeestosfactoreseneldesarrollodelas microalgas.Loexpuestoesengeneralvlidoparatodotipodecultivo,aunqueen ocasiones se centra ms en los cultivos cerrados por ser en stos donde su control es realmente posible y por ser un fotobiorreactor de lo que en este trabajo se trata.Enpromedio,lasmicroalgasdoblansubiomasaen24horas.Sinembargo,enfase exponencial algunas algas pueden doblar su biomasa en tiempos tan cortos como 3,5 horas (Brennan 2010). 2.3.1. Luz Los organismos fotosintticos slo emplean la fraccin del espectro de luz solar que es fotosintticamenteactiva,esdecirentre350y700nm.Estafraccin fotosintticamenteactiva(PARporsussiglaseningls)suponeun40%dela radiacintotaldelSol.Lamayorpartedelosecosistemasnaturalesvegetales presentanunaeficienciadealrededordel1%enloqueaconversindeenerga lumnicaenbiomasaserefiere.Sehandemostrado,paralasmicroalgas,eficiencias deconversinluz-biomasaentre1y4%ensistemasabiertosyanmayoresen fotobiorreactores cerrados (Stephens 2010). El crecimiento de los microorganismos fotosintticos es proporcional a la intensidad de laluzrecibidasiemprequestasesitepordebajodeunciertovalormximo (fotolimitacin). A partir de ste, los sistemas fotosintticos receptores se ven daados ylafotosntesisseveinhibida.Aeste fenmenoseledenomina fotoinhibicin.Enla mayoradelasmicroalgaslafotosntesissevesaturadaaniveleslumnicosque representansobreel30%delaradiacintotalquelaTierrarecibedelSol.Esto suponealrededorde17002000E/m2s.Lasalgasadaptadasabajosnivelesde luminosidad tienen una respuesta ms rpida a cambios en la intensidad luminosa que lasqueestnadaptadasaintensidadesdeluzaltas.Lasalgasseadaptanalos cambiosdeluzvariandoelcontenidodeclorofilaadesusclulas,demodoquelas algas adaptadas a bajas intensidades lumnicas tienen ms clorofila. 30 Unparmetroimportanteeneldiseodeunfotobiorreactoresladistanciade penetracindelaluz,quedependedelaintensidaddelaradiacinincidente,la dispersin de la luz en la superficie del reactor y la atenuacin en el medio de cultivo. La dispersin en la superficie debe ser minimizada para maximizar la luz que entra al reactor, y la atenuacin depende de la densidad del cultivo y de la longitud de onda de laradiacin,provocandoungradientedeintensidaddeluzensudireccinde penetracin. Sepuedegeneralizardiciendoqueesnecesarioencontrar,paracadaespecie,la densidadptimadecultivoparacadaconfiguracindereactor,demodoquela intensidaddeluzincidenteytransmitidaenelcultivopermitaelcrecimientodelas microalgas e impida su inhibicin.SegnPulz(1998)laluzesgeneralmenteelfactorlimitanteenlaproduccinde microalgasalairelibre.Porotrolado,debidoaquelasconcentracionesptimasde biomasa son diferentes para diferentes niveles de irradiacin solar, y sta cambia a lo largo del da, la biomasa debe adecuarse a ello. As como el sistema fotosinttico se adaptamejoralahoradecapturarlaenergalumnicacambiante(medianteel contenidoenclorofilaa),sehanllevadoacaboinvestigacionesquesugierenqueel cuello de botella se sita en la biosntesis de biomasa estructural a partir de carbono fijado fotosintticamente. La iluminacin artificial puede contribuir a una produccin continua, pero obviamente a mayor coste econmico y energtico. Ante la necesidad de eleccin de luz artificial, es importante conocer el espectro de absorcin de las algas cultivadas, que depende de los pigmentos mayoritarios presentes en ellas. Un estudio de Kommareddy y Anderson (2003)queinclualmparasfluorescentes,incandescentes,halgenas,yLEDs (emitiendoen643nm)determinqueestosltimossonlafuentemseficientey econmica ya que emiten ms del 98% de su luz entre 600 y 700 nm.SegnRichmond(2000),laproporcinptimaentrezonailuminadadeunreactory zonaoscuraes15:85.Esdecir,un15%delreactorcorresponderaazonaftica mientrasqueun85%delasalgasestaranenlaoscuridadencadamomento.El problema del control de la luz como factor de gran influencia en el crecimiento de las algaseslaimposibilidaddedefinirlomedianteunnicoparmetro,yaqueentranen juego intensidades, frecuencia de cambio luz-oscuridad, proporcin de duracin de los ciclos, hidrodinmica, configuracin del reactor o estanque, etc.Acontinuacinsemuestran,amododeejemplo,losgrficosobtenidosporHuetal (1996 y 1998), donde se muestra la productividad en mg peso seco/hL en funcin de la densidad del cultivo en g/L. Cada campana corresponde a una intensidad lumnica, y se observa un ptimo de densidad de cultivo distinto en funcin de dicha intensidad. Las intensidades en la Fig. 13 son, de menor a mayor campana: 270, 740, 1200, 2000, 6000 y 8000 mol/m2s. 31 Fig. 13: Productividad en un reactor plano en funcin de la densidad del cultivo Fig. 14: Productividad de Chlorococcum littorale 2.3.2. Nutrientes Como se ha mencionado anteriormente, las algas pueden ser auttrofas, hetertrofas, o mixotrficas, pero nos centraremos principalmente en las microalgas auttrofas. Los principalesnutrientesmineralesquestastomandelmedioynecesitanparasu desarrollo son: Carbono:LasmicroalgaspuedenemplearcomofuentedecarbonoelCO2presente en la atmsfera, as como los iones bicarbonato (HCO3) con la ayuda de una enzima llamadaanhidrasacarbnica.Enpromedio,soncapacesdetolerarhastaunas 150.000ppmvdeCO2enaire,aunquehayespecies,comoChlorella,quehan 32 demostradoquetoleranhasta400.000ppmv.Algunossistemasdecultivoinyectan aire enriquecido en dixido de carbono en el reactor. Cuando se provee a las algas de carbonato, se hace generalmente en forma de Na2CO3 y NaHCO3. El suministro de carbono (en forma normalmente de CO2) y la eliminacin de oxgeno generado son, despus de la distribucin de luz, la cuestin de mayor importancia en un fotobiorreactor.Lanecesidaddecarbonose puedecalcularestequiomtricamente conociendolacomposicindelabiomasa,resultandounmnimode1,85gCO2/g biomasa. Por otro lado, para asegurar que las microalgas pueden tomar dicho CO2, su presin parcial en el lquido ha de