Tesis Yaremi Lh-converted.docx

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA.

TÍTULO DE PROYECTO Cultivo de Chlorella vulgaris en un fotobiorreactor airlift de tubos concéntricos con capacidad de 17 litros

ALUMNA IBQ. YAREMI LÓPEZ HERNÁNDEZ DIRECTORES: Dr. LUIS G. TORRES BUSTILLOS Dr. LUIS C. FERNÁNDEZ LINARES.

COMITÉ TUTORIAL: Dr. ELVIA INES GARCÍA PEÑA Dr. JORGE ISAAC CHAIREZ ORIA M. en C. CARLOS OROZCO ÁLVAREZ

México D.F., Julio del 2015

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ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS TÍPICAS DE REACTORES CERRADOS. SE REALIZA LA COMPARACIÓN ENTRE LAS TRES CONFIGURACIONES: REACTOR TUBULAR, REACTOR FLAT PANEL Y LOS REACTORES VERTICALES............................................................................................................................................... 18

TABLA 2. ECUACIONES PARA DETERMINAR EL COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE

GASES (KLA)........................................................ 22

TABLA 3. DESCRIPCIÓN CRONOLÓGICA DE ALGUNAS INVESTIGACIONES REALIZADAS SOBRE ANÁLISIS HIDRODINÁMICO , COMPARACIÓN ENTRE FOTOBIORREACTORES Y EL CRECIMIENTO DE ALGAS.................................................................................................................................................................... 25

TABLA 4. COMPOSICIÓN DEL MEDIO DE CULTIVO BBM............................................................................................................................. 28 TABLA 5. DIMENSIONES DEL FOTOBIORREACTOR AIRLIFT DE TUBOS CONCÉNTRICOS....................................................................................................................... 43 TABLA 6. VELOCIDADES DE GAS Y LÍQUIDO EN EL RISER A DIFERENTES FLUJOS VOLUMÉTRICOS DE AIRE, TAMBIÉN SE HACE LA COMPARACIÓN DE LAS VELOCIDADES DE LÍQUIDO EN EL RISER REPORTADA EN LITERATURA.....................................................................................................................45

TABLA 7. HOLD UP A DIFERENTES FLUJOS VOLUMÉTRICOS DE AIRE, TAMBIÉN SE HACE LA COMPARACIÓN DE LAS VELOCIDADES DE LÍQUIDO EN EL RISER REPORTADA EN LITERATURA...................................................................................................................................................................................... 50

TABLA 8 VALORES DE KLA OBTENIDOS DE DIFERENTES SISTEMAS DE CULTIVO...................................................................................................................52 TABLA 9. VALORES OBTENIDOS DE VELOCIDAD DEL GAS EN EL RISER Y POTENCIA POR UNIDAD DE VOLUMEN A LOS DIFERENTES FLUJOS VOLUMÉTRICOS DE AIRE.............................................................................................................................................................................................. 53

TABLA 10. PRODUCTIVIDAD BIOMÁSICA DE C. VULGARIS REPORTADAS EN LITERATURA. COMPARATIVO CUANDO LA MICROALGA ES CULTIVADA EN DIFERENTES TIPOS DE FOTOBIORREACTORES................................................................................................................................................................................. 57

TABLA 11 RESUMEN DEL CRECIMIENTO DE C.VULGARIS EN MEDIO BBM A DIFERENTES CONCENTRACIONES INICIALES DE NANO3 ,CINÉTICAS REALIZADAS EN MATRAZ A CONDICIONES CONTROLADAS DE TEMPERATURA (20±2 °C), FOTOPERIODOS (12X12)...............58 TABLA 12 CODIFICACIÓN DE LOS MATRACES BAFLEADOS CON MEDIO BBM A DIFERENTES CONCENTRACIONES DE NITRATOS...............................64

ÍNDICE DE FIGURAS FIG 1. ESQUEMA DE UN A) “RACEWAY PONDS” Y UN B) RACEWAY IN VIVO............................................................................................................... 15 FIG. 2. ESQUEMA DE REACTORES VERTICALES: 1) COLUMNA DE BURBUJAS, 2) AIRLIFT Y 3) AIRLIFT CON AGITADOR HELICOIDAL.......................17 FIG. 3. ESQUEMA GENERAL DE UN REACTOR AIRLIFT Y LAS 4 ZONAS QUE LO COMPONEN (1.RISER, 2.DOWNCOMER, 3.TOP CLEARANCE Y 4.BOTTOM CLEARANCE). EL AIRLIFT PRESENTA UN TUBO CONCÉNTRICO QUE AYUDA A QUE EL FLUJO DESCIENDA POR LA PARTE INTERNA DEL MISMO, MIENTRAS QUE LAS PAREDES DEL REACTOR AYUDAN A QUE ASCIENDA EL FLUIDO. LOS COMPONENTES QUE GENERALMENTE PRESENTAN SON ANALIZADORES DE PH, OXÍGENO Y UNA ENTRADA DE AIRE O CO2........................................................................... 20

FIG 4. A) VISTA FRONTAL DEL REACTOR AIRLIFT DE 17 L, VISTA SUPERIOR DE DIFUSORES TIPO ESTRELLA B), CRUZ C) Y DIFUSOR DE VIDRIO D).

30

FIG. 5. ESQUEMA DE UN REACTOR AIRLIFT................................................................................................................................................................................... 34 FIG. 6. SISTEMAS DE BOTELLAS AIREADAS PARA EL CRECIMIENTO DE CULTIVOS SEMILLAS DE LA CEPA CHLORELLA VULGARIS A CONDICIONES CONTROLADAS DE TEMPERATURA, AIREACIÓN E ILUMINACIÓN......................................................................................................................................40

FIG. 7. VELOCIDAD DEL LÍQUIDO EN EL RISER Y EL DOWNCOMER, Y VELOCIDAD PROMEDIO; EN FUNCIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL AIRE. VALORES CALCULADOS PARA LOS TRES DIFUSORES: CRUZ, ESTRELLA Y VIDRIO POROSO....................................................................................... 44

FIG. 8. TIEMPO DE MEZCLADO EN FUNCIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DE AIRE, SE REPRESENTA EL DIFUSOR TIPO ESTRELLA, CRUZ Y VIDRIO POROSO. ........................................................................................................................................................................................46 FIG. 9. TIEMPO DE CIRCULACIÓN EN FUNCIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DE AIRE , TIEMPOS GRAFICADOS PARA LA ZONA RISER, DOWNCOMER Y TIEMPO DE CIRCULACIÓN PARA LOS TRES DIFUSORES.................................................................................................................................................... 47

FIG. 10. HOLD UP CALCULADO PARA CADA TIPO DE DIFUSOR A DIFERENTES VELOCIDADES DE AIREACIÓN...................................................................49 FIG. 11. COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE MASA EN FUNCIÓN DEL FLUJO DE AIRE (KLA), VALORES DETERMINADOS PARA LOS DIFUSORES TIPO ESTRELLA, CRUZ Y VIDRIO POROSO.................................................................................................................................................................... 51

FIGURA 12. CRECIMIENTO DE C. VULGARIS A UN FLUJO DE AIRE DE 1 VVM (17 L/MIN) UTILIZANDO LOS DIFUSORES TIPO CRUZ, TIPO ESTRELLA Y VIDRIO POROSO................................................................................................................................................................................................ 54

FIG. 13. COMPARATIVO DE LA CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE C. VULGARIS EN EL REACTOR AIRLIFT A UN FLUJO DE AIRE DE 20 L/MIN (1.2 VVM) ...55 FIG. 14. CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE C. VULGARIS CULTIVADA EN EL FOTOBIORREACTOR AIRLIFT, A UN FLUJO DE AIRE DE 0.6 VVM (9

L/MIN)

UTILIZANDO LOS DIFUSORES TIPO CRUZ, TIPO ESTRELLA Y DIFUSOR DE VIDRIO POROSO.......................................................................................56

FIG. 15. CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE C. VULGARIS EN MATRAZ, CULTIVADAS EN MEDIO BBM A CINCO DIFERENTES CONCENTRACIONES DE NANO3. ........................................................................................................................................................................................58 FIG. 16. COMPORTAMIENTO DEL OXÍGENO DISUELTO CON RESPECTO DEL TIEMPO, SE OBTIENEN LOS PERFILES DE CAMBIO EN LA ZONA RISER (LÍNEA CONTINUA) Y DOWNCOMER (LÍNEA PUNTEADA) PARA LOS DIFUSORES DE ACERO INOXIDABLE ESTRELLA (COLOR ROJO) Y CRUZ (COLOR AZUL), Y PARA EL DIFUSOR DE VIDRIO POROSO (COLOR NEGRO), EL COMPARATIVO SE REALIZA A UN FLUJO DE AIRE DE 1.2 VVM ..................................................................................................................................................................................................................................................... 70

FIG. 17. CINÉTICA DE CHLORELLA VULGARIS EN MATRAZ BAFLEADO, CON MEDIO BBM A DIFERENTES CONCENTRACIONES DE NITRATO............64 FIG. 18. CINÉTICA DE CRECIMIENTO DE CHLORELLA VULAGARIS A CONCENTRACIÓN ESTÁNDAR DE NANO3 EN MEDIO BBM (0.25 G/L), Y CAMBIANDO LA CONCENTRACIÓN INICIAL DE NANO3 A VALORES DE 0.125,

0.375, 0.500, 0.625 G/L EN EL MEDIO BBM..........65

FIG. 19. CUANTIFICACIÓN DE CLOROFILA A, B Y A + B, ASÍ COMO LOS LÍPIDOS TOTALES AL FINAL DE LAS CINÉTICAS DE CHLORELLA VULGARIS CUANDO SE TIENEN DIFERENTES CONCENTRACIONES INICIALES DE NANO3 EN MEDIO BBM............................................................... 67

FIG. 20. REACCIÓN DE NITRIFICACIÓN DEL FENILDISULFÓNICO Y MEDICIÓN DE NITRATOS POR ESPECTROFOTOMETRÍA............................................68 FIG. 21. A) EXTRACCIÓN METANÓLICA Y B) CUANTIFICACIÓN DE LA CLOROFILA A Y B DE CHLORELLA VULGARIS POR ESPECTROFOTOMETRÍA...69 FIG. 22. COMPORTAMIENTO DEL OXÍGENO A FLUJOS DE AIREACIÓN DE A) 0.3, B) 0.5, C) 0.8 Y D) 1.2 VVM. SE UTILIZÓ TRES TIPOS DE DIFUSORES, EL DIFUSOR EN FORMA DE ESTRELLA (COLOR ROJO), DIFUSOR EN FORMA DE CRUZ (COLOR AZUL) Y EL DIFUSOR DE VIDRIO POROSO (COLOR NEGRO). SE PRESENTA EL COMPORTAMIENTO DE LOS VALORES DE OXÍGENO DISUELTO OBSERVADOS EN LA ZONA RISER

(LÍNEA CONTINUA) Y EL DOWNCOMER (LÍNEA PUNTEADA) PARA CADA UNO DE LOS DIFUSORES Y FLUJOS DE AIRE ANTES MENCIONADOS. 71 FIG. 23. DESPLAZAMIENTO DEL NITRÓGENO POR OXÍGENO EN MEDIO BBM, MEDICIONES REALIZADAS EN OXÍGENO DISUELTO (PPM) EN FUNCIÓN DEL TIEMPO UTILIZANDO EL DIFUSOR DE ESTRELLA Y FLUJOS DE AIRE DE 0.3,

0.6, 0.8 1.0 Y 1.2 VVM. MEDICIONES REALIZADAS

EN LA ZONA RISER (LÍNEA CONTINUA) Y EN LA ZONA DOWNCOMER (LÍNEA PUNTEADA)........................................................................ 72

FIG. 24. DESPLAZAMIENTO

DEL

NITRÓGENO

POR OXÍGENO EN MEDIO

BBM,

MEDICIONES REALIZADAS EN

FUNCIÓN DEL TIEMPO UTILIZANDO EL DIFUSOR DE CRUZ Y FLUJOS DE AIRE DE 0.3,

OXÍGENO

DISUELTO (PPM) EN

0.6, 0.8 1.0 Y 1.2 VVM. MEDICIONES REALIZADAS EN

LA ZONA RISER (LÍNEA CONTINUA) Y EN LA ZONA DOWNCOMER (LÍNEA PUNTEADA)............................................................................. 73

FIG. 25. DESPLAZAMIENTO DEL NITRÓGENO POR OXÍGENO EN MEDIO BBM, MEDICIONES REALIZADAS EN OXÍGENO DISUELTO (PPM) EN FUNCIÓN DEL TIEMPO UTILIZANDO EL DIFUSOR DE VIDRIO POROSO Y FLUJOS DE AIRE DE 0.3,

0.6, 0.8 1.0 Y 1.2 VVM. MEDICIONES

REALIZADAS EN LA ZONA RISER (LÍNEA CONTINUA) Y EN LA ZONA DOWNCOMER (LÍNEA PUNTEADA)...................................................... 74

ÍNDICE DE ECUACIONES

( 1 ) HOLD UP············································································································································································· 31 ( 2 ) TIEMPO DE CIRCULACIÓN····························································································································································· 33 ( 3 ) TIEMPO DE CIRCULACION EN EL RISER··················································································································································· 33 ( 4 ) TIEMPO DE CIRCULACIÓN EN EL DOWNCOMER.......................................................................................................................................................33 ( 5 ) VELOCIDAD PROMEDIO DEL LÍQUIDO············································································································································· 33 (6)

VELOCIDAD DEL GAS EN EL RISER............................................................................................................................................................................34

( 7 ) POTENCIA GASEADA POR UNIDAD DE VOLUMEN···························································································································· 35 ( 8 ) KLA (O2)···································································································································36 ( 9 ) K LA (CO2)................................................................................................................................................................... 36 ( 10 ) KLA TOTAL········································································································································································· 37 ( 11 )BIOMASA············································································································································································ 38 ( 12 ) LÍPIDOS············································································································································································· 39 ( 13 )NÚMERO DE REYNOLS································································································································································ 41 ( 14 )CÉLULAS /MILILITRO···································································································································································· 68 ( 15 )CLOROFILA A·············································································································································································· 69 ( 16 ) CLOROFILA B············································································································································································· 69 ( 17 ) CLOROFILA A+B········································································································································································· 69

RESUMEN

Se realizó la caracterización hidrodinámica de un fotobiorreactor airlift de tubos concéntricos con capacidad de 17 litros. En la caracterización hidrodinámica se empleó tres tipos de difusores, dos de acero inoxidable con diámetro de poro de 1 mm y un difusor de vidrio poroso con un tamaño de poro de 10 -160 μm, y cinco flujos volumétricos de aireación en un rango de 3-20 L/min. Las características hidrodinámicas como hold up, tiempo de mezclado, tiempo de circulación, velocidad del líquido se realizó en agua potable, mientras que la determinación del kLa O2 se realizó en medio de cultivo BBM. El kLa del CO2 se calculó a partir de una relación de coeficientes de difusividad (O 2/CO2). Las cinéticas de Chlorella vulgaris se realizó a tres flujos de aire y los tres tipos de difusores en medio BBM. En general, las mejores productividades biomasicas y lipídicas se obtuvieron cuando el cultivo se realizó a 17 L/min. Las productividades biomásicas y lipídicas más altas fueron de 40 mg/Ld y 13 mg/Ld respectivamente.