ser de 0,1-0,2 kPa. Unaventajadelosfotobiorreactoresfrentealossistemasabiertosdecultivoesun menorescapedeCO2alaatmsfera.Investigacionesrecientesapuntanalusode membranasparafavorecerlatransferenciadegasalsenodelfluidoenelcultivo (Posten 2009). El consumonormal de las microalgas se sita entre 200 y 600 mg CO2/Ld, aunque se han recogido datos de eliminacin de 800 1000 mg/Ld en cultivos de Chlorella sp.,interesantessobretodoenaplicacionesdemitigacindelefectoinvernaderode losgasesdeescapedediversasindustrias.Acontinuacinsemuestranvaloresde fijacin de CO2 alcanzados por ciertas microalgas. Fig. 15: Consumo de dixido de carbono (mg/Ld) por varias especies de microalgas (Ho et al 2011) 33 ElconsumodeCO2porpartedelasespeciesdemicroalgasenlafiguraviene determinado no slo por la especie sino por otros parmetros como concentracin de CO2disponible,temperatura,configuracindelreactor,mediodecultivoointensidad delaluz.Noes,portanto,una comparacinestrictaentreespeciessinoinformacin orientativasobrelosrangosdevaloresylasespeciesdealgasestudiadasparala mitigacin del efecto invernadero del CO2 industrial. Nitrgeno:elcontenidoennitrgenodelabiomasapuedesuponerdesdeun1% hasta ms del 10%, y depende de la disponibilidad y el tipo de fuente de nitrgeno. En general, las microalgas pueden tomar nitrgeno del medio en forma de urea, amonio, nitrato, nitrito, nitrgeno gas y xidos de nitrgeno (NOx) en algunos casos.En un estudio (Xin 2010) se demostr, para la microalga Scenedesmus sp. LX1, que sta crece ms rpidamente con amonio, seguido de urea y finalmente de nitrato. Sin embargo,laeliminacindefsforoynitrgenofuemscompletaenelcultivodonde ste est presente en forma de nitrato y urea que en aqul con amonio. Elnitrgenoenformadeamonio,cuyoequilibriodedisociacindependedela temperatura y el pH del medio, inhibe tambin el crecimiento de las microalgas, ya que esengeneraltxicoparalosorganismosfotosintticos.Elamoniodesacoplael transporteelectrnicoenelfotosistemaII(unodelosdossistemascomplejosque captanlaenergalumnicaytransportanloselectronesporresonanciadentrodelas clulas) y compite con el agua en las reacciones de oxidacin que generan el O2 libre. La tolerancia a l depende de la especie en cuestin. Por ejemplo, la Spirulina se ve prcticamente inhibida ante concentraciones de 200 mg NH4+/L mientras que Chlorella sorokiniana no muestra inhibicin ante concentraciones de 400 mgNH4+/L.Elfsforoesotrodelosmacronutrientesesencialesenelcrecimientodelas microalgas.Estomadoenformadeortofosfatos(P-PO4-3),cuyaconcentracinen equilibrioconlasformasprotonadasdependelgicamentedelpHdelmedio.Existen factoresqueralentizanlatomadefosfatosporpartedelasalgas,comounpH excesivamente alto o bajo, o la ausencia de iones como potasio, sodio o magnesio. La cantidadnecesariadefsforoesmuchomenorqueladenitrgenoparaunamisma cantidad de biomasa generada, como se ha podido comprobar en el apartado 1.Diversos autores han concluido que la relacin N:P en el medio de cultivo influye en la toma de nutrientes por parte de las microalgas, de modo que cuanto ms prxima est alacomposicindelosmicroorganismos,mayorcrecimientoytomadenutrientes tendrlugar.Porejemplo,paralamicroalgaChlorellalarelacinptimaesde8:1 segn Aslan y Kapdan (2008). Sin embargo, las microalgas son capaces de adaptarse almediodecultivoytomarunodelosnutrientesenunaproporcinmayorquela presente, en principio, en su composicin celular. Cabedestacar,porotrolado,queundficitdenutrientesprovocaenlasmicroalgas unaacumulacindelpidossiemprequehayaluzyCO2disponibles(Rodolfi2009, Khozin-Goldberg 2006). Las microalgas requieren, para su crecimiento, de otros macronutrientes como azufre, calcio,magnesioypotasio,ascomodemicronutrientescomomolibdeno,hierro, 34 nquel,cobre,zinc,manganeso,cobalto,boroycloro.Enciertosgruposdealgasse requieren nutrientes especiales o caractersticos, como sucede con las diatomeas y el silicio. 2.3.3. Salinidad La salinidad del medio de cultivo tiene gran influencia tanto sobre el crecimiento de las algascomosobrelaproductividaddelpidosuotrassustanciasdeinters.Enun estudiocon10cepasdiferentesdemicroalgas(Araujo2011)seobservcmocada una de ellas responde de modo distinto ante un cambio en la salinidad del medio de 25 g/La35g/L.Enesteestudioenconcreto,sepresentanresultadosderendimientoy productividaddebiomasaydeaceiteporvolumencultivado.Especiescomo ChaetocerosgracilisyTetraselmistetrathelenopresentaroncambiosfrenteala salinidad.LamayorproductividadsealcanzconChlorellavulgaris,cuyarelacin biomasa inicial:final alcanz 1:10. 2.3.4. pH El pH en la mayora de cultivos de microalgas se encuentra entre 7 y 9, con un ptimo entre 8,28,7. El control de pH se consigue mediante aireacin o adicin de CO2.Como se ha explicado, el proceso fotosinttico de fijacin de CO2 provoca un aumento gradual de pH en el medio debido a la acumulacin de OH-, lo que puede promover la eliminacindenitrgenoenformadeamoniacoporstrippingalaatmsferay eliminacin de fsforo por precipitacin de ortofosfatos. 