1. INTRODUCCIÓN El término biomasa no sólo se refiere a la madera, cultivos maderables de rápida rotación, desechos de agricultura, residuos de papel, aserrín, hierba, desechos de procesos alimenticios, etc. Biomasa es un término para todos los materiales orgánicos que derivan de plantas, árboles, cultivos y algas (Demirbas, 2008). El uso de las microalgas es debido a la habilidad de estos microorganismos de convertir eficientemente la energía solar en energía química por la vía fijación del dióxido de carbono (CO2), la cantidad de lípidos que se pueden extraer y por lo tanto su rendimiento para la obtención de biodiesel, pigmentos como los carotenoides y sus derivados, la ficobilina, astaxantina, etc. Otros productos que se pueden obtener son las proteínas que finalmente son agregadas a la dieta humana o como alimento en el área de acuicultura. Las microalgas pueden crecer en un amplio rango de fuentes de agua, diversos estudios muestran el crecimiento de las algas en agua fresca, salina, inclusive se ha utilizado las microalgas como una etapa del tratamiento de aguas residuales (Adyta M. & R.Bruce, 2010) (Fernandes, y otros, 2014). (Cañizarez-Villanueva & Perales Vela, 2010). Se han realizado estudios sobre el crecimiento de diversas cepas de micro algas que son cultivadas para estudios de investigación, de las cuales destacan Dunaliella salina, Botryococcus braunii, Chlorella minutissima, Monodus subterraneus, Nannochloris sp., Nitzchia sp. , Dunaliella tertiolecta y Chorella vulgaris (Loera-Quezada & Olguín, 2010). Chlorella es un género de microalgas verdes más abundantes y disponibles, y si es cultivada presenta un crecimiento muy rápido. Este tipo de microalga puede crecer en condiciones autótrofas (AC), Heterótrofas (HC) y Mixótrofas (MC) debido a su capacidad metabólica de responder a cambios ambientales. Se han reportado diferentes estudios sobre especies de Chlorella; por ejemplo, Wu & Merhuck en el 2004 en su estudio reportan que Chlorella prothotecoides, en condiciones heterotróficas produce hasta 57.9% de su peso en lípidos. En el 2008, utilizando Chlorella vulgaris se encontró hasta un 56 % de lípidos en biomasa peso seco con adición de hierro. Kumar & Das, 2012 estudiaron el comportamiento de Chlorella sorokiniana a diferentes concentraciones de CO2 en la corriente de aire de

entrada en un fotobiorreactor de columna de burbujeo y un Airlift, en este último se obtuvo hasta una productividad de 4.4 gL -1d-1 de biomasa en peso seco. También, durante el estudio de Fernandes, et. al., realizado en el 2014 reportan para Chlorella vulgaris, a diferentes condiciones de cultivo, fracciones de su peso en lípidos de 15.37 (AC), 32.85 (HC), 25.37 (MC). Sin embargo, aun si se contara con la mejor cepa de microalga, el siguiente paso a desarrollar seria el sistema en el cual, bajo ciertas condiciones operativas o geométricas, la microalga pueda desarrollarse óptimamente, que incremente la productividad para que tenga una apropiada exposición a la luz solar o condiciones lumínicas y así aumentar la actividad fotosintética de las microalgas, un buen intercambio de masa entre la fase gaseosa y la fase líquida, mezclado y bajos estrés de corteen y en un futuro se pueda disminuir los costos de producción del proceso, lo que hace del fotobiorreactor Airlift un candidato viable para el crecimiento de microalgas (Fernandes, et. al., 2014) (Rengel, et. al., 2012). El fotobiorreactor Airlift presenta una configuración geométrica que le permite, por medio de la entrada de un flujo de gas, poner en movimiento el medio en el que se desarrolla el microorganismo sin hacer uso de la agitación mecánica. Esta agitación se caracteriza por ser suave con las células, permite un mezclado del medio lo que conlleva a la homogeneización de los nutrientes y propicia mayores tiempos de exposición de las microalgas a la fuente lumínica. Se han realizado estudios en los cuales se comparan biorreactores basados en sus características hidrodinámicas, de transferencia de masa, el consumo de energía y producción biomásica, ya sea bajo condiciones controladas o al aire libre, y se observan resultados muy interesantes para cada caso (Yazdian, et.al., 2014) , (Sanchez Mirón, et.al., 2002) (Sanchez Mirón, et.al., 2000) (Chisti & Juaregui-Haza, 2002) (Rengel, et.al., 2012). Es por eso que el conocimiento apropiado del fotobiorreactor Airlift y la determinación de los parámetros que caracterizan su hidrodinámica contribuirá a determinar las mejores condiciones para el cultivo de las microalgas.

Por lo cual, el objetivo de este proyecto es estudiar el efecto del tipo de difusor, y como afecta características hidrodinámicas, vg. ��𝑎 de un fotobiorreactor airlift de 17 Litros y la relación de estos con el cultivo de una microalga verde, Chlorella vulgaris, cuando se varían los flujos volumétricos de aireación.

2. MARCO TEÓRICO 2.1 Bioproductos de origen algal. El uso de las microalgas se ha expandido debido a la eficiencia de convertir la energía solar en energía química, por medio de la fijación del dióxido de carbono (CO 2), y así aumentar la biomasa de la misma. Las microalgas pueden ser cultivadas mediante

técnicas

fotoautótrofas (fotosintéticas), sin embargo también se puede desviar su metabolismo para hacerlas crecer bajo otras condiciones como la heterotrofia o mixiotrofia, en donde su fuente de carbono no es el CO2, este es sustituido por un compuesto orgánico como la glucosa o, una combinación de los procesos fotótrofos y heterótrofos. Cada una de estas técnicas de cultivo han sido estudiadas, y se han encontrado ventajas y desventajas del uso de cada una, y al parecer la que más realza por su fácil uso es el crecimiento de algas fotosintéticas, debido a que estas pueden crecer bajo luz natural proveniente de los rayos solares o luz artificial que conocemos. (Rattanapoltee & Kaewkannettra, 2014) Tradicionalmente, las algas microscópicas han sido cultivadas para diferentes fines, puesto que se han utilizado comercialmente para otras aplicaciones como en acuicultura, ya que son la principal fuente de alimento utilizada en la nutrición de moluscos y fases larvarias de crustáceos; en tratamiento de aguas se emplean como agentes de detoxificación y control de metales mesados; en agricultura se utiliza la biomasa microalgal como biofertilizante; en el área de biomedicina y farmacología es utilizado en dietas de adelgazamiento y tratamiento de heridos, actividad antimicrobiana y anti fúngica. El uso de las microalgas es muy amplio ya que puede ser utilizado como alimento para animales, pigmentos, en el ramo de acuacultura, cosméticos, etc (Adyta M. & R.Bruce, 2010) (Gómez Luna, 2007)

Si bien, los sistemas de crecimiento de este tipo de algas se puede llevar a cabo en sistemas que pueden ser diseñados para hacer crecer microalgas, podemos encontrar dos clases principales, sistemas abiertos y los fotobiorreactores cerrados (Adyta M. & R.Bruce, 2010). Ambos deben conectarse a un sistema de cosecha, el cual colecta las algas para concentrar la biomasa, una posterior lisis de las células y la extracción de lípidos. Sin embargo, al diseñar un fotobiorreactor para realizar este tipo de actividad es necesario tener en cuenta algunas consideraciones para el apropiado crecimiento y consecuentemente los rendimientos de biomasa y lípidos, estas consideraciones pueden ser la iluminación (luz), el mezclado dentro del reactor, el consumo de agua, el consumo de dióxido de carbono (CO2), la remoción de oxígeno (O2), los nutrientes y la temperatura. 2.2

Requerimientos para el cultivo de mircroalgas

A continuación se describirá algunas de las consideraciones antes citadas (Adyta M. & R.Bruce, 2010): Iluminación. Se requiere una óptima intensidad de luz/penetración así como una longitud de onda y la frecuencia de exposición celular a la luz. Los niveles altos son críticos debido a que la saturación de luz, que es un exceso de energía las algas lo disipan como calor, para mitigar esto se requiere de un aprovechamiento al máximo de área de contacto, y esto también disminuye el auto sombreado de las algas. Mezclado. El mezclado mejora la productividad por incrementar la frecuencia de la célula a la exposición en los volúmenes de luz y obscuridad en el reactor y por incrementar la transferencia de masa entre los nutrientes y la célula. Consumo de agua. Las algas pueden crecer en un amplio rango de fuentes de agua, por lo tanto esto es beneficioso ya que muchos cultivos de algas no requieren agua nueva.

Consumo de CO2 y remoción de O2. Se requiere una eficiente transferencia de masa gas- líquido para aumentar la eficiencia de la transferencia del dióxido de carbono que es la fuente de carbono de los cultivos fotosintéticos. Por el contrario, la acumulación del oxígeno inhibe la fotosíntesis (Sanchez Mirón, et.al., 2000) Nutrientes. A medida que hay crecimiento, las algas requieren más reactantes en la reacción fotosintética. Dos de los mejores nutrientes son Nitrógeno y Fosforo, ambos juegan un rol en controlar la velocidad de crecimiento y la producción de lípidos. Otros nutrientes esenciales son: carbón, hidrógeno, sodio, potasio y cloro. Temperatura. El óptimo crecimiento es limitado a un rango muy estrecho de temperatura y depende para cada especie. pH. Cada especie de alga también mantiene un rango óptimo estrecho de pH. El pH del medio está vinculado a la concentración de CO2. 2.3

Fotobiorreactores

Hasta este punto se ha descrito brevemente las consideraciones sobre el crecimiento de micro algas y hemos descrito poco o nada sobre las configuraciones abiertas o cerradas de los fotobiorreactores, a continuación se describirá brevemente los sistemas más representativos. Reactores abiertos.

Los estanques a cielo abierto, comúnmente usadas para el cultivo de microalgas, también son conocidos como open ponds. También se encuentran los raceway ponds que son

sistemas un poco más sofisticado, puesto que son largos estanques abiertos, con componentes rotatorios y deflectores para promover el mezclado. Este sistema es el más comercial de los reactores de estaque abierto para el crecimiento de microalgas, ver Fig 1.

a)

b)

Fig 1. Esquema de un a) “diseño raceway ponds” y un b) raceway.

El mayor problema de los raceway es la presencia de competencia y la depredación, es difícil mantener un monocultivo de una especie deseada de alga en un entorno abierto al aire libre, las especies comercialmente más exitosas de las algas que crecen en estanques abiertos todas prosperan en ambientes extremos que inhiben la competencia (vg. ambientes salinos). Perdida de agua por evaporación, control inadecuado de los parámetros de diseño necesarios para optimizar el crecimiento algal son algunos de los problemas a enfrentarse al utilizar este sistema (Adyta M. & R.Bruce, 2010). Fotobiorreactor cerrado

Numerosos tipos de fotobiorreactores han sido diseñados en el intento de tener un mejor control de los factores de crecimiento mencionados anteriormente, de entre ellos podemos mencionar

los

reactores

para

producción

a

gran

escala

tubulares/horizontales,

columnas/vertical, placa plana o Flat panel (FP), otras configuraciones no son adecuados para este tipo de uso (Adyta M. & R.Bruce, 2010). Es difícil elegir un fotobiorreactor cerrado debido a que cada uno presenta ventajas y desventajas, sin embargo al evaluar los sistemas en similares condiciones resalta la eficiencia fotosintética PE (Photosyntetic Eficiency, por sus siglas en inglés). Autores afirman

que la PE es significativamente alto en reactores tubulares comparado con los reactores FP debido a que las curvaturas de la superficie resultan en una dilución espacial de la luz. Otro inconveniente para los reactores FP es que el daño a las células puede ocurrir debido al alto estrés resultado de la aireación, un problema que nunca se ha reportado en un reactor tubular. Sin embargo este mismo reactor tiene ventaja sobre otros reactores el paso del oxígeno es más corto es decir tienen bajas acumulaciones de concentración de oxígeno disuelto que los reactores horizontales. (Adyta M. & R.Bruce, 2010). Hay dos tipos de reactores verticales: Los Airlift y las columnas de burbujas y estos pueden ser superior a los que presentan agitación debido a la ausencia de los mecanismo móviles que requieren un mayor mantenimiento. Los reactores verticales son compactos, de costos bajos y fácil de operar mono asépticamente, además de que existe muy poca información de la caracterización de cultivos de microalgas en grandes reactores airlift y columnas de burbujeo (Sanchez Mirón, Cerón García, García Camacho, Molina Grima , & Chisti, 2002). La revisión realizada por Adyta M. & R.Bruce en el 2010, los reactores verticales satisfacen el diseño que considera las variables descritas al inicio (pH, iluminación, mezclado, etc.). Los Airlift verticales mejoran el intercambio de luz y la exposición de las células a la luz. El Airlift pone en movimiento los cultivos sin utilizar partes mecánicas, lo cual reduce la contaminación y el daño a las células debido al esfuerzo de corte (Adyta M. & R.Bruce, 2010). Otro tipo de configuración de reactores Airlift son los que contiene un promotor helicoidal de flujo en el centro.