2.3.5. Oxgeno El nivel de oxgeno disuelto debe ser controlado, ya que altas concentraciones pueden inhibirlafijacindecarbonoporpartedelenzimaRuBisCo.Estainhibicinseve favorecidaporaltaradiacinytemperatura,ascomoenelcasodedficitdeCO2. Muchasespeciesdemicroalgasnosoncapacesdesobrevivirenunmedio sobresaturado de oxgeno ms de 2 o 3 horas (para algunas el 120% de saturacin en el aire, para otras el 200%). Adems, la produccin fotosinttica de oxgeno en cultivos dealtadensidadpuedealcanzarhasta40mg/L,demodoquemediantelaradiacin adecuadapuedenllegaradesarrollarseradicalesdeoxgeno.Estosradicaleslibres serantxicosparalasclulasycausarandaosensusmembranas.Lapresin parcial del oxgeno en el cultivo puede disminuirse mediante aumento de la turbulencia y stripping de aire. 35 2.3.6.Agitacin Laagitacin,ademsdefacilitarlaeficienciaeneltransporte,impedirla sedimentacin de las algas y su adherencia a las paredes del reactor y homogeneizar el pH, asegura la distribucin de los gases y de la luz. Una correcta agitacin es capaz desometeralasalgasaciclosrpidosdemezclado,enlosqueencuestinde milisegundos pasan de una zona oscura a una zona iluminada.Si se tiene en cuenta que en el medio natural las densidades celulares del fitoplancton rondanlas103clulas/ml,demodoqueladistanciamediaentreclulasesde250 vecessudimetro,yqueensistemasartificialesdecultivoestadistanciaseve reducidaatanslo10vecessudimetro,yaquesealcanzandensidadesde109 clulas/ml,seentiendequeelflujoturbulentoesdegranimportanciaencultivosde alta densidad. El flujo laminar provoca, adems de distribucin heterognea de la luz, gradientes de difusin. Segn este principio, los fotobiorreactores con alta densidad de cultivohandeserengeneraldelgadosydisponerdemezcladorpido,paraquela eficienciadeconversindelaluzsolarseveaincrementada.Sinembargo,tantola construccin como la operacin de dichos reactores no hacen fcil su escalabilidad de modo rentable. Cabetenerencuentasinembargo,quenotodaslasespeciestoleranunaagitacin fuertequeproveaalreactordeunbuenmezclado,yaquesonsensiblesalestrs hidrodinmico. 2.3.7. Temperatura Apesardequegranvariedaddemicroalgassoncapacesdedesarrollarseenun amplio rango de temperaturas (Chlorella destaca por ejemplo en este aspecto, ya que puedecrecerentre5y42C),todasellaspresentanunrangofueradelcualseven inhibidas o incluso mueren.En sistemas abiertos de cultivo un incremento de temperatura se ve compensado con evaporacin del agua, regulndose de este modo la temperatura mxima. En sistemas cerradosdecultivoesnecesarialarefrigeracinadicionalenzonasclidas,dondela relacin entre nivel de luz y temperatura puede afectar a la biomasa en gran medida. Porotrolado,silafluctuacinentretemperaturamximaymnimaesmuyamplia, puede ser igual de importante el calentamiento durante las horas de poca luz como la refrigeracin durante las horas del da de mayor iluminacin. Para ello es conveniente elempleodefroocalorrecuperadodelmismoprocesoodeunprocesoindustrial asociado en el caso deque ste exista, para mantener un balance neto favorable de energa. La refrigeracin puede ser evitada mediante sistemas que regulen la cantidad de luz que llega al reactor (sombra, dilucin de la luz).Se ha demostrado que en el caso de que el dixido de carbono o la luz sean limitantes en el cultivo, la temperatura no ejerce una influencia significativa. 36 3. Separaciny post-tratamiento de las algas producidas 3.1.Separacin En la produccin de microalgas, su separacin del medio de cultivo supone entre el 20 y30%delcostetotal(MolinaGrima2003).Estosignificaqueestaetapaes determinante en la economay en el balance energtico del proceso. Las microalgas son, en general, difciles de separar por su pequeo tamao, si bien es cierto que, por sutamao,algunascianobacteriassedimentan(decantacinespontnea)oflotan,y quealgunasmicroalgasformanagregados(biofloculacin),loquefacilitasu decantacin. La tcnica de separacin depende de la microalga en cuestin, la densidad del cultivo, elusoposterioryfactoreseconmicoscomoelpreciodelsubproductoobtenido.En general, tiene lugar en dos etapas: en una primera etapa se produce una separacin ms basta en la que se alcanza una concentracin de microalgas entre el 2 y 7%. Se puederealizarporfloculacin,sedimentacinporgravedadoflotacin.Enuna segunda etapa se realiza un secado ms fino y de mayor coste energtico, mediante centrifugacin, filtracin o ultrasonidos.Laflotacinessloposibleenloscasosdelasespeciesque flotannaturalmente,y nonecesitareactivosqumicos,alcontrarioquelafloculacin,queconsisteen adicionarcationesmultivalentesopolimricos(FeCl3,Al2(SO4)3,Fe2(SO4)3)paraneutralizarlascargasnegativasquedeformanaturalposeenlasmembranas exteriores de las microalgas, y facilitar su agregacin.Laeficaciadeladecantacindependedelradiodelosmicroorganismosysu densidad.Eselmtodomsempleadoeneltratamientodeagua,debidoalas grandescantidadesdebiomasaconquesetrabajaysubajovaloraadido.Sin embargo,sloesposibleenalgunoscasos,comoeneldelaSpirulina.Los ultrasonidos previos a la decantacin han demostrado que optimizan la eficiencia de agregacin y el factor de concentracin del proceso. Enelcasodeproductosdealtovaloraadido,lacentrifugacineselmtodoms extendido(MolinaGrima2003),aunquepresentacomoinconvenienteelelevado consumoenergticoyelpeligrodedaarlasclulasdebidoalesfuerzocortante.No siempreesunsistemarentable,debidoalgastoenergticoydemantenimientodel equipo. Es un mtodo rpido y que alcanza grados de sequedad del 85%.La filtracin puede ser un mtodo ms competitivo comparado con otros sistemas de separacindelasmicroalgascultivadas:porejemplo,paravolmenesmenoresa2 m3/da, la rentabilidad es mayor que en el caso de centrifugacin (Brennan 2010). Para mayoresvolmenes(>20m3/da)loscostesdebombeoydereemplazodelas membranas pueden hacer perder competitividad al mtodo.La filtracin se puede llevar a cabo mediante flujo tangencial (membranas externas) o fibra hueca (membranas sumergidas), as como mediante microfiltracin, ultrafiltracin, 37 filtracin a vaco, etc. Sin embargo, las microalgas pueden causar un importante efecto de fouling en las membranas debido a que segregan materia orgnica extracelular, un material mucilaginoso que aumenta la resistencia a la filtracin. Se han demostrado sin embargo pretratamientos para contrarrestar este efecto. 3.2.Post-tratamiento La biomasa, una vez separada del medio de cultivo, suele ser deshidratada para evitar reacciones de descomposicin. Se deshidrata mediante secado al sol, a baja presin, conspray,entambores,enlechofluidizadooporcongelacin.Enelcasode extraccindelpidosparaobtencindebiodiesel,esimportanteencontrarel compromisoentregradodesecadoyrentabilidaddelproceso(valorenergticodel producto final).Enelcasodeextraccindeproductosdeinters,escomnlanecesidadderomper lasclulaspreviamente,paralocualseempleanhomogeneizadores,autoclavado, adicindecidohidroclricooNaOHylisisalcalina.Tambinsellevanacabo extracciones con disolventes. 4. Barreras y avances en la produccin de microalgas A pesar del potencial de las microalgas para su aprovechamiento en los sectores de la energa, depuracin y fabricacin de productos de alto valor aadido, el desarrollo de su produccin a nivel industrial o semiindustrial se ha visto impedido en algunos casos porunafaltaderentabilidadeconmica.Algunosdelosmotivos,queasuvez constituyen posibles campos de mejora, son los siguientes:-Laseleccindeespeciesdebepermitiralmismotiempolaproduccinde biodiesel y de otros productos de valor aadido. -Los sistemas de produccin precisan de mayor grado de desarrollo que permita alcanzar eficiencias fotosintticas mayores.-An existen problemas a solventar en la mantencin de monocultivos, evitando la contaminacin. -Laevaporacindeberaserreducida,ascomolasprdidasdedifusinde CO2. -La energa necesaria en el proceso debe ser minimizada a toda costa, ya que enocasioneselgastoenergticototal(bombeo,transferenciadeCO2, separacin, secado, extraccin, etc.) no compensa con la energa obtenida. -Laexistenciadepocasplantasindustrialesenfuncionamiento,yelrecelode susdueosacompartirinformacin,hacedifcillarecoleccindedatospara realizar balances completos y optimizacin. 38 En consecuencia, la investigacin actual en microalgas se desarrolla en varios frentes, como el de la ingeniera: diseo de fotobiorreactores donde el aprovechamiento de la luz sea ptimo, la simulacin de dinmica de fluidos para estudiar el efecto que tienen las condiciones hidrodinmicas y la agitacin en la productividad, el estudio del empleo demembranasparainyectarelCO2enelcultivo,lamodelacindelosprocesosde tomadenutrientes,yunamplioetcteraorientadoendefinitivaamaximizarla productividad y disminuir el consumo energtico. Enelcampodelabiotecnologaexistenporejemploestudiosmicrobiolgicosque pretenden reducir la energa requerida para la fotosntesis en un reactor, de modo que alreducireltamaodelaantenaquerecogelaluzenlossistemasfotosintticosde lasalgas,sepermitequecadaunodeellostomelaluzquenecesita,ynoms.De esta manera la luz que se suele disipar en forma de calor y fluorescencia en el reactor ysusuperficie,penetraenelcultivoyaslaeficienciageneralaumenta.(Stephens 2010). De esta manera la energa de agitacin puede ser tambin disminuida. Porotrolado,lascoleccionesdealgasexistentesentodoelmundocontienenuna infinidaddeespeciesycepasque,combinadasconlosavancesrecientesen ingeniera gentica, suponen una base importante sobre la que desarrollar procesos y sistemas de produccin de microalgas que sean capaces tanto de producir sustancias deintersnuevascomodeaumentarlasproductividadesdelosprocesosexistentes. Porotrolado,sebuscanmicroorganismosqueseancapacesdetrataraguasde diferentescaractersticasdemodoestableyeficiente,oquenopresenteninhibicin ante gases de escape que ahora son txicos. Tcnicas como la lipidmica, genmica y metabolmica trabajan en la bsqueda y desarrollo de microalgas con gran capacidad decrecimiento,adaptabilidad,toleranciaacontaminantesyhabilidaddeproducir productos de alto valor aadido. Asimismo,existeungranpotencialenlacombinacindeprocesosdelosquelas microalgas son partcipes, como la obtencin de biodiesel a partir de microalgas que a suvezfijangasesdeescape,oladigestinanaerobiaparaobtencindemetanode las microalgas tras habrseles extrado los lpidos u otras sustancias. La combinacin devariosprocesosmejoralaviabilidadeconmicaymedioambiental.Enestalnea, existelaposibilidaddecombinarlaproduccindemicroalgasyeltratamientode aguas, de modo que se produce un importante ahorro en el consumo de nutrientes, ya que stos provienen de un agua residual que, por su parte, ha de ser tratada.El presente trabajo se centra en esta idea, donde los nutrientes del agua son, por un lado,eliminadosdeellaproduciendounefluentedecalidad,yporotrolado, recuperadosparaelcultivodemicroalgas.Enunsegundopaso,estabiomasa producidasepuedeaprovecharenergticamentemediantedigestinanaerobia, obteniendo una corriente de gas metano y un digerido rico en nutrientes que puede ser aprovechado como enmienda o fertilizante. En los apartados posteriores se detalla el sistemaaquapuntado,ylaexperimentacindelaboratorioenqueconsisteel presentetrabajopretendeasuvezdemostrarsuviabilidadofijarlasbasesparala experimentacin a escala piloto. 39 III.Algas en depuracin. Aplicacin e investigacin 1. Historia Elempleodelasmicroalgasparaladepuracindeaguasresidualeshasido promovido desde finales de la dcada de los cincuenta (Oswald, 1957). En los aos 70 sedesarrollaronenlosEEUUsistemasabiertosdecultivodemicroalgasparael tratamientodeaguasresiduales,dondesetransformabalabiomasaobtenidaen metano(Ugwu2008).Sinembargo,estesistemadetratamientohavistofrenadala extensindesuusodebidoalagransuperficiedeterrenoquenecesita,yala extensin de otros sistemas como el de fangos activados. Las algas son empleadas en numerosas partes del mundo para el tratamiento de aguas residuales, pero a pequea escala.Lacapacidaddelasalgasdeeliminarnitrgenoyfsforodelagualasconviertesin embargo en una posibilidad real para la eliminacin de nutrientes del agua residual. De hecho,sehademostradoqueenlaeliminacindelfsforopuedensertaneficientes comoeltratamientoqumicoconvencional(Hoffman,1998).Susprincipalesventajas son el menor coste, yaque no son necesarios productos qumicos, y la recuperacin de los nutrientes en forma de biomasa que puede ser empleada como fertilizante. Por otrolado,elconsorcioalgas-bacterias,enquelasprimerasgeneraneloxgeno necesarioparalarespiracindelassegundas,cuyadescomposicinasuvez proporciona los nutrientes