Fig. 2. Esquema de reactores verticales: 1) Columna de burbujas, 2) Airlift y 3) Airlift con agitador Helicoidal.

Existe la combinación de reactores abiertos y cerrados, sin embargo no se tratarán en este escrito. Algunas de las principales ventajas y desventajas de las tres principales configuraciones de reactores verticales cerrados, Tubular, Flat panel, vertical se detallan en la Tabla 1. 2.4

Fotobiorreactor airlift de tubos concéntricos

Los fotobiorreactores Airlift, que son un reactores del tipo vertical, son ampliamente utilizados en bioprocesos, por que utiliza fluidos menos viscosos y puede ser utilizado cuando se requiere de una agitación suave y buena transferencia de oxígeno (Chisti & Juaregui-Haza, 2002). Además de utilizarse en el área de bioprocesos, este tipo de reactores también se utiliza para la industria de los procesos químicos y tratamiento de aguas residuales (Sanchez Mirón, García Camacho, Contreras Gómez, Molina Grima , & Chisti, 2000).

Tabla 1. Ventajas y desventajas típicas de reactores cerrados. Se realiza la comparación entre las tres configuraciones: reactor tubular, reactor flat panel y los reactores verticales.

Tipo de reactor

Ventajas

Desventajas -Mayor consumo energético que el reactor FP.

-Eficiencia fotosintética mayor que en el reactor Flat panel.

-Menor escalamiento

Tubular/horizontal

posibilidad para

de

aplicación

comercial.

-Ajustes para maximizar el uso del terreno.

-Mayor uso de terreno. -Acumulación de oxigeno

-Eficiencia fotosintética.

Flat Panel (FP)

-Aparente inconveniente en eficiencia fotosintética.

-Ruta de oxigeno corta, por lo tanto menor oxígeno disuelto en el medio.

-Estrés en células como resultado de la aeración.

-Menor consumo energético. -Se

han

desarrollado

columnas

de

burbujas más apropiadas para escalamiento que los reactores tubulares. -Requieren

menor

energía

de

enfriamiento -Escalabilidad Columna/Vertical

-Bajo alta intensidad luminosa presentan -Costos de apoyo.

menor foto inhibición. -En

condiciones

luminosas

bajas,

captura más el reflejo de la luz. -Menor área (ocupación de terreno o tierras).

Los reactores Airlift tienen un patrón definido de mezcla y puede ser aireado a una alta velocidad. Sin embargo las velocidades de aireación se consideran debido a la sensibilidad al cizallamiento. (Sanchez Mirón, et.al., 2000). Los reactores Airlift tienen una potencial ventaja debido al uso del aire como promotor de movimiento y fuente de nutrientes (CO2), este sistema ya ha mostrado resultados prometedores en el cultivo de microalgas (Olivieri, Salatino, & Marzocchella, 2014). Una de las configuraciones más sencillas de un reactor airlift se muestra en la Fig. 3 el cual está constituido por el cuerpo del reactor que separa el medio ambiente del medio en desarrollo (por ejemplo un cultivo de microalgas) y que en su interior presenta un tubo concéntrico que ayuda a dar movimiento de manera descendente o ascendente, este movimiento dependerá de la posición de la entrada del gas. Pueden estar equipados con analizadores de pH, oxigeno, así como de difusores, impulsores, etc Se han desarrollado estudios comparativos entre reactor Airlift y no es de extrañarse encontrarse comparándole con un reactor de burbuja, puesto que para el reactor burbuja se han desarrollado modelos de comportamiento del fluido, como la velocidad de corte, que podría ser igualmente comparable y trasladado a las condiciones de fluido en un reactor Airlift, ya que el tubo concéntrico funciona como una columna de burbujeo, sin embargo, esta configuración geométrica (tubos concéntricos), permite el aprovechamiento de la corriente de aire, es por eso que en este tipo de reactores requiere evaluaciones desde el punto de vista hidrodinámico y fenómeno de transporte .

3

2 1

4

Fig. 3. Esquema general de un reactor Airlift y las 4 zonas que lo componen (1.riser, 2.downcomer, 3.top clearance y 4.bottom clearance). El Airlift presenta un tubo concéntrico que ayuda a que el flujo descienda por la parte interna del mismo, mientras que las paredes del reactor ayudan a que ascienda el fluido. Los componentes que generalmente presentan son analizadores de pH, oxígeno y una entrada de aire o CO2.

El fotobiorreactor airlift de tubos concéntricos, está delimitado por cuatro zonas. La primera zona es por donde asciende el aire, denominada riser, el gas es inyectado por la parte inferior en esta sección, entonces el gas y el líquido ascienden. La segunda zona es referida al downcomer, esta sección que es paralela al riser y está conectada por la parte superior e inferior al riser. En esta sección el flujo de aire y líquido es predominantemente descendente. Entonces la recirculación está dada por la diferencia de densidad entre el downcomer y el riser, esta diferencia genera un gradiente de presión necesario para la recirculación del líquido. Las dos zonas restantes que son el top clearence (separador del gas) y el bottom clearance (base) son las secciones que conectan el riser con el downcomer en la parte superior e inferior, respectivamente. Son secciones muy sencillas sin embargo se ha demostrado que pueden tener efecto en el hold up total, velocidad del líquido y el flujo de la fase sólida (Gouveia, Hokka, & Badino-Jr, 2003).

En un reactor airlift de tubos concéntricos, hay algunos parámetros geométricos pueden afectar el hold up del gas, la circulación del líquido, el tiempo de mezclado y el coeficiente de masa volumétrico (��𝑎) (Gouveia, Hokka, & Badino-Jr, 2003). 2.5

Transferencia de masa gas-líquido kLa

La medición de la capacidad de transferencia de masa, en un biorreactor aerobio es de suma importancia, por cuando dicho valor determinará la productividad del sistema (Raymundo & Cardenas R., 2001). Para el estudio de trasferencia de masa son importantes las condiciones de la interfase, sin embargo es de difícil aplicación debido a que rara vez se conocen las concentraciones y presiones en la interfase, por lo que se recurre a los coeficientes globales de trasferencia de masa en la fase líquida, para ser más específicos, se determina utilizando el coeficiente de transferencia volumétrica ��𝑎. Debido a que las algas tienen como una de sus principales fuentes de nutrientes al Dióxido de carbono (CO2), en el fotobiorreactor no es de interés el proceso de difusión del oxígeno en la fase líquida para que pueda ser aprovechado por las algas. Sin embargo se puede llegar a conocer el coeficiente volumétrico de transferencia de masa del CO 2 al correlacionar el coeficiente de transferencia del oxígeno en relación a la difusividad del CO 2. En la

Tabla 2, se muestran algunas de las ecuaciones para el cálculo del coeficiente de

trasferencia de masa.

Tabla 2. Ecuaciones para determinar el coeficiente volumétrico de transferencia de gases (kLA).

N°

Tipo de reactor

1.

Airlift

Ecuación ф� � � �� = � � − � � “y” toma valores dependiendo del fluido y del régimen del fluido.

Referencia

(Sanchez Mirón,et. al., 2000)

UG=velocidad superficial del gas ф𝑎= 6 z Ar/(Ar + Ad) �� �� (1 − ) = −��𝑎� �� General/Técnic

2.

��= concentración del oxígeno disuelto

(Raymundo & a de eliminación en equilibrio con el oxígeno de la fase Cardenas R., 2001) gaseosa, mMO2/L. de gas ��= concentración de oxígeno disuelto en el seno del líquido, mMO2/L. ����� = Ѱ��� ���� Y

3.

Airlift

2 Ѱ�𝑂] 2= [�� �𝑂

0.5

𝑂2

Donde: ��𝑂2 Es la difusividad del CO2 en agua (cm2day-1). �𝑂2 Es la difusividad de O2 en agua (cm2 day-1).

(Ketheesan Nirmalakhandan, 2013)

&

3. ESTADO DEL ARTE A manera de proveer las mejores condiciones para la microalga en reactores Airlift, es de interés determinar los parámetros que caracterizan su hidrodinámica (Rengel, Zoughaib, Dron, & Clodic, 2012). En el 2006, Ali Fadavi y Yusuf Chisti caracterizaron hidrodinámicamente un fotobiorreactor airlift con recirculación forzada en el cual, se utilizó un novedoso difusor que, combinado con la recirculación forzada a través de una bomba para mejorar los requerimientos del sistema, en específico, controlan el tamaño de la burbuja. En este estudio se caracterizaron parámetros hidrodinámicos como hold up, potencia gaseada por unidad de volumen y tiempo de mezclado a varias combinaciones de velocidades de flujo de gas y líquido. Los autores observan que un incremento en el flujo de aire aumenta la velocidad del líquido en la zona riser por lo tanto disminuye el tiempo de residencia de las burbujas y contrarresta el efecto del incremento de del gas hold up y el efecto de turbulencia. Posteriormente los autores concluyen que este tipo de sistema produce substancialmente altos valores de hold up y áreas interfaciales gas-líquido, esto siempre y cuando se comparen con otros reactores Airlift operados a niveles de potencia entrante. Esto es importante debido a que al obtenerse valores altos de hold up podemos relacionar que el sistema posiblemente presente también coeficientes volumétricos de trasferencia de masa � �𝑎 elevados, al utilizar un difusor que promueva el control del tamaño de burbuja y proveer las condiciones adecuadas de mezclado, transferencia de masa, entre otras, para los cultivos de microalgas. Otro estudio relacionado con la determinación de los parámetros hidrodinámicos y el crecimiento microalgal es reportado, entre otros, en el 2012 por Ana Rengel et. al; quienes operando un reactor de Airlift de tubos concéntricos al cual se le inyecta aire que es distribuido con un difusor de tipo plato con 24 orificios de 2mm de diámetro cada uno, estudian la relación de las velocidades del líquido con respecto de la entrada del flujo de gas

y como varían los parámetros hidrodinámicos como el hold up, tiempo de circulación, potencia gaseada en el agua, comparando estos resultados con la adición partículas que simulan la concentración de microalga. En este estudio, observan que las velocidades del líquido incrementa a medida que el flujo volumétrico de aire aumenta, y que este varía ligeramente cuando los sólidos que simulan las condiciones de microalga son añadidas. De manera comparativa, encuentran que los tiempos de mezclado concuerdan con los tiempos empleados para cultivo microalgal, en este estudio se lograron alrededor de los 14 hasta los 6 segundos a una velocidad superficial del gas de 0.006 – 0.048 m/s respectivamente. Este estudio nos da la pauta de la necesidad de relacionar los parámetros hidrodinámicos con cultivos reales de microalga y analizar el posible efecto o efectos relacionados a la productividad biomásica y lipídica. Cabe destacar que los fotobiorreactores verticales son caracterizados por presentar altos coeficientes volumétricos de transferencia de masa. En estudios recientes, como en el del 2014 cuando Bruno D. Fernández y colaboradores resaltan el estudio hidrodinámico del tres fotobiorreactores verticales, una columna de burbujeo y dos Airlift de placa plana con diferente relación área diámetro entre las secciones riser-downcomer. Estos autores utilizan un sistema de aireación que consiste en un difusor compuesto por 45, 26 y 19 agujas uniformemente espaciadas con un diámetro de 0.25 mm para cada fotobiorreactor. Parámetros como transferencia volumétrica de masa, velocidad de circulación del líquido, hold up fueron determinados. Los autores hacen ahínco en los valores de � �𝑎 para el CO2 obtenidos, valores que van de los 0.03 s -1 hasta los 0.003 s-1, y mencionan que

estos

valores tan altos son debido al sistema de aeración desarrollado más que en el diseño del fotobiorreactor. Esto nos lleva a pensar que el efecto de los difusores y la configuración geométrica puede mejorar o influenciar directamente en el coeficiente volumétrico y que en teoría también tiene un efecto en la suspensión de solidos de baja densidad. En la Tabla 1

Titulo

Objetivo

Fotobiorreactores

de

Año

Evaluar y comparar los dispositivos Airlift y Columna

columna de burbujas y Airlift

de

para cultivo de algas.

hidrodinámicay fenómenos de transporte

burbujas,

principalmente

en

términos

de

la

Comparar la producción de biomasa en tres

y de crecimiento de biomasa

reactores compactos verticales que presentan un gran

microalgal

diámetro y las mismas configuraciones globales

en

(Sanchez 2000

Mirón, et. al., 2000)

Caracterización bioquímica producida

Referencia

(Sanchez Mirón, et. al., 2002

fotobiorreactores de columna de

2002)

burbujas y airlift: estudios en un cultivo en alimentación por lote. Transferencia de oxígeno y mezclado

mecánico

en

un

Reportar

en

términos

de

caracterización

hidrodinámica y transferencia de masa de un biorreactor

2002

3

birreactor agitado Airlift

largo (>1m ) asistido con un impulsor.

Comparación de diferentes

Comparar: un Biorreactor Tubular Vertical de Circuito

biorreactores de circuito cerrado

cerrado, un Biorreactor Tubular Horizontal de circuito

basados en sus características

cerrado, y un Biorreactor Airlift con inducción de gas

hidrodinámicas,

transferencia

externa de circuito cerrado (por sus siglas en ingles

de masa, consumo de energía y

respectivamente VTLB, HTLB, EALB) y su desempeño

producción de biomasa a partir

se

de Gas Natural.

hidrodinámicas , eficiencia de transferencia de masa,

estudiaron

basándose

en

las

2010

(Yazdian, et. al., 2010)

características

energía de consumo así como producción de biomasa.

se describen estudios hidrodinámicos, adicionales a los ya descritos, realizados para promover el cultivo de microalgas y por ende la obtención de productos de interés. Tabla 3. Descripción cronológica de algunas investigaciones realizadas sobre análisis hidrodinámico, comparación entre fotobiorreactores y el crecimiento de algas. Titulo

Objetivo

Fotobiorreactores

de

Año

Evaluar y comparar los dispositivos Airlift y Columna

columna de burbujas y Airlift

de

para cultivo de algas.

hidrodinámicay fenómenos de transporte

Caracterización bioquímica y de crecimiento

de biomasa

burbujas,

principalmente

en

términos

de

la

Comparar la producción de biomasa en tres reactores compactos verticales que presentan un gran

Referencia (Sanchez

2000

Mirón, et. al., 2000)

2002

(Sanchez Mirón, et. al.,

microalgal

producida

en

diámetro y las mismas configuraciones globales

2002)

fotobiorreactores de columna de burbujas y airlift: estudios en un cultivo en alimentación por lote. (Chisti Transferencia de oxígeno y mezclado

mecánico

en

un

birreactor agitado Airlift

Reportar

en

términos

de

caracterización

hidrodinámica y transferencia de masa de un biorreactor

Juaregui2002

Haza, 2002)

largo (>1m3) asistido con un impulsor.

Comparación de diferentes

Comparar: un Biorreactor Tubular Vertical de Circuito

biorreactores de circuito cerrado

cerrado, un Biorreactor Tubular Horizontal de circuito

basados en sus características

cerrado, y un Biorreactor Airlift con inducción de gas

hidrodinámicas,

transferencia

externa de circuito cerrado (por sus siglas en ingles

de masa, consumo de energía y

respectivamente VTLB, HTLB, EALB) y su desempeño

producción de biomasa a partir

se

de Gas Natural.

hidrodinámicas , eficiencia de transferencia de masa,

estudiaron

basándose

en

las

características

energía de consumo así como producción de biomasa.

4. HIPÓTESIS

&

2010

(Yazdian, et. al., 2010)

El coeficiente de transferencia de masa ��𝑎 determinará las concentraciones máximas de microalga y lípidos que se pueden alcanzar con una cepa, a condiciones específicas de salinidad, fuente de nitrógeno, iluminación y temperatura

5. OBJETIVO

Estudiar la relación entre el coeficiente volumetrico de transferencia de masa ��𝑎 y la productividad biomásica y lipídica de Chlorella vulgaris en un reactor Airlift con capacidad de 17 L empleando diferentes velocidades de aireación y tipos de difusores

Objetivos específicos:

1. Caracterizar hidrodinámicamente el reactor Airlift de 17 Litros: tiempo de mezclado, Hold up, patrones de flujo, � �𝑎 2. Determinar el coeficiente � �𝑎 para cinco velocidades de aireación y tres tipos de difusores. 3. Cinéticas de crecimiento de Chlorella vulgaris en el reactor Airlift empleando tres velocidades de aireación y tres tipos de difusores. 4. Analizar el efecto de la velocidad de aireación y el tipo de difusor sobre las productividades de biomasa y lípidos. .

6. MATERIALES Y MÉTODOS 6.1 Materiales. Microalga

La microalga Chlorella vulgaris donada por la Universidad de Texas (UTEX) se utilizó en todas las cinéticas. Se conservó en el laboratorio de bioprocesos por resiembras consecutivas en placas Petri en medio BBM solidificado con agar. Medio de cultivo

El medio de cultivo utilizado para el crecimiento de Chlorella vulgaris fue el Bold Basal Medium (BBM por sus siglas en inglés) presentó la composición mostrada en la Tabla 4. Tabla 4. Composición del medio de cultivo BBM. Compuesto

Concentración (g/L) Elementos traza

Concentración (g/L)

0.250

H3BO3

0.01142

MgSO4*7H2O

0.075

ZnSo4*7H2O

0.00882

CaCL2

0.025

MnCl2*4H2O

0.00144

NaCL2

0.025

Na2MoO4

0.0011975

FeSO4*7H2O

0.00498

CuSO4*5H2O

0.00157

EDTA

0.05

Co(NO3)2

0.00049

KOH

0.031

K2HPO4

0.07

KH2PO4

0.175

NaNO3

6.1.1 Fotobiorreactor Airlift y difusores En la Fig 4 se muestra una vista frontal del reactor Airlift de tubos concéntricos y los tres difusores utilizados. El reactor Airlift de tubos concéntricos se construyó en material de vidrio, el cilindro externo se encuentra seccionado en tres partes y unido por bridas, mientras que el tubo interno fue fabricado de una sola pieza de vidrio. El reactor tiene la capacidad operativa de 17 Litros y cuenta con tres puertos de entrada para colocación de sensores. El reactor se manejó en un cuarto obscuro a temperatura controlada (20± 2 °C). El área de trabajo del fotobiorreactor estaba delimitada por un biombo de madera de tres secciones recubiertas de aluminio. Para tener una incidencia total de fotones en el centro del reactor de 100 μmol m-2 s-1, sobre este biombo se colocó un total de seis lámparas fluorescentes, dos

en cada uno los costados y dos en el fondo y, sobre el fotobiorreactor se colocaron tiras de Diodos Emisores de Luz (LED´s) equidistantes en las tres secciones del fotobiorreactor. La densidad de flujo de fotones se midió en 12 diferentes puntos equidistantes dentro de la circunferencia interna del reactor y en cada una de las tres secciones, en la sección superior, intermedia e inferior del fotobiorreactor. Con respecto a los tipos de difusores que se emplearon para la caracterización hidrodinámica del reactor y para el crecimiento de micro algas se describen a continuación y se pueden observar en la Fig 4 en los incisos b), c) y d). Dos difusores con cuatro y seis ojivas (difusor en forma de cruz y un difusor en forma de estrella), ambos construidos de acero inoxidable. Los orificios de estos difusores son de 0.1 cm de diámetro con una separación entre cada uno de 0.2 cm aproximadamente, el radio de estos es de aproximadamente 8 cm. Un tercer difusor es utilizado, el cual está fabricado de vidrio poroso #1 con una tamaño de poro de aproximadamente ��� − ��� �� y un diámetro de 6 cm.

b)

c)

UPIBI

Página 30

a)

d)

Fig 4. a) Vista frontal del Reactor Airlift de 17 L, vista superior de difusores tipo estrella b), cruz c) y difusor de vidrio d).

6.2 Métodos. Los métodos se dividieron en dos etapas principales, la caracterización hidrodinámica del reactor con agua potable proveniente de la red municipal, y la segunda etapa el crecimiento de la microalga Chlorella vulgaris.

6.2.1 Caracterización hidrodinámica del reactor. Para todas la pruebas hidrodinámicas se utilizó agua potable proveniente de la red municipal, excepto para la determinación del flujo volumétrico de transferencia de masa el cual se determinó en medio de cultivo BBM. Un rotámetro de flujo libre modelo 054-17 con esfera de acero inoxidable se utilizó para medir y regular el flujo de aire proveniente del compresor. Los flujos volumétricos de aireación para las pruebas hidrodinámicas fueron 0.3, 0.6, 0.8, 1.0 y 1.2 vvm. 6.2.1.1 Patrones de flujo. Los patrones de flujo se realizaron por medio de partículas marcadoras. Se tomaron esferas de hidrogel y se hidrataron con agua hasta su máxima saturación. Una vez hidratadas las esferas, se eligieron las esferas que presentaron homogeneidad de tamaño y fueron pesadas en una balanza analítica hasta alcanzar 46 gr para los 17 Litros del reactor, es decir una carga de partículas que estuviese entre 0.15 g/L a 5 g/L que es el la concentración inicial de inóculo microalgal que por lo regular puede encontrarse en un fotobiorreactor (Rengel, Zoughaib, Dron, & Clodic, 2012) UPIBI

Página 31

El difusor tipo estrella instalada en el fotobiorreactor, y este llenado con agua potable hasta su volumen operativo entonces, se agregó las esferas de hidrogel previamente hidratadas y pesadas dentro del fotobiorreactor. Realizado esto, se inició el mezclado con aire proveniente de un compresor hasta alcanzar 0.3 vvm. Se tomó una videograbacion de todo el reactor en el que se observó la dirección del fluido mediante el movimiento de las partículas marcadoras. Esta prueba se realizó a los flujos volumétricos de aire restantes, 0.6, 0.8, 1.0 y 1.2 vvm y, para los dos difusores restante, los difusores de cruz y vidrio poroso. 6.2.1.2 Hold up El Hold up fue evaluado por el método de expansión volumétrica (Gouveia, Hokka, & Badino-Jr, 2003). En el cual, mediante la diferencia de alturas del líquido sin gasear y altura de líquido gaseado se determinó el gas retenido dentro del líquido. Utilizando la siguiente ecuación se logró obtener el Hold up: (1)

𝜀=

�� − �� ��

Donde: 𝜀 = Hold up �� =altura del líquido gaseado (m) �� =altura del líquido sin gasear (m)

Los valores de Hold up fueron determinados para las cinco flujos de aire (0.3, 0.6, 0.8, 1.0 y 1.2 vvm) y los tres tipos de difusores utilizados.

6.2.1.3 Obtención del Tiempo de mezclado El tiempo de mezclado se determinó mediante la medición de cambios de pH en un tiempo finito de tiempo. Utilizando el difusor tipo cruz y un flujo volumétrico de 0.3 vvm, para promover el mezclado del líquido, se añadieron 10 mL de solución NaOH 5N al volumen de agua operativo del reactor desde la parte superior del mismo. El potenciómetro modelo 8102BNUWP de la marca Thermo Scientific se utilizó para la medición del cambio de pH, se mantuvo en la misma posición al añadir el pulso de NaOH 5N hasta que se alcanzó un pH estable en el volumen de agua dentro del reactor. Finalmente, se consolidaron los cambios de pH cada segundo para posteriormente ser normalizados y obtener los tiempo de mezclado a un 90, 95, 98 y 99% de homogeneización. Este proceso se realizó por duplicado para las diferentes velocidades de aireación (0.3, 0.6, 0.8, 1.0 y 1.2) y para los dos difusores restantes, difusor tipo estrella y difusor de vidrio poroso. 6.2.1.4 Tiempo de circulación El tiempo de circulación se midió utilizando una esfera de hidrogel, hidratada hasta su máxima saturación, la velocidad de esta partícula marcadora se asumió como la velocidad que tiene el líquido. En un volumen total de 17 Litros se agregó la esfera de hidrogel previamente hidratada, se midió por el tiempo que le tomó desplazarse por la zona riser (tR), y el tiempo que duró el recorrido por la zona downcomer (tD), la suma de estos dos tiempos es el tiempo de circulación del líquido (t C), como se ve en la siguiente ecuación( 2 ): (2)

� � = � � + �� 6.2.1.5 Velocidad del líquido La velocidad del líquido en las zonas riser y downcomer se determinó utilizando los tiempos de circulación del líquido, aplicando las siguientes ecuaciones en términos de V LR y VLD, ecuaciones reportadas en literatura (Gouveia, Hokka, & Badino-Jr, 2003):

(3)

�� =

�� + �1 ⁄2 + �2 ⁄2 ��� (4)

�� =

�� + �1⁄2 + �2 ⁄2 ��� (5)

2 � ��� �̅� = � �� �� + ���

Donde: ��= tiempo de circulación en el riser (s). ��= tiempo en la zona downcomer (s). �1=distancia de separación entre el difusor y el tubo de ascenso (m). �2= altura del líquido en la parte superior del tubo de ascenso (m)

���= velocidad del líquido en el riser (m/s). ���= velocidad del líquido en el downcomer (s). �̅� = velocidad promedio del líquido (s).

Riser

��= altura del tubo de ascenso, riser, (m).