necesarios, junto a la energa lumnica, para la fotosntesis, ha sido estudiado por diversos autores. Losprincipalessistemasdedepuracinconalgassonlagunasdeestabilizacinno demasiadoextensas,osistemasdelagunajedealtacarga(highratealgalpondso HRAP en ingls). Estos sistemas son canales de oxidacin de poca profundidad y con sistemas mecnicos de mezclado, y han demostrado gran eficacia en el tratamiento de agua residual.Unodelosprincipalesmotivosporelqueestoscultivosdemicroalgasnoson empleados en el tratamiento de agua residual a gran escala es la dificultad y coste de la separacin de la biomasa generada del agua depurada, debido al pequeo tamao delasalgasysubajadensidadenunsistemadecanalesdeoxidacin.Aeste respecto,sehainvestigadoconespeciesdecianobacteriasfilamentosasconalta capacidaddeautofloculacin,ascomoconbiomasafijada.Porotrolado,parauna eliminacindenutrientesefectivasonnecesariasaltasproductividadesdebiomasa fotosinttica,ascomolaseleccindemicroalgasquesoportenlascondicionesdel medio y los posibles contaminantes. 40 Lasmicroalgasclorofceashandemostradoserespecialmenteresistentesadiversas aguas residuales de caractersticas diferentes, y muy eficientes en la acumulacin de losnutrientesdedichasaguas.Enlaslagunasdeoxidacinylaslagunasdealta carga, las especies Chlorella y Scenedesmus son las ms abundantes. La mayora de estudios, como veremos ms adelante, han examinado su crecimiento. 2. Lagunaje Lossistemasdelagunajedealtacarga(HRAP)seempezaronadesarrollarenla dcada de 1950. Son lagunas de 300-600 cm de profundidad que trabajan en el rango de410dasdetiempoderetencinhidrulico.Supocaprofundidadfavoreceel crecimiento de las microalgas, debido a la posibilidad de penetracin de la luz en todo el volumen. El agua se impulsa normalmente con una rueda a una velocidad de entre 10y30cm/s,consumiendoeltotaldelsistemahasta0,57kWh/kgDBOeliminada. Han sido empleados para tratar efluentes de digestin anaerobia de residuos porcinos, o residuos de acuicultura (Olgun 2003).El efecto de la oscilacin de la temperatura y luz solar a lo largo del da y del ao es importanteenlaproductividaddelasalgas,tantoenelsentidolimitantecomo inhibitorio.Elcultivodealgasensistemasdelagunajeconiluminacinnaturalpuede presentar por tanto inconvenientes derivados de esta estacionalidad. Otros problemas posiblessonlapresenciadezooplanctondepredadordelcultivo(protozoos,hongos, incluso virus). Como se ha nombrado en el punto anterior, gran nmero de autores coinciden en que elcostey/odificultadtcnicadeseparacindelaguadelabiomasageneradaesla principal barrera a vencer en el camino hacia una operacin econmica de este tipo de sistemas, entendindose que sta pasa por una recuperacin de la biomasa generada, ya sea para alimentacin animal, aprovechamiento energtico, etc. Se ha estudiado la posibilidad de emplear Spirulina por su capacidad de floculacin, as como del empleo dePhormidiumbohneridebidoasucapacidaddeproduciragregadosmulticelulares. Otra estrategia empleada para evitar altos costes de separacin de la biomasa es su fijacin, que se comenta en el apartado 3. 3. Empleo de algas fijadas Variosmicroorganismos(Phormidium,Scenedesmus,Chlorella)hansido inmovilizadosenmatricessintticascomoacrilamida,poliuretano,resinas,espumas depolivinilooenpolmerosnaturalescomoalginato,carragenato,agar,agarosa,as comoenquitosn,underivadodelaquitina,paralaeliminacindenutrientesdel agua,principalmenteamonio,nitratoyortofosfato,alcanzndoseporcentajesde eliminacinsatisfactorios.Engeneral,lasmatricesdebenserhidroflicas,resistentes 41 fsica y qumicamente para facilitar su uso prolongado, as como fciles de separar del agua tratada, evitando mtodos complejos de inmovilizacin.UnestudiollevadoacaboporRuiz-Marnetal(2010)inmovilizmicroalgasdela especie Scenedesmus obliquus y Chlorella vulgaris mediante centrifugacin y posterior resuspensindelconcentradoenunasolucinconalginatosdico.Aladicionaruna solucin de cloruro clcico se forman gotas agregadas de aproximadamente 3,5 105 clulascadauna,conundimetrototalaproximadode2,5mm.Losagregadosse lavanysonintroducidosenelfotobioreactor,juntoconelaguaresidual,talquela proporcinfinalesde1:25envolumen.Losresultadosdeeliminacindeamonioen ciclos batch oscilan entre 65% y 96%, para aguas residuales artificial y real. De-Bashan(2010)haceunaextensarevisinsobrelacapacidadypotencialen depuracin de las microalgas inmovilizadas o fijas, desde la eliminacin de nutrientes hastalaeliminacindeotroscompuestos,loquenosllevaalapartado4deesta seccin. 4. Capacidad de las algas de eliminar otros compuestos Como se ha comentado al hablar de los sistemas de lagunaje (HRAP), stos han sido empleados con xito en el tratamiento de aguas residuales derivadas de agricultura y ganadera, donde los principales contaminantes son los nutrientes nitrgeno y fsforo.Asimismo,existenreferenciasdelempleodeestetipodelagunajeparatrataragua residual de industrias de goma, textiles (Lim 2010), mineras y para eliminar metales. El estudio de Lim comprueba la capacidad que tienen diez especies de microalgas de eliminartintesazoicosdelaguaresidual,entrelasqueconcluyenqueChlorella presentamejorcrecimientoenelaguaestudiada.Secompruebalaeliminacinde hasta el 50% del color mediante el cultivo del microorganismo en un HRAP.Losmicroorganismosfotosintticossoncapacesdeacumularmetalespesados medianteadsorcinqumica,intercambioinicoyquimisorcin,enlacecovalente, precipitacindesuperficie,reaccionesredoxo cristalizacinsobrelasuperficiede su paredcelular.Enocasioneselmetalestransportadoalinteriordelaclulacomo mecanismodedefensaparaevitarsuintoxicacin,osimplementecomomediopara acumular elementos traza necesarios para su desarrollo. Por otro lado, las microalgas soncapacesdesegregarmetabolitosqueactancomoagentesquelantesdeiones metlicos.Otraraznporlaquelasaguastratadasmediantemicroalgaspresentan menor concentracin de iones metlicos es la precipitacin qumica debido al aumento de pH asociado a la fotosntesis. Enunestudiollevadoacabopor WangyMin(2009)quedapatentelacapacidadde lasmicroalgas,mayorquedelabiomasabacterianayfngica,deeliminarmetales como hierro, aluminio, manganeso, magnesio y zinc de cuatro tipos diferentes de agua residual (porcentajes de eliminacin entre 56 y 100%). 