D o w nc o

Fig. 5. Esquema de un reactor airlift

6.2.1.6 Velocidad del gas en el riser (UGR) y potencia gaseada por unidad de volumen. La velocidad del gas en el riser (���) se determinó relacionando la velocidad del flujo volumétrico de aire, �𝑎𝑖𝑟� en (m3/s), el área del riser �� en (m2), utilizando la siguiente ecuación: (6)

��� = �𝑎𝑖𝑟� ∗ �� Mientras que, la potencia especifica de entrada, definida como la potencia introducida por el gas por unidad de volumen de líquido y que es debida a la expansión isotérmica a través de la altura del riser (Fadavi & Chisti, 2006) (Rengel, et. al., 2012), se calculó mediante la siguiente ecuación:

(7)

�� �

= ���� ��

�� (1 +

𝜀 �� �𝑎

Donde �� ⁄�= Potencia gaseada por unidad de volumen (W/V). �� = flujo molar del aire (mol/s) �= constante de los gases (8.314 J/mol°K)

)

�= temperatura (293.15 °K)

��= volumen operativo del reactor (0.017 m3) 𝜀=densidad del líquido (densidad del agua a 20°C 998.29 kg/m3) �=aceleración de la gravedad (9.81 m/s2) �=altura del líquido sin airear (0.7490 m) �𝑎= Presión de cabeza (presión atmosférica del D.F., 7.80*104 Pa)

6.2.1.7 Determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de masa kLa La determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de masa (��𝑎) se realizó por el desplazamiento de Oxigeno (O2) contenido en el medio BBM (Raymundo & Cardenas R., 2001). El sensor Oakton DO 300 Series se utilizó para las mediciones de oxígeno disuelto, el sensor fue colocado dentro de uno de los puertos del reactor (zona downcomer). Utilizando el difusor de cruz se burbujeo en gas inerte Nitrógeno (N 2) dentro del mismo medio hasta que se alcanzó una concentración de 0.7 ppm de oxígeno disuelto, en esta concentración de oxígeno en el medio BBM se descartó la entrada de nitrógeno y se comenzó a introducir aire proveniente de un compresor a un flujo voluétrico de 0.3 vvm, se registraron los cambios de Oxígeno disuelto desde los 0.7 ppm cada 20 segundos hasta que se alcanzó la estabilidad. Los datos recopilados fueron ajustados al siguiente modelo: (8)

�∗ − �0 ln ( ∗ ) = ��𝑎 (� − �0) � −� En el cual, la pendiente corresponde al coeficiente volumétrico de transferencia de masa � � 𝑎. � ∗ es la concentración de saturación de oxígeno disuelto, �0 es la concentración de oxígeno disuelto a un tiempo cero (� 0) y � es la concentración de oxígeno disuelto a un

tiempo finito (�). El ��𝑎 también fue calculado para la zona riser con el mismo sensor y técnica descrita anteriormente. Así mismo, se calculó el ��𝑎 para los dos difusores restantes, el difusor tipo estrella y difusor de vidrio poroso. Todas las pruebas se realizaron por duplicado para las cinco flujos de aireación 0.3, 0.6, 0.8, 1.0 y 1.2 vvm. Los valores de ��𝑎 para el CO2 se obtuvieron por medio de la ecuación que relaciona el ��𝑎 del oxígeno y la relación entre el coeficiente de difusión del oxígeno y del CO 2, que es la siguiente (Fernandes,et. al., 2014): (9)

� 𝑎(�𝑂 ) = √ � �

2

�𝑂2

��𝑂2

𝑎(𝑂 )

�

2

En donde: ��𝑎(�𝑂2) = coeficiente volumétrico de transferencia de masa del dióxido de carbono (h -1). ��𝑎(𝑂2)= coeficiente volumétrico de transferencia de masa del oxígeno (h -1). �𝑂2 = Coeficiente de difusión del oxígeno a 20°C (1.22*10 -10 m2s-1) ��𝑜2 = Coeficiente de difusión del dióxido de carbono a 20°C (1.76*10 -9 m2s-1) Adicionalmente se calculó el ��𝑎 (�𝑂2) total que involucra a las zonas riser y downcomer por medio de la relación de las áreas de las secciones transversales de cada zona, como se describe a continuación: ( 10 )

�� 𝑎 =

� � � �

� � � �

� � � �

+ � � � �

� � � �

� � � �

�𝑟 + ��

En donde: ��𝑎 = coeficiente volumétrico de transferencia de masa total (h -1). ��𝑎𝑟= coeficiente volumétrico de transferencia de masa de la zona riser (h-1). �𝑟= área de la sección transversal del riser (m2). ��𝑎�= coeficiente volumétrico de transferencia de masa de la zona downcomer; �� = es el área de la sección transversal del downcomer. El valor de ��𝑎 total (riser más downcomer) del oxígeno y del dióxido de carbono se obtuvo para los tres difusores y para los cinco flujos volumétricos de aire.

6.2.2 Cinéticas de crecimiento de Chlorella vulgaris 6.2.2.1 Técnicas analíticas para monitoreo de las cinéticas en matraz,

en el

fotobiorreactor y otras generalidades. Determinación de biomasa por densidad óptica.

La densidad óptica se midió en el espectrofotómetro Genesis 10S UV-VIS a una longitud de onda de 600 y 750 nm. Las mediciones de espectrometría se realizaron para elaborar las curvas tipo de crecimiento de Chlorella vulgaris relacionando la densidad óptica y las determinaciones de biomasa en peso seco.

Determinación de biomasa por gravimetría

Las membranas de filtración con un tamaño de poro de 0.7 μm fueron colocadas en charolitas de aluminio dentro de una incubadora a una temperatura de 45 °C por 24 horas y posteriormente colocadas a enfriamiento en un desecador. Finalmente fueron pesadas en una balanza analítica para posteriormente ser utilizadas en el proceso de filtración de biomasa de los cultivos de Chlorella vulgaris. Del cultivo de Chlorella vulgaris se tomaron 10 mL de cada día durante el tiempo que duró el cultivo (15 días) y se hizo filtrar en la membrana puesta a peso constante. Una vez realizada la filtración, el filtro se colocó nuevamente dentro de la incubadora a una temperatura de 65°C durante 48 horas, una vez pasado este tiempo se volvió a determinar el peso del filtro con la biomasa seca. La biomasa alcanzada para ese día se calculó por diferencia de peso de la siguiente manera: ( 11 )

�𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎 (�⁄�) = (

�𝑎𝑠𝑎 ��� 𝑓𝑖��𝑟𝑜 𝑐𝑜� 𝑏𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎 − �𝑎𝑠𝑎 𝑖�𝑖𝑐𝑖𝑎� ��� 𝑓𝑖��𝑟𝑜 10 ��

)∗ 1000

� � �

Extracción de lípidos y cuantificación.

La extracción y cuantificación de lípidos se realizó por triplicado, tomando un total de 90 mililitros de un mismo cultivo, la muestra se tomó al inicio y al final de la cinética, y en cultivos seleccionados se realizó también este proceso a los 8 días del cultivo. La muestra de 30 mL se centrifugó a 6000 rpm durante 20 minutos, se destapó y se colocó en una estufa a 45°C para evaporar el sobrenadante, proceso que duró alrededor de 15 días. Transcurrido este tiempo, la biomasa seca se trituró y se inició la extracción de lípidos con el solvente orgánico, hexano.

La biomasa seca y triturada se le agregó 6 mL de hexano 99.8% marca Fermont grado analítico, inmediatamente la muestra se sometió a un proceso de sonicación durante 30 minutos para promover la ruptura celular, transcurrido este tiempo se mantuvo la muestra a una temperatura de 4°C durante 24 horas. Pasadas las 24 horas, se recuperó el solvente y a la biomasa se le realizó extracciones sucesivas con 4 y 3 mL. Se recuperó 13 mililitros de solvente, se centrifugó nuevamente durante 20 minutos para separar los residuos de biomasa. El sobrenadante se recuperó en viales previamente pesados. La cantidad de lípidos extraídos se determinó por gravimetría. ( 12 )

�𝑎𝑠𝑎 ��� 𝑣𝑖𝑎� 𝑐𝑜� �𝑢�𝑠�𝑟𝑎 − �𝑎𝑠𝑎 𝑖�𝑖𝑐𝑖𝑎� ��� 𝑣𝑖𝑎� �í�𝑖�𝑜𝑠 (�⁄� ) = 30 �� (

)∗ 1000

� � �

Crecimiento de Chorella vulgaris como cultivo semilla para inoculación del fotobiorreactor.

La cepa Chlorella vulgaris se cultivó en medio BBM en dos botellas de un litro, a condiciones de temperatura (20 ± 2°C), iluminación (100 μmol m-2 s-1), a 1 vvm de aireación, fotoperiodos de 12:12 horas y monitoreados hasta alcanzar una densidad óptica de 0.7 de absorbancia a 600nm. En las cinéticas, solo se utilizó un volumen de 1.7 litros como inoculo.

Fig. 6. Sistemas de botellas aireadas para el crecimiento de cultivos semillas de la cepa Chlorella vulgaris a condiciones controladas de temperatura, aireación e iluminación.

6.2.2.3 Crecimiento de Chlorella vulgaris en el fotobiorreactor airlift. El fotobiorreactor se le realizó una limpieza mecánica y desinfección química con hipoclorito de Sodio. Posteriormente se enjuagó con agua destilada para eliminar el químico residual. El proceso de desinfección se realizó antes de iniciar cada una de las cineticas. Medio BBM se preparó con agua destilada (15.3 L) y se agregó dentro del reactor, finalmente se añadió 1.7 litros de cultivo semilla para así obtener el volumen operativo de 17 Litros del fotobiorreactor Airlift. Los cultivos se manejaron a condiciones controladas de temperatura (20 ± 2°C), iluminación (100 μmol m-2 s-1) y fotoperiodos de 12:12 horas. Se manejaron flujos de aireación de 0.5, 1 y 1.2 vvm para todos los difusores. A los cultivos de Chlorella vulgaris en el fotobiorreactor se le dio seguimiento durante 15 días y, durante este tiempo se monitoreo el pH, la biomasa por gravimetría y densidad óptica y, la determinación de lípidos al inicio, mitad y final del cultivo.

7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se caracterizó hidrodinámicamente el fotobiorreactor Airlift de tubos concéntricos, con un volumen operativo de 17 L, los patrones de flujo, tiempo de mezclado, hold up y coeficiente volumétrico de transferencia de masa ��𝑎 del CO2 fueron determinados. Posterior a la caracterización, se llevó a cabo cultivos de la cepa de microalga Chlorella vulgaris a diferentes flujos de aire y cambiando el tipo de difusor. En literatura se reporta que en las columnas de burbujas y los reactor airlift con difusores que tienen diámetros de orificio de menos de 1 mm existe un régimen de transición entre burbujeante y el flujo heterogéneo en un amplio intervalo de velocidades de gas superficiales

(Contreras, García, Molina, & Merchuk, 1999) . La señalización de los régimen se puede realizar mediante la observación de los cambios de las pendientes como lo señala (Kojić, y otros, 2015) o una aproximación mediante el uso del Número de Reynols (N R), empleando las velocidades superficiales del aire en la zona riser a los diferentes flujos volúmetricos de aire y, la viscosidad cinemática del líquido (agua), así como el diámetro del tubo riser. Se observó tres régimen, el primer régimen (I) abarcando aproximadamente desde 1 a 9 L/min, el segundo régimen (II) de los 9 a 17 L/min, y finalmente un tercer régimen (III) de 17 L/min en adelante, normalmente a estos tres régimen se les denomina como de burbujeo (I), transición (II) y heterogeneo (III), estas zonas son delimitadas en las figuras en las que se realizó caracterización hidrodinámica. ( 13 )

𝑢 �� = � 𝑣 Donde: 𝑢= velocidad del gas (m/s) �= diametro de la seccion riser (0.089 m) 𝑣= viscosidad cinématica del líquido (1.02*10-6 m2/s)

El principal interés es aumentar la cantidad de CO 2 disuelto en el medio de cultivo, para que este sea aprovechado por la microalga y crezca apropiadamente, la configuración particular de los reactores airlift pareciera proveer las condiciones necesarias como una apropiada exposición a la luz, buen intercambio de masa entre el gas y el líquido, buen mezclado y bajos estrés de corte (Rengel, Zoughaib, Dron, & Clodic, 2012). En un reactor airlift de tubos concéntricos, hay algunos parámetros geométricos pueden afectar el hold up del gas, la circulación del líquido, el tiempo de mezclado y el coeficiente de masa volumétrico (��𝑎) (Gouveia, Hokka, & Badino-Jr, 2003).

Para mejorar el coeficiente de trasferencia de masa se han realizado estudios cambiando las configuraciones geométricas del sistema, horizontales y verticales. Sin embargo, los

fotobiorreactores verticales destacan en términos de transferencia de masa. Para mejorar aún más este aspecto, se ha estudiado el efecto de la altura del líquido, altura de difusor bajo la zona riser, altura del cilindro riser, así como la relación Ar/Ad ampliando los tubos riser y observar el efecto de estas variaciones (Oncel, 2014) (Gouveia, Hokka, & Badino-Jr, 2003) Hay varias maneras de poder manipular las configuraciones geométricas del fotobiorreactor para poder mejorar la disponibilidad de CO2 en el medio líquido, y por lo tanto para la microalga. Entonces, dado el sistema Airlift de tubos concéntricos (ver Tabla 5), con características de altura, espacio inferior entre el difusor y el cilindro riser, altura de riser, relación de área del riser y área downcomer (Ar/Ad), altura del líquido por encima del cilindro riser. Entonces, una manera para poder mejorar el coeficiente volumétrico de transferencia de masa es a través de la manipulación de los tipos de difusores y los flujos volumétricos de aire. Estudios reportan que un fotobiorreactor ailift debe tener una relación Ad/Ar mayor de 1.041 (Barbosa, Janssen, Ham, Tramper, & Wijffels, 2003) (Kumar & Das, 2012), el reactor Airlift con el que se hizo este estudio presenta una relación Ar/Ad= 0.419 (Ad/Ar= 2.38), con lo que se cumple esta condición, hasta el momento no se ha observado una relación máxima entre estas áreas.