42 Respecto a las algas inmovilizadas, como se ha mencionado en el apartado anterior, stas han demostrado ser capaces de eliminar diversos metales pesados. La completa revisindede-Bashan(2010)nombracadmio,cromo,cobalto,oro,ionesfrricos, plomo,mercurio,nquel,uranioyzinc.Porotrolado,recogeejemplosdeempleode microalgas en la eliminacin de compuestos orgnicos como biocidas, hidrocarbonos o surfactantes. 5. Eliminacin por bioadsorcin y precipitacin Durantelafotosntesis,losionescarbonatodelaguaproveenalosmicroorganismos del carbono necesario para su desarrollo, en forma de CO2: + proceso que aumenta el pH. Por otro lado, el empleo del ion amonio como fuente de nitrgeno disminuye el pH del medio: + + Sea que el componente principal de la clula es el carbono, la generacin de aniones hidroxilo predomina.Debido al aumento de pH que acompaa al proceso fotosinttico tienen lugar una serie deprocesosdeeliminacinnodirectamenterelacionadosconlabiologadelos microorganismos. La precipitacin de xidos de metales pesados es uno de ellos, y ya sehacomentadoanteriormente.Porotrolado,laeliminacindeamoniopuedetener lugar debido al stripping de amoniaco hacia la atmsfera, ya que el equilibrio NH4+ NH3 depende del pH del medio, de modo que a pH mayores de 7 se desplaza hacia la produccin de amoniaco: ++ Por su parte, la eliminacin de fsforo puede ser debida a la precipitacin qumica, as comoalaadsorcinalasuperficiedelasmicroalgas(Martnez2000).Diversos autores han llamado la atencin sobre este hecho durante el anlisis de los resultados deensayosconmicroalgasparaladepuracindeaguas(Wang2009).As,sesabe que por ejemplo la relacin calcio/fsforo presente en el agua es, junto con el pH, dos factoresquecontrolanelprocesodeeliminacindefsforoporprecipitacin.El incremento tanto de uno como de otro proporciona mayores valores de eliminacin de fsforo,queprecipitaenformadefosfatoclcicoamorfo,Ca3(PO4)2ocristalino Ca10(PO4)6(OH)2 (hidroxiapatita). La presencia de otros iones posibilita la precipitacin de otros componentes como estuvita (en presencia de magnesio y amonio) 43 6. Revisin de ensayosEnesteltimoapartadodelaseccinsemuestraunaseleccindeestudios publicados sobre el empleo de microalgas en la depuracin de aguas. 6.1.Agua residual artificial Lasaguasresidualesartificialespermitenunprimerestudiosimplificadoaescalade laboratorio, mediante el cual el anlisis de los principales componentes puede hacerse sinnecesidaddetenerencuentavariablesdesconocidascomofactoresbiticos.La mayora de medios contienen elevadas concentraciones de determinados nutrientes y nopresentan materiaorgnicauotrassustanciaspotencialmente txicas.Esporello quelosestudiosquecomparanelcrecimientodemicroalgasenaguasrealesy artificiales obtienen valores mayores para las aguas artificiales, aunque la eliminacin denutrientesseasimilar.Medianteaguasresidualesartificialesseeliminantambin inhibicionesporsustanciassegregadasporotrosmicroorganismos,competenciade otras bacterias por el sustrato o incluso depredacin por parte de protozoos. Si bien es cierto que el empleo de aguas residuales artificiales facilita por ejemplo la obtencin de parmetroscinticosyestequiomtricos,obviamentelaevaluacinfinaldela posibilidadrealdelempleodemicroalgasparaladepuracindeunaguaresidual concreta pasa por el estudio y la experimentacin con dicha agua. Aslan (2006) investiga la influencia de la concentracin inicial de nitrgeno y fsforo en un agua residual artificial sobre la capacidad de Chlorella de eliminar nutrientes en el agua. Determina coeficientes cinticos (empleando la expresin de Michaelis-Menten) comolaconstantedereaccink,constantedesemisaturacinKmyrendimientoY tanto para el nitrgeno: k=1,5 mg N-NH4/mg chladKm=31,5 mg/L Y=0,15 mg chla/mgN-NH4 como para el fsforo: k=0,5 mg P-PO4/mg chladKm=10,5 mg/L Y=0,14 mg chla/mgP-PO4 LodiyBinaghi(2003)estudianlaeliminacinporpartedeSpirulinaplatensisde nitratosyfosfatosdeunmedioartificialdecultivo,determinandorendimientosde eliminacinenfuncindelatemperaturaydelacantidadinicialdemicroalgas presentesenelinculo.Loscrecimientosobtenidososcilandesdelos16alos42 mg/Ld,laeliminacinde fosfatosde0,2a0,6 mg/Ldylaeliminacindenitratosde 1,6 a 4 mg/Ld. Kong y Li (2010) han cultivado la especie Chlamydomonas reinhardtii en laboratorio y enunfotobiorreactor,comparandolosresultadosconaguaartificialyaguaresidual realtomadaentrespuntosdiferentesdeuntratamientotradicional.Determinanel efectoquelaconcentracininicialdelosnutrientestienesobresueliminacin,as como la influencia de la temperatura, pH y CO2. 44 YuanyKumar(2011)hanalcanzadoaltasdensidadesdeSpirulinaplatensis(3,5-3,8 g/L)cultivadaenunfotobiorreactor,concluyendoqueelsistemamuestraunbuen potencial para tratar aguas residuales con altas concentraciones de nutrientes (412 mg nitrgeno/L y 90 mg fsforo/L) Xin et al. (2010) han empleado aguas sintticas para estudiar la influencia de la forma enquesepresentaelnitrgenoenlatomadelasmicroalgasdedichonutriente, determinando que el amonio posibilita un mayor crecimiento 6.2.Agua residual real Existennumerosasinvestigacionesquetratanladepuracindeaguaresidualreal medianteelcultivodemicroalgas.Acontinuacinsecomentaunaseleccindelas ms recientes. 