Tabla 5. Dimensiones del fotobiorreactor Airlift de tubos concéntricos

Diámetro interno (m) Diámetro externo (m) Altura (m) Ar/Ad Espacio inferior (m) Volumen total del líquido (L)

Cilindro interno Riser 0.089 0.100 0.700 0.419 0.060 17

Cilindro externo Downcomer 0.170 0.180 0.860

La relación Ar/Ad (área riser, área downcomer) es importante debido a que afecta la velocidad de circulación del líquido por que modifica la resistencia del flujo por la variación de la fracción del volumen total contenido en el downcomer y en el riser. La proporción riserdowncomer provee los factores que determinan la fricción en el reactor, lo que significa que para relaciones altas de riser-downcomer la velocidad de circulación del líquido es baja, y viceversa. Por lo que, con la configuración de este reactor se esperaba velocidades altas del líquido. Velocidad del líquido La velocidad del líquido se calculó para la zona riser (VLR), para la zona downcomer (VLD), mediante estas dos se obtuvo la velocidad promedio del líquido ( V̅L ), estas fueron determinadas a partir de las ecuaciones y los tiempos de circulación, descrito en la metodología. Los perfiles de velocidad del líquido generados al utilizar el difusor de cruz, difusor tipo estrella y difusor de vidrio pororso se presentan en la Fig. 7 así como el régimen, el régimen de burbujeo (I), transición (II) y el régimen heterogéneo (III), las velocidades para cada difusor son presentadas en función del flujo de aire de 5 a 20 L/min. A flujos volumétricos de aire que abarca el régimen de burbujeo (I) y transición (II), la velocidad del líquido aumenta proporcionalmente. En el régimen de transición (II), se alcanza la mayor velocidad en el riser (0.24-0.60 m/s), mientras que en el downcomer las velocidades de líquido aumentan proporcionalmente (0.14-0.23 m/s), así como la velocidad promedio. Finalmente en el régimen heterogéneo, las velocidades en el riser, downcomer y la velocidad promedio (0.30 m/s) se ven disminuidas a valores casi constantes.

I

II

III

Fig. 7. Velocidad del líquido en el riser y el downcomer, y velocidad promedio; en función del flujo volumétrico del aire. Valores calculados para los tres difusores: cruz, estrella y vidrio poroso

En el rango del flujos volumétrico de aire utilizado en este trabajo, ver Tabla 6 primer columna; se determinó la velocidad superficial del aire (segunda columna), y dependiendo del tipo de difusor utilizado se calculó las velocidades de líquido enlistadas en un rango del menor y mayor velocidad del líquido entre los tres difusores, obtenidas a un mismo flujo (tercera columna), en la cuarta columna se hace el comparativo de las velocidades de líquido en el riser de un fotobiorreactor Airlift con un volumen operativo de 21.3 Litros, que presenta un Ar/Ad=1.053 (Ad/Ar=0.94), las velocidades fueron obtenidas a partir de la ecuación ajustada que presentan los autores (Rengel, Zoughaib, Dron, & Clodic, 2012).

Tabla 6. Velocidades de gas y líquido en el riser a diferentes flujos volumétricos de aire, también se hace la comparación de las velocidades de líquido en el riser reportada en literatura. Flujo volumétrico

UPIBI

Velocidad de líquido

Velocidad de líquido en el

Página 45

de aire (L/min) 5

Velocidad superficial del gas en el riser (m/s) 0.013

en el riser (m/s)

riser (m/s) (Rengel, et. al., 2012)

0.24-0.35

0.175

9

0.025

0.35-0.49

0.221

14

0.036

0.38-0.60

0.252

17

0.046

0.43-0.53

0.275

20

0.046

0.40-0.46

0.275

La velocidad de líquido mantiene en suspensión la microalga a manera de evitar problemas de sedimentación, además influye directamente en los tiempos de circulación y por ende en el tiempo de exposición de la microalga a las zonas obscuras e iluminadas en el fotobiorreactor. Tiempo de mezclado y tiempo de circulación del líquido El tiempo de mezclado y el tiempo de circulación son monitoreados debido a que, estos parámetros están relacionados, inclusive se han utilizado como criterio de escalamiento en fotobiorreactores Airlift (Oncel, 2014). Utilizando pulsos de Hidróxido de Sodio 5 N y un sensor de pH colocado en la zona downcomer, colocado en la misma posición para todas las mediciones de tiempo de mezclado se observa que, al incrementar el flujo de aire, el cual es la principal fuerza impulsora en los sistemas Airlift, causa una disminución en el tiempo de mezclado. En el régimen de burbujeo (I) y transición (II), el tiempo de mezclado disminuye para todos los difusores, los menores tiempos de mezclado en general se alcanzaron aproximadamente a un flujo volumétrico de aire de 17 L/min (1 vvm) en el régimen de transición a régimen heterogéneo (III). Para un porcentaje de homogeneización del 90% con el difusor en forma de cruz se requirió de 20 segundos mientras que, cuando se hace uso del difusor de acero inoxidable tipo estrella se requirió de 19 segundos, y para el difusor de vidrio poroso un tiempo de 16 segundos, como se observa en la Fig. 8.

UPIBI

Página 46

I

II

III

Fig. 8. Tiempo de mezclado en función del flujo volumétrico de aire, se representa el difusor tipo estrella, cruz y vidrio poroso.

El tiempo de circulación es una característica del líquido, fue determinado utilizando una pequeña esfera de hidrogel, se consideró que la velocidad a la que se movía la esfera de hidrogel dentro del reactor tendría la velocidad del líquido. El tiempo en que el líquido recorre la zona riser (tR) y la zona downcomer (tD) fue determinado a cinco flujos volumétricos de aire 5-20 L/min (0.3-1.2 vvm), y mediante la suma de los tiempos de ambas zonas, el tiempo de circulación (t C). Cuando se utiliza el difusor tipo estrella, observamos que el líquido recorre la zona riser (tR) en un tiempo de 2.11 a 1.68 segundos, y en la zona downcomer (tD) en tiempos que van de 5.32 a 3.48 segundos, el perfil del loop completo (t C) va desde los 7 a 5 segundos aproximadamente, se observa una disminución gradual conforme se aumenta el flujo de aire (0.3-1.2 vvm). Este comportamiento es similar para los demás difusores, tipo cruz y vidrio poroso y puede ser observado en la Fig. 9 en donde, en función del flujo volumétrico de aire se presentan los tiempo de circulación del líquido, la línea punteada con marcador (+) representa el tiempo de recorrido en la zona riser, la línea punteada con marcador (*)

representa el tiempo en la zona downcomer, mientras que las líneas continuas representan el loop completo para cada uno de los difusores. En el régimen de burbujeo (I) y transición (II), el tiempo de circulación disminuye a medida que aumenta el flujo volumétrico de aire hasta llegar a una meseta en el régimen heterogéneo (III) (ver Fig. 9). Un comportamiento similar se observa en el tiempo de recorrido del líquido en el riser y en el downcomer, como era de esperarse, el tiempo en la zona riser es breve, de 1.5-2 segundos; en comparación con el tiempo en el downcomer que fue de 3-5 segundos aproximadamente. I

II

III

Fig. 9. Tiempo de circulación en función del flujo volumétrico de aire, tiempos graficados para la zona riser, downcomer y tiempo de circulación para los tres difusores.

En el riser, el tiempo que el líquido permanece en esta zona disminuye gradualmente con cierta dependencia al aumento del flujo de aire, para posteriormente nuevamente aumentar el tiempo de residencia en esta zona, esto se puede deber a la gran cantidad de burbujas de aire en el riser y que desplaza gran parte del líquido. Esto explicaría en cierta manera el por qué, cuando a flujos volumétricos de aire (mayor a 17 L/min) el tiempo de mezclado aumenta en vez de disminuir. Dado que en el régimen heterogéneo (III), los tiempos de circulación del líquido y los tiempos en el riser y el downcomer son totalmente independientes del flujo de

aire utilizado, esto significaría que el líquido en el riser se mueve lentamente por el gran contenido de burbujas de aire, y de igual manera, en el downcomer la velocidad del líquido permanece casi constante, el comportamiento del líquido en ambas zonas incide directamente en el aumento del tiempo de mezclado, por lo que en la Fig. 8 y Fig. 9 podemos observar que el mejor tiempo de mezclado a un 90% de homogeneización, y un tiempo de circulación de líquido se obtiene hasta 1 vvm. El tiempo de circulación en el riser y el downcomer son similares, a bajos flujos volumétricos el tiempo de circulación depende de la velocidad del gas de riser, esta dependencia se ve reducida a medida que aumenta el flujo volumétrico de aire. Además, en un estudio realizado Contreras, et.al., 1999 se corrobora lo que se observa en este estudio en el régimen heterogeneo (III), tanto en timepo de circulacion y tiempo de mezclado, cuando el tamaño de poro incrementa, el diámetro de burbuja y la velocidad del riser incrementan y el gas recircula menos, lo permite que las densidades del riser y downcomer incrementen, y por lo tanto el tiempo de circulación sea disminuido. Con lo anterior, se esperaría que los difusores estrella y cruz tuviesen menor hold up en comparación con el difusor de vidrio poroso, el cual no sería tan sensible en este aspecto a los cambios de flujo volumétrico de aire. Para fines de este estudio el hold up, característica hidrodinámica que permite una mejora en el coeficiente de transferencia de masa, fue determinado en este trabajo. Hold up La determinación del hold up se realizó por diferencias de alturas del volumen del líquido operativo (17 Litros) aireado y el volumen del líquido sin airear. En la Fig. 10, se muestran los resultaos obtenidos. En el eje de las ordenadas se presentan los valores del Hold up de 0 hasta una fracción de 0.03, mientras que en el eje de las abscisas se se presenta el flujo volumétrico de aire. Esta prueba se manejó en un rango de 5 hasta 20 L/min (0.3-1.2 vvm). A medida que aumenta el flujo de aire, el hold up aumenta. En el régimen de burbujeo (I) se observa una total dependencia del aire atrapado y el flujo de aire utilizado, 5-9 L/min (0.3 a 0.6 vvm), el régimen heterogéneo (II) el hold up observado

aumenta de manera rápida hasta volverse casi independiente del flujo de aire. Finalmente, en el régimen heterogéneo (III), con flujos de aire por encima de 17 L/min (1 vvm), se observa nuevamente una dependencia del hold up y el flujo de aire.

Fig. 10. Hold up calculado para cada tipo de difusor a diferentes velocidades de aireación

El hold up cumple un rol importante, el cálculo de esta característica hidrodinámica nos indica la cantidad de gas atrapado en un volumen del líquido. En columnas de burbujeo, uno de los parámetros que afectan el hold up y el tiempo de mezclado es el tamaño de poro del difusor y el área libre del difusor, en los difusores que tienen orificios con diámetros de menor de 1 mm existe un régimen de transición entre burbujeante y el flujo heterogéneo en un amplio intervalo de velocidades de gas superficiales, también se reporta que en fotobiorreactores de columna de burbujeo y airlift en régimen heterogéneo el hold up total no supera el valor de 0.1 en sistemas agua-aire (Fadavi & Chisti, 2006) (Merchuk, Contreras, Garcia, & Molina, 1997) (Contreras, García, Molina, & Merchuk, 1999). En este trabajo, los valores de hold up determinados para los difusores tipo cruz y estrella fueron similares (0.0063 hasta 0.0223), mientras que el difusor de vidrio fueron de 0.0075 a 0.027, Merchuk, et.al., 1997 reportan que difusores con pequeños tamaños de poro producen un mayor hold up y una disminución en la velocidad, por que más gas recircula dentro del downcomer,

debido a esto observamos valores superores de hold up para el difusor de vidrio poroso, el cual tiene un tamaño de poro de 100-160 μm, que para los difusores tipo estrella y cruz. El hold up (ε) para el difusor tipo estrella fue de 0.0063 a 0.0223, nótese que el comportamiento es similar al perfil presentado para el difusor de cruz. El efecto que esperábamos observar era precisamente el mostrado en la ¡Error! No se encuentra el rigen de la referencia.Fig. 10, Siendo que ambos presentan el mismo tamaño de poro (1mm), ya que el tamaño de burbuja en los difusores cruz y estrella es determinada por el poro del difusor y entonces la similitud en los valores de hold up es debido a la coalescencia de las burbujas. Para el difusor de vidrio poroso los valores de hold up van de 0.0075 hasta 0.0271 que es ligeramente superior a los valores obtenidos con los difusores otros dos difusores, un menor tamaño de poro permite burbujas más pequeñas, mayor atrapamiento de gas y menor coalescencia entre ellas, además por ser un difusor plano se observa menos pronunciado el régimen de transición, estos resultados coinciden con el estudio de Merchuk, et.al., 1997. En la Tabla 7 se compara el hold up en función de la velocidad superficial del riser, y se compara los resultados obtenidos con otros trabajos realizados. Tabla 7. Hold up a diferentes flujos volumétricos de aire, también se hace la comparación de las velocidades de líquido en el riser reportada en literatura

Fotobiorreactor

Volumen de trabajo (L)

Velocidad superficial del gas en el riser (m/s)

Hold up en el riser

Airlift tubos concéntricos

21.3

0.006-0.048

0.012-0.067

Airlift tubos concéntricos*

13

0.001-0.20

0.001-0.014

Airlift tubos concéntricos

17

0.013-0.046

0.0063 - 0.027

Referencia (Rengel, Zoughaib, Dron, & Clodic, 2012) (Merchuk, Contreras, Garcia, & Molina, 1997) Este trabajo

*hold up total

En general, valores de fracción de gas retenido y velocidades de líquido aumentan a medida que se aumenta el flujo volumétrico. Otras características hidrodinámicas, no menos importantes, son tiempo de mezclado, tiempo de circulación que también mejoran a flujos de aire de 1 vvm (17 L/min). Todas estas características eran necesarias medirse para establecer el régimen en el que se desarrollarían las cinéticas de crecimiento de C. vulgaris.

Coeficiente volumétrico de transferencia de masa del CO 2 (kLa CO2). A partir de la metodología de desplazamiento con gases descrita anteriormente, y el posterior ajuste de los datos oxígeno disuelto en función del tiempo a la ecuación ( 8 ) se consiguió los valores del � �𝑎 O2 mediante la pendiente, posteriormente mediante una relación de difusividades entre el oxígeno y el dióxido de carbono se obtuvo el � �𝑎 del CO2 (ver ec. ( 9 )). Finalmente, el � �𝑎 total, compuesta por el � �𝑎 CO2 de la zona riser y downcomer fue obtenido al aplicar la ecuación ( 10 ). En la Fig. 11 se presentan los valores de �� 𝑎 de CO2 total para los tres difusores, tipo cruz, tipo estrella y difusor de vidrio poroso en función del flujo volumétrico de aire desde los 5 hasta los 20 L/min. También, se encuentran marcadas las zonas de burbujeo (I), transición (II) y heterogéneo (III).

Fig. 11. Coeficiente volumétrico de transferencia de masa en función del flujo de aire (kLa), valores determinados para los difusores tipo estrella, cruz y vidrio poroso.

En general, en el régimen de burbujeo (I) y en el heterogéneo (II), se observa una dependencia del coeficiente volumétrico de transferencia de masa a medida que se incrementa el flujo volumétrico de aire (5-12 L/min). Los mejores valores de � �𝑎 total de CO2 se observan entre el régimen transición II) y heterogéneo (III) con valores de hasta 29, 20 y 23 h-1 para el difusor de cruz, estrella y vidrio poroso respectivamente. Por encima de este flujo de aire, en el régimen heterogéneo (III) el � �𝑎 CO2 total decae hasta valores de 13.6 h-1. En la Tabla 8 se presenta el � �𝑎 CO2 de otros sistemas de cultivo y se comparan con los obtenidos en este trabajo. Algunos trabajos como el de Fernandes, et.al., 2014 suelen enriquecer la corriente de aire con CO2 a manera de mejorar la cantidad disponible para la microalga. Es común encontrar trabajos en los cuales se enriquezca la corriente gaseosa de un 2 al 5 %, en algunos casos hasta un 15% de CO 2 (Olivieri, Salatino, & Marzocchella, 2014). Valores de � �𝑎 de hasta 0.068 se reportan en un estudio realizado por Gouveia, et.al., en el 2003, estudio realizado en un fotobiorreactor Airlift de tubo concéntrico, en el que se estudió entre otros parámetros, el � �𝑎; se observa las diferencias cuando en este reactor se cambian las dimensiones del tubo concéntrico (o el cilindro riser), tanto en longitud y diámetro. El resultado obtenido de esta dinámica comparativa y conociendo la geometría del sistema, las altas velocidades de líquido y los bajos valores de hold up, se esperaban valores no tan altos de kLa. Entonces, con la manipulación del tipo de difusor los valores de � �𝑎 CO2 alcanzados a diferentes flujos volumétricos en este trabajo se encuentran dentro del rango reportado en literatura. Tabla 8. Valores de kLa obtenidos de diferentes sistemas de cultivo

� 𝑎 (s-1)

Referencia

Airlift Split *

Velocidad del gas (m/s) 0.001 – 0.009

0.005 – 0.03

Airlift tubos concéntricos

0.0126 – 0.040

0.011 – 0.068

Airlift tubos concéntricos agitado Airlift Split**

UGr<0.05

0.0029-0.014

0.024

0.009

Airlift loop externo**

0.25

0.006

Columna de burbujas** Airlift tubos concéntricos

0.008 0.013 – 0.046

0.005 0.003 – 0.007

(Fernandes, y otros, 2014) (Gouveia, Hokka, & BadinoJr, 2003) (Chisti & Juaregui-Haza, 2002) (Vega-Estrada et al, 2005) (Acién Fernández et al, 2001) (Merchuk et al. 2000) Este trabajo

Tipo de fotobiorreactor

�

*Corriente de aire enriquecida 2% V/V CO2, ** adaptado de (Fernandes, y otros, 2014)

Patrones de flujo, velocidad del gas y potencia gaseada En el fotobiorreactor Airlift con un volumen operativo de 17 L, se realizó el seguimiento del flujo del líquido por medio de esferas de hidrogel, esferas hidratadas previamente con agua de la llave hasta su máxima saturación. Utilizando el difusor de vidrio y aire proveniente de un compresor, se inició la grabación a un flujo volumétrico de aire de 5, 9,14, 17 y 20 L/min. Posteriormente se realizó el mismo proceso para los dos difusores restantes. Se realizó la videograbación durante 5 minutos para cada uno de los difusores y flujos volumétrico de aire utilizados. Para todos los difusores utilizados se observó el comportamiento característico de movimiento de flujo de los reactores Airlift. La primer zona identificada que es llamada riser o de ascenso, en donde el aire que entra al sistema mediante el difusor que se encuentra debajo del tubo central, permite que el líquido sea impulsado de manera ascendente, en esta zona la cantidad de burbujas de aire es mayor conforme se aumenta el flujo de aire. La segunda zona identificada es la zona downcomer o descenso, en la que el líquido desciende por las paredes externas del tubo central debido a una diferencia de densidad, ya que solo una fracción de gas retorna embebida en el líquido. Este patrón de flujo ascendente y descendente se observa con todos los flujos volumétricos de aire utilizados y con los tres difusores empleados. La Tabla 9 muestra los valores consolidados de las diferentes velocidades de gas y potencia por unidad de volumen a los diferentes flujos de aire. En nuestro estudio, la potencia específica estuvo en un rango de 33-134 W/m 3. La velocidad del gas en la zona riser en función del flujo volumétrico de aire fue de 0.013 a 0.053 m/s. Tabla 9. Valores obtenidos de velocidad del gas en el riser y potencia por unidad de volumen a los diferentes flujos volumétricos de aire.

Flujo volumétrico del aire (L/min) 5 9 14 17 20

Flujo de aire (min-1) 0.3 0.6 0.8 1.0 1.2

Velocidad del gas en el riser (m/s) 0.013 0.025 0.036 0.046 0.053

Potencia por unidad de volúmen (W/m3) 33 65 93 117 134

Cinéticas de crecimiento de Chlorella vulgaris Por las características hidrodinámicas presentadas, se decidió establecer la cinética de crecimiento de C. vulgaris y operar en un flujo volumétrico de aire de 17 L/min, ya que en esta zona se encuentran los mejores valores como son hold up, tiempo de mezclado, tiempo de circulación, velocidad de líquido y � �𝑎 para el sistema airlift de tubos concéntricos y que en teoría ofrecen las mejores condiciones a la microalga. Los resultados de las cinéticas de crecimiento de C. vulgaris utilizando los tres difusores a 1 vvm se presentan en la Figura 12¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Biomasa (mg/L)

600 500 400 300 200 100 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tiempo (dias)

Figura 12. Crecimiento de C. vulgaris a un flujo de aire de 1 vvm (17 L/min) utilizando los difusores tipo cruz, tipo estrella y vidrio poroso.

En esta cinética se observa un crecimiento apropiado de C. vulgaris cuando se cultiva con el difusor estrella y vidrio con rendimientos biomasicos de 380 y 420 mg/L respectivamente, mientras que al utilizar el difusor de tipo cruz, la biomasa suspendida en el medio de cultivo decae debido a un efecto de sedimentación y adhesión de la microalga en las paredes del fotobiorreactor, el rendimiento biomásico al utilizar este difusor es de 320 mg/L. Las productividades biomasicas son de 25, 28 y 21 mg/Ld y las productividades lipídicas de 0.45, 10 y 8 mg/Ld para el difusor de estrella, vidrio y cruz respectivamente.

Bajo condiciones excedidas, por encima de un flujo de aire de 1 vvm, se decidió realizar un cultivo a un flujo de aire de 1.2 vvm (20 L/min), el comportamiento de la microalga es como el que se muestra en la Fig. 13, en donde las productividades biomasicas son de 4, 41 y 28 mg/Ld y la productividad lipídica es de 13, 12, 0.68 mg/Ld, para el difusor de vidrio, cruz

Biomasa peso seco (mg/L)

y estrella respectivamente. 700 600 500 400 300 200 100 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tiempo (dias)

Fig. 13. Comparativo de la cinética de crecimiento de C. vulgaris en el reactor Airlift a un flujo de aire de 20 L/min (1.2 vvm)

Finalmente, se realizó un tercer cultivo en el fotobiorreactor airlift a un flujo de aire de 0.6 vvm (9 L/min), en donde el régimen es homogéneo o de burbujeo (I), con tiempos de mezclado de 21 segundos, velocidad de líquido bajas, por ejemplo 0.35 m/s, ��𝑎 de aproximadamente 16 h-1, dependiendo del tipo de difusor utilizado; bajo estas condiciones hidrodinámicas el crecimiento de C. vulgaris se ilustra en la Fig. 14. Se obtuvo una productividad biomásica de 28, 2 y 12 mg/Ld y la productividad lipídica de lipídica 2, 8 y 0.87 mg/Ld para el difusor de vidrio, cruz y estrella respectivamente. En la Tabla 10 se hace la comparación de la productividad biomásica de Clorella vulgaris y el tipo de sistema en el que fue cultivada.

Biomasa peso seco (mg/L)

600 500 400 300 200 100 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tiempo (dias)

Fig. 14. Cinética de crecimiento de C. vulgaris cultivada en el fotobiorreactor Airlift, a un flujo de aire de 0.6 vvm (9 L/min) utilizando los difusores tipo cruz, tipo estrella y difusor de vidrio poroso.

Los resultados de productividad biomásica (Q x) es inferior a los reportados en literatura, 1

como se puede observar en la Tabla 10, se obtuvo una productividad máxima de 0.043 gL - d1

. Para corroborar la limitación de Nitrógeno en las cinéticas de C. vulgaris en el reactor

airlift se realizó un balance de masa en términos de Nitrato de Sodio y CO 2. Utilizando la ecuación de la microalga Chlorella vulgaris ��1.776𝑂0.459�0.148�0.006�0.010 (Hadj-Romdhane, et. al.,2012), se obtuvo la cantidad teórica necesaria de Nitrato de sodio y la cantidad de CO 2 para producir un gramo de microalga: � = 12 ∗ 1 = 12 ��/�𝑜� � = 1 ∗ 1.776 = 1.776 ��/�𝑜� 𝑂 = 16 ∗ 0.459 = 7.344 �𝑂/�𝑜� � = 14 ∗ 0.148 = 2.072 ��/�𝑜� � = 32 ∗ 0.006 = 0.192 ��/�𝑜� � = 31 ∗ 0.017 = 0.527 �� /�𝑜� Total: 23.915 � �𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎/�𝑜�

𝑓�

=

2.072 ��/�𝑜�

= 0.086 gN/g Biomasa

23.915 ��𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎/�𝑜�

12 ��/�𝑜�

𝑓� =

23.915 ��𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎/�𝑜�

= 0.5 gC/g Biomasa

Habiendo calculado las fracciones de Nitrógeno (𝑓�) y de carbono (𝑓�) en biomasa, se realizó el cálculo de CO2 así como de NaNO3 teórico requerido de la siguiente manera: Para C en CO2: 44 � �𝑂2/�𝑜� (

12 ��/�𝑜�

�� ) (0.5

� �𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎

) = �. �� ����/� �������

El inverso de 1.83 g CO2 nos da la cantidad de biomasa teórica a obtener por gramo de CO2. Este valor es de 0.54 g Biomasa/g CO2. Para N en NaNO3: 85 � �𝑎�𝑂3/�𝑜� (

14 ��/�𝑜�

�� ) (0.0.86

� �𝑖𝑜�𝑎𝑠𝑎

) = 0.52 ������/� �������

De igual manera que para el carbono, el inverso de 0.52 g NaNO 3 nos da la cantidad de biomasa teórica a obtener por gramo de NaNO3. Este valor es de 1.92 g Biomasa/g NaNO3 Tabla 10. Productividad biomásica de C. vulgaris reportadas en literatura. Comparativo cuando la microalga es cultivada en diferentes tipos de fotobiorreactores.

Configuración *Flash LED *Unidad de ultrafiltración y LED *Airlift Flat *Mezclador tubular **Airlift tubos concéntricos

Qx (g L-1 d-1) 2.1 14 2.6 0.7 0.043

*Adaptado de (Olivieri, Salatino, & Marzocchella, 2014), **Este trabajo

Con este balance se observó que existe limitación por nutriente, el nitrato. El medio de cultivo BBM contiene 0.25 g/L de NaNO 3, mientras que el rendimiento teórico indica que se requieren alrededor de 0.5 g/L de NaNO3 para obtener un gramo de biomasa. Para corroborar esto, se realizó cinéticas en matraz a diferentes concentraciones de nitrato de sodio partiendo del medio STD con una concentración de 0.25 g/L, las demás concentraciones fueron de 0.125 g/L (-50%), 0.325 g/L (+50%), 0.5 g/L (+100%), 0.125 g/L(+150%).

1.2

Biomasa (g/L)

1.0

0.8 STD -50%

0.6

50% 100%

0.4

150%

0.2

0.0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Tiempo (dias)

Fig. 15. Cinética de crecimiento de C. vulgaris en matraz, cultivadas en medio BBM a cinco diferentes concentraciones de NaNO3.