6.2.1. Agua residual urbana Elprincipalpotencialdelasmicroalgasendepuracindeaguaresidualradicaensu capacidaddeasimilacin,yportantoeliminacindelmedio,denutrientes, principalmente nitrgeno y fsforo. Es por ello que la mayora de estudios se centran enelusodelasmicroalgascomotratamientoterciariodelasaguas,esdecir,aqul traselcualelaguaesdevueltaalmedio,yprevioalcualsehaeliminadolamayor parte de materia orgnica disuelta y suspendida.Enconcreto,algunasespeciesdemicroalgasverdespresentanespecialtoleranciaa mediosaltosennutrientes.EstasespeciessonChlorellayScenedesmus,yexiste gran cantidad de estudios sobre ellas.WangyMin(2009)evaluaronelcrecimientodeChlorellaenaguaresidualdecuatro puntosdesuprocesodetratamiento:previaaladecantacinprimaria,trasla decantacinprimaria,traseltratamientodefangosactivos,yelsobrenadantedela centrfugadefangos.Suestudioproporcionadatosdevelocidadesespecficasde crecimiento (desde 0,34 d-1 tras fangos activos hasta 0,95 d-1 para el sobrenadante) y de eliminacin de nutrientes y DQO. Tambin llama la atencin sobre el hecho de que lasmicroalgaseliminanaluminio,calcio,hierro,magnesioymanganesodel sobrenadante de la centrfuga. WangyLan(2011)estudianlaproduccindebiomasaylaeliminacindenutrientes deunaguaresidualurbanatrassutratamientosecundariomedianteelcultivode Neochlorisoleoabundans,obteniendounaconcentracindebiomasade2100mg/L, unaproduccinde233mg/Ldyunaeliminacintotalde218mgN-NO3/Ly47 mgPO4/L. 45 UnestudiodeRuiz-Marn(2010)alqueyanoshemosreferidoanteriormenteobtuvo unporcentajedeeliminacindeamoniodel100%y60%encultivostipobatchde Scenedesmus obliquus y Chlorella vulgaris, respectivamente. Yang y Li (2011) han conseguido, mediante Chlorella elipsoidea, eliminaciones de 99% y95%denitrgenototalyfsforototal,respectivamente,altrataraguasresiduales urbanastrassutratamientosecundariomediantetresconfiguracionesdiferentes (fangos activos, A2O y canales de oxidacin). 6.2.2. Agua residual de explotaciones ganaderas y agrcolas Estasaguassecaracterizanporpresentarmuyelevadasconcentracionesde nutrientes,ydiversosestudioshandemostradolacapacidaddedeterminadas especiesdemicroalgasdeeliminarlosdelmedio.Comoejemplocitaremos Botryococcus braunii, estudiada por An et al. (2003),Microspora willeana, Ulothrix sp. y Rhizoclonium hierglyphicum (Pittman 2011). Park y Jin (2010) han estudiado el tratamiento mediante el cultivo de Scenedesmus sp. deefluentesprovenientesdedigestinanaerobiaderesiduosganaderos, demostrandolacapacidaddedichamicroalgadeeliminaraltoscontenidosen nutrientes(5-6mgNH4+/Ld)ylaimportanciadelaportedecarbonoinorgnicoen forma de alcalinidad del medio, ante la ausencia de inyeccin de CO2. EnunarevisinporMarkou(2011)sehacereferenciaanumerososejemplosde cultivodecianobacteriasparatratarresiduosyaguasresidualesdeindustrias porcinas, de ganado vacuno y de aves. 6.2.3. Agua residual industrial En el caso de las aguas residuales industriales el principal inters no suele radicar en la eliminacin de nutrientes sino en la eliminacin de metales pesados (cadmio, cromo, zinc)ocompuestostxicosorgnicos(hidrocarbonos,biocidas,tensioactivos)que puedensereliminadospordeterminadasmicroalgas,comoyasehacomentado. Debidoaqueenestetipodeaguaslosnutrientesnoseencuentranenaltas concentraciones,elcrecimientodelasalgasesmslentoyportantolacantidadde biomasa generada es menor.Existen tambin ejemplos, como un estudio reciente en agua residual de una industria defabricacindealfombras,dondelasmicroalgasChlorellasaccharophila, Pleurochrysis carterae y B. braunii son sin embargo capaces de generar una cantidad importantedebiomasa,quepodraserempleadaparausosenergticossegnlos autores. (Chinnasamy 2010). Para ms ejemplos vase el punto 4 de esta seccin. 46 47 IV.Sistema de depuracin propuesto 1. Introduccin: agua residual urbana. Combinacin detratamiento anaerobio y cultivo de microalgas Enseccionesanterioressehapresentadolacapacidaddelasmicroalgasde eliminacindenutrientes,demostradapornumerososestudiostantoenaguas sintticascomoenaguasresidualesreales.Dadaestacapacidaddeeliminacinde nitrgenoyfsforo,juntoconlasventajastambincomentadasdeaprovechamiento de la energa solar y posibilidad de recuperacin de nutrientes, se propone el empleo deuncultivodemicroorganismosfotosintticoscomopost-tratamientoaltratamiento anaerobio de un agua residual urbana. El grupo de investigacin CALAGUA opera una planta a escala piloto donde se lleva a caboeltratamientodelaguaresidualurbanaeindustrialafluentealaEDARdel Carraixet (Valencia) mediante un biorreactor anaerobio de membranas. El efluente de dicho tratamiento contiene bajos contenidos de materia orgnica pero concentraciones elevadas de nitrgeno amoniacal y fsforo en forma de polifosfatos que es necesario eliminarantesdeverter almedio,ascomoenelcasodepretenderunareutilizacin del agua. Como tratamiento para este efluente se propone el cultivo de microalgas.Estetratamientoseconsideraapropiadoyaquelacombinacindeunaetapa anaerobiaconunaetapadedepuracinmediantemicroalgaspresentalassiguientes ventajas: -Laetapaanaerobiaeliminamateriaorgnica,apartirdelacualseobtiene energaenformadebiogs.Losorganismosfotosintticosnoprecisande dichamateriaorgnicaparasudesarrollo,demodoqueesposiblegenerar biomasademicroalgasapartirdelefluentedisponiblesinconsumirmateria orgnica. -Elefluentedelaetapaanaerobiaaportalosnutrientesnecesariosalas microalgasparasudesarrollo,alavezqueesdepurado,disminuyendosu concentracinenamonioyfosfatos,loqueevitalaeutrofizacintrassu descarga al medio receptor. -Las microalgas necesitan para su desarrollo una fuente de carbono inorgnico en forma de CO2 o de ion carbonato disuelto en el agua. El efluente de la etapa anaerobiapresentaunaaltaalcalinidadencomparacinconotrosmediosde depuracindeaguasresiduales,comopodraserporejemploelproceso convencionaldefangosactivosconnitrificacin-desnitrificacin.Dicha alcalinidad es aprovechada por las microalgas en su crecimiento, haciendo de dichoefluenteunmediodecultivoadecuadoparalosmicroorganismos fotosintticos. 48 -La biomasa generada en el reactor de cultivo de microalgas, que ha crecido a expensasdelosnutrientespresentesenelefluentedelreactoranaerobio, puede ser recirculada a dicho reactor para contribuir a la generacin de biogs y recuperacin energtica del proceso.-El digerido resultante del proceso anaerobio contiene ahora nitrgeno y fsforo orgnicos que pueden ser recuperados como fertilizantey que mediante otros tratamientoshabransidoexpulsadosalaatmsferaen forma gaseosa(N2)o habran precipitado qumicamente en forma de sales metlicas (el fsforo). 2. Planta piloto: biorreactor de membranas anaerobio EnesteapartadoseintroduceelconceptodeBRManaerobioysepresentanlas caractersticas del proceso concreto con el que se trabaja en la planta piloto, as como de su agua efluente.LosbiorreactoresdemembranaoBRMconvencionalescombinanelprocesode fangosactivosconvencionalconunsistema fsicodeseparacinpor membranas,de modoquelaseparacindellicormezcladelefluentesellevaacaboatravsdeun proceso de separacin por membranas. El objetivo de esta combinacin es minimizar elvolumendereactornecesario.Elprocesodeseparacinfsicapormembranasse caracterizaporunamayorcapacidadderetencindeslidosyportantoelefluente obtenido presenta una concentracin de slidosdespreciable y en algunos casos, en funcin del tamao de poro de la membrana seleccionada, est exento de bacterias y de patgenos.El funcionamiento de un biorreactor de membranas anaerobio o AnBRM es similar a unBRMconlaexcepcinqueenestecasosecombinaelprocesoanaerobiode degradacin de la materia orgnica con el sistema de separacin por membranas. La principaldiferenciaesquenoseprecisaaportedeoxgeno,yqueelsistema permanece hermticamente cerrado para el almacenamiento y recoleccin del biogs producido.Estetipodesistemaspermitenobtenertiemposderetencincelularlo suficientemente elevados para el completo desarrollo de la biomasa anaerobia, gracias alagrancapacidadderetencindeslidosquepresentanlasmembranas,evitando adems la problemtica existente con la sedimentabilidad de los fangos anaerobios. El tratamiento de aguas residuales va anaerobia es un proceso secuencial a partir del cual la materia orgnica compleja es degradada a compuestos sencillos sin necesidad de un aceptor de electrones externo, como seran el nitrato u oxgeno en tratamientos porvaanxicaoaerobia.Medianteesteproceso,lamateriaorgnicainicialenel aguaresidualestransformadabiolgicamenteametano(CH4)ydixidodecarbono (CO2). Los principales beneficios de la tecnologa anaerobia de BRM se resumen en: -Seobtieneunefluentecompletamenteclarificadoyprcticamente desinfectado. 49 -Seminimizaconsiderablementelaextensindeterrenonecesariaparala EDAR(combinacindedecantadorprimario,reactordefangosydecantador secundario). -Se reduce la problemtica asociada a la decantacin del fango. -Sedesacoplaysehacenindependienteseltiempoderetencinhidrulico (TRH)yeltiempoderetencincelular(TRC),graciasalaseparacinpor membranas. -Noexisteconsumoenergticoporaportedeoxgenoalsistema,yaqueste no es necesario. -Seobtieneunacorrientedebiogs,lo que suponelarecuperacinenergtica de los contaminantes del agua residual. -Presentaunaaltacapacidaddeeliminacinparalossustratoslentamente biodegradables,principalmenteaaltasconcentracionesdemateriaorgnica, pero tambin para bajas/medias concentraciones. -Presentalaposibilidaddepotenciarlaproduccindeproductosintermedios, como por ejemplo la maximizacin de produccin de hidrgeno. -Presenta una muy baja produccin de fangos en comparacin con los procesos aerobios, aproximadamente una produccin entre 5 y 10 veces menor. -Losfangosobtenidosestnestabilizadosysepuedenaprovecharcomo fertilizantes. Acontinuacinsemuestraundiagramadeflujodelaplantapilotodebiorreactorde membranas anaerobio instalada en la planta del Carraixet y se explican los elementos que la componen: Fig. 16: Diagrama de flujo de la planta piloto 50 Unrotofiltro(RF)conunaluzdepasode0,5mmfuncionacomopre-tratamientodel agua residual, reteniendo las partculas gruesas o fibras que puedan daar las partes mvilesdelosequiposolasuperficiedelasmembranas.Untanquederegulacin (TR)amortigualasvariacionesenlascargasalolargodeldayhomogeneza mediante agitacin mecnica continua. Elreactoranaerobiocerrado(AnR),queseencuentraencamisadoyconectadoaun sistema de calefaccin externa, tiene una capacidad mxima de trabajo de 1000L y en suespaciodecabezade300Lsealmacenayrecogeelbiogs.Estetanquese mantieneagitadocontinuamentemediantelarecirculacin,porlaparteinferior,del biogs producido en el proceso. El biogs es introducido a travs de tres difusores de membrana(difusoresdeburbujafina).Comoelementoadicionaldeagitacin,el reactorconstadeunarecirculacininternadefangosqueasuvezfuncionacomo conduccinparaladescargadelosmismoscuandoseanecesario(purgadefangos en exceso).Dos tanques de 800 L (TM1 y TM2), donde tiene lugar la filtracin del licor de mezcla,contienen las membranas de fibra hueca sumergidas (membranas de ultrafiltracin de 0,05 m de dimetro de poro) con un rea total de filtracin por tanque de 30 m2. Cada mdulo de membranas dispone de un sistema de mezcla mediante la recirculacin del biogsproducidomediantetoberasdeburbujagruesa.Elobjetivodeesta reintroduccin de biogs es la minimizacin del fouling (deposicin de partculas sobre la superficie de las membranas), as como la homogeneizacin dellicor mezcla en el interiordeltanque.Cadaunodelostanquescontienetambinunsistemade separacin de gases (degasificadores DV1 y DV2) situados a la salida del permeado, quepermitenlaseparacindelbiogs.Estebiogsrecuperadoesreintroducidoal tanque de membrana en etapas posteriores de operacinExiste un tanque CIP (clean-in-place) de 200L situado tras los tanques de membranas, donde se almacena una parte del permeado obtenido en las etapas de filtracin para posteriores etapas de limpieza fsica de las membranas. El sistema de distribu