Tabla 11. Resumen del crecimiento de C.vulgaris en medio BBM a diferentes concentraciones iniciales de NaNO3 ,cinéticas realizadas en matraz a condiciones controladas de temperatura (20±2 °C), fotoperiodos (12x12).

std

-50

50%

100%

150%

Xmax(mg/L)

915

809

1072

930

889

Q x(mg/Ld)

40

40

58

48

45

Clorofila a (mg/L)

27

9

34

34

33

Clorofila b (mg/L) Clorofila

7

2

23

16

13

35

11

57

51

46

167

199

264

292

228

11

13

18

19

15

0.012

0.016

0.016

0.021

0.017

a+b (mg/L) Lípidos(mg/L) Prod. Lípidos(mg/Ld) fraccion lipidica(w/w)

9. CONCLUSIÓN Se concuerda con otros autores la presencia de tres régimen de flujo, el régimen homogéneo (o burbujeo), uno de transición y un régimen heterogéneo. En general, los valores más altos de � �𝑎 (17-24 h-1) se encontraron a flujos de aire alrededor de 1vvm (17 L/min), entre el régimen de transición y heterogéneo. La relación geométrica Ar/Ad del fotobiorreactor Airlift de tubos concéntricos permite tener velocidades de líquido altos, bajos tiempos de mezclado (16-21 segundos para un porcentaje de homogeneización del 90%) así como tiempos de circulación bajos (4-7 segundos), los valores de hold up se encuentran dentro de los reportados. En el rango de flujo volumétrico utilizado en este trabajo se calculó la potencia gaseada por unidad de volumen que fue de 33-134 W/m3. Sobre las cinéticas de C. vulgaris, se alcanzó productividad biomásica de hasta 40 mg L 1 -1

d , existiendo limitación por nitrógeno siendo corroborado por cinéticas de crecimiento de C.

vulgaris en matraz a diferentes concentraciones de Nitrato de sodio y los balances teóricos con la ecuación de la microalga C. vulgaris. La productividad biomásica de C. vulgaris no es un efecto aislado del ��𝑎, se requiere de otras características hidrodinámicas que provean las condiciones necesarias, como son un buen mezclado, suspensión de la microalga y exposición de la misma a la fuente lumínica mediante los periodos de exposición en las zonas obscuras e iluminadas, inclusive el tipo de poro en el dispersor utilizado, entre otras.

10. REFERENCIAS

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Anexo I Cinética de Clorella vulgaris en matraz bafleado y medio BBM a diferentes concentraciones de nitrato

La cinética de Chlorella vulgaris se llevó a cabo en matraz bafleado en condiciones controladas de temperatura (20 ± 2°C), iluminación (100 μmol m-2 s-1), agitación orbital (140 rpm) y fotoperiodos de 12x12 horas, ver Fig. 16. El crecimiento de esta microalga se evaluó en un total de 200 mL de medio BBM estéril (10% volumen de inoculo de Clorella vulgaris desarrollada como cultivo semilla para matraz) a concentraciones de Nitrato de Sodio (NaNH3) de 0.25, 0.125, 0.375, 0.5, 0.625 g/L. Los quince matraces bafleados fueron etiquetados como se indica en la Tabla 12 y durante 15 días se monitoreó la densidad óptica, así como el consumo de Nitratos por el método de Nitración de fenildisulfónico, además de extracción de lípidos por extracción con solventes. Tabla 12 Codificación de los matraces bafleados con medio BBM a diferentes concentraciones de Nitratos.

CODIFICACION Concentración de NaNO3 (mg/L) Cantidad de Matraz

STD 0.25 3

-50% 0.125 3

+50% 0.375 3

+100% 0.5 3

+150% 0.625 3

Fig. 16. Cinética de Chlorella vulgaris en matraz bafleado, con medio BBM a diferentes concentraciones de nitrato.

Resultados adicionales en la cinética de crecimiento de Chlorella vulgaris en matraz bafleado a diferentes concentraciones de Nitrato de sodio.

Cinéticas de crecimiento de Chlorella vulgaris en matraz bafleado fueron llevadas a cabo, se realizó cinco cineticas, por triplicado, con cinco diferentes concentraciones de Nitrato de Sodio (NaNO3) inicial, 0.25, 0.125, 0.375, 0.50 y 0.625 g/L; la variación se realizó con base al estándar de BBM. Un total de 15 matraz bafleados con 200 mL de medio de cultivo e inóculo de Chorella vulgaris se desarrollaron y monitorearon durante 15 días. En la Fig. 17, se observa que el crecimiento de Chlorella vulgaris durante 15 dias, el crecimiento es similar para la mayoría de las cinéticas y para las diferentes concentraciones de Nitrato de Sodio (NaNO3), resalta la cinetica b, que es cuando se utiliza 0.375 g/L de NaNO3, el crecimiento observado es por encima de las demás cineticas.

Fig. 17. Cinética de crecimiento de Chlorella vulagaris a concentración estándar de NaNO3 en medio BBM (0.25 g/L), y cambiando la concentración inicial de NaNO3 a valores de 0.125, 0.375, 0.500, 0.625 g/L en el medio BBM.

UPIBI

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Pigmentos como la clorofila a y la clorofila b, así como el conjunto de estas dos fue determinado. También se consideró en el análisis, la cuantificación de lípidos finales para todas las cinéticas en matraz. Los resultados obtenidos se presentan en la Fig. 18, mientras que en la Tabla 11 se presenta los resultados consolidados con respecto a biomasa, clorofila y lípidos totales al final de las cinéticas. Se puede observar en el gráfico de abajo que los productos representados, a excepción de la cinética a, al ser comparados con el estándar presentan cantidades mayores. Se ha reportado que cuando hay privación de nutrientes, como el NaNO3, se ve favorecida la producción de lípidos. Este resultado es acorde con lo reportado por otros autores si se compara la cinética estándar (std) con la cinética -50%. Se observa un amento de un 16% de lípidos por encima del estándar en las condiciones manejadas en este trabajo. Las cinéticas +50%, +100% y +150%, que presentan concentraciones de NaNO 3 iniciales de 0.375, 0.5 y 0.625 mg/L tuvieron un mayor contenido de los productos en comparación con el estándar de BBM. Sin embargo, la mayor cantidad de lípidos se observa en la cinética c. Los lípidos son importantes determinarlos debido a la importancia de este producto que, por medio de un proceso de esterificación puede llevarse a la conversión de biocombustibles como el biodiesel. Cabe recalcar, que para que esto sea posible, la microalga debe cumplir con la cantidad y calidad de lípidos que puedan ser esterificados. Los lípidos no polares son los más solicitados para este proceso. En las cinéticas en matraz, así como en las cinéticas en el reactor, solo se determinó la cantidad de lípidos totales, no se caracterizó el tipo de lípidos contenidos. En el caso de la clorofila a, clorofila b y clorofila a + b, los valores obtenidos son similares. La cantidad de clorofila está relacionada directamente con la biomasa, a mayor cantidad de biomasa, hay mayor cantidad de clorofilas. Sin embargo, esta cantidad puede variar dependiendo de las condiciones de iluminación. La clorofila, es un pigmento, que permite absorber la energía de la luz y que esta sea dirigida en energía dentro de la célula por medio de la cadena de transporte de electrones. No obstante, se puede inducir a las microalgas para la producción de clorofila, ya que a condiciones de iluminación baja la producción de clorofila es mayor puesto que requiere mayores receptores para captar la poca energía lumínica a las que son sometidas. Entre mayor cantidad de clorofilas tenga la microalga es mejor, ya que así pueden adaptarse mejor en condiciones de cultivo outdoor.

350

Productos (mg/L)

300 250 200

Clorofila a Clorofila b

150

clorofila a+b Lípidos

100 50 0

Cineticas de C.vulgaris a diferentes concentraciones iniciales de NaNO3

Fig. 18. Cuantificación de clorofila a, b y a + b, así como los lípidos totales al final de las cinéticas de Chlorella vulgaris cuando se tienen diferentes concentraciones iniciales de NaNO3 en medio BBM.

Anexo II Cuenta

en cámara de Neubawer, determinación de nitratos,

Clorofila y condiciones de cultivos semilla de Chlorella vulgaris Conteo celular en cámara de Neubawer.

Del cultivo, una muestra se colocó en la cámara de Neubawer. Se realizó el conteo de las células de Chorella vulgaris en las cuatro esquinas y en el centro del cuadro central. Considerando esto, además de la dilución (fd) y la profundidad de la cámara, las células por mililitro se calcularon de la siguiente manera: ( 14 )

(���𝑢�𝑎𝑠 𝑐𝑜��𝑎�𝑎𝑠 ∗ 5 ∗ 10000)𝑓� = #𝑐��𝑢�𝑎𝑠 /�� Cuantificación de Nitratos por el método de Nitración del fenildisulfónico.

La cuantificación de Nitratos se realizó por el método de Nitración del fenildisulfónico. Se centrifugó 1 mL de medio de cultivo a 13 000 rpm por 5 minutos. Del sobrenadante se tomó 0.5 mL y se colocó en un tubo de ensaye, esta muestra se secó en una estufa a 100°C. Posteriormente, la muestra seca y a temperatura ambiente se le adicionó 0.5 mL de ácido 2,4-fenoldisulfonico. A la muestra, dentro de un baño maría de agua fría, se le agregó 2.2 mL de hidróxido de potasio 12 N (KOH 12N), bajo estas condiciones de basicidad es común observar una disolución color amarillo pálido, esta disolución se recuperó en celdas de plástico y se leyó en el espectrofotómetro Genesis 10S UVVIS a una longitud de onda de 410 nm. a)

b)

Fig. 19. Reacción de nitrificación del fenildisulfónico y medición de nitratos por espectrofotometría

Extracción y cuantificación de clorofila a y clorofila b.

La extracción de clorofila se realizó por extracción con solvente Metanol 99.8% Marca High purity grado analítico. Se tomó 10 mL del cultivo celular, se centrifugó a 6000 rpm durante 1 minuto y se descartó el sobrenadante. A la pastilla celular se le agregó 2.5 mL de solvente, se calentó en una baño María de agua caliente y se mantuvo a una temperatura de 60°C durante 10 minutos, se dejó enfriar la muestra a temperatura ambiente, se llevó a un volumen de 5mL con el solvente. Debido a que la clorofila es un pigmento lábil, la muestra se mantuvo protegida de la luz durante el proceso, Se recuperó 1 mL del extracto metanólico obtenido y se tomó la lectura de absorbancia en el espectrofotómetro Genesis 10S UV-VIS a las longitudes de onda de 650 y 665 nm. La clorofila a y b se determinó mediante los valores de absorbancia de la siguiente manera: ( 15 )

��𝑜𝑟𝑜𝑓𝑖�𝑎 𝑎 = (16.5 ∗ �665) − (8.3 ∗ �650) ( 16 )

��𝑜𝑟𝑜𝑓𝑖�𝑎 𝑏 = (33.8 ∗ �650) − (12.5 ∗ �665) ( 17 )

��𝑜𝑟𝑜𝑓𝑖�𝑎 𝑎 + 𝑏 = (4.0 ∗ �665) − (22.5 ∗ �650)

a)

b)

Fig. 20. a) Extracción metanólica y b) cuantificación de la clorofila a y b de Chlorella vulgaris por espectrofotometría.

Crecimiento de Chorella vulgaris como cultivo semilla para inoculación en matraz.

La microalga Clorella vulgaris se hizo crecer en 300 mL de medio BBM en condiciones controladas de temperatura (20 ± 2°C), iluminación (100 μmol m-2 s-1), agitación orbital (140 rpm) y fotoperiodos de 12x12 horas hasta que alcanzó una densidad óptica de 0.7 de absorbancia a una longitud de onda de 600 nm. Una vez alcanzada esta densidad óptica, se centrifugó los 300mL a 6000 rpm durante 15 minutos, se eliminó el sobrenadante y se re suspendió la pastilla celular con agua destilada. Este proceso de lavado celular se repitió dos veces más para eliminar residuos del medio de cultivo, se recuperó los 300 mL de células suspendidas en agua destilada, con estas células se inició la cinética con medio BBM a diferentes concentraciones de Nitrato.

Anexo II Gráficos de oxígeno disuelto en función del tiempo A.0 Oxígeno disuelto en la zona riser (línea continua) y downcomer (línea punteada) al utilizar diferentes un flujo de aire de 1.2 vvm, se comparan los tres difusores, estrella, cruz y vidrio poroso

Fig. 21. Comportamiento del oxígeno disuelto con respecto del tiempo, se obtienen los perfiles de cambio en la zona riser (línea continua) y downcomer (línea punteada) para los difusores de acero inoxidable estrella (color rojo) y cruz (color azul), y para el difusor de vidrio poroso (color negro), el comparativo se realiza a un flujo de aire de 1.2 vvm.

A.1 Oxígeno disuelto en la zona riser (línea continua) y downcomer (línea punteada) al utilizar diferentes flujos de aireación (0.3, 0.5,0.8 y 1.2 vvm) y tres tipos de difusores (estrella, cruz y vidrio pororoso)

a)

c)

b)0.6 vvm

0.3 vvm

0.8 vvm

d)

1.2 vvm

Fig. 22. Comportamiento del oxígeno a flujos de aireación de a) 0.3, b) 0.5, c) 0.8 y d) 1.2 vvm. Se utilizó tres tipos de difusores, el difusor en forma de estrella (color rojo), difusor en forma de cruz (color azul) y el difusor de vidrio poroso (color negro). Se presenta el comportamiento de los valores de oxígeno disuelto observados en la zona riser (línea continua) y el downcomer (línea punteada) para cada uno de los difusores y flujos de aire antes mencionados.

A.2. Oxígeno disuelto en la zona riser (línea continua) y downcomer (línea punteada) al utilizar diferentes flujos de aireación (0.3-1.2 vvm) y el difusor tipo estrella

0.3 vvm 0.5 vvm 0.8 vvm 1 vvm

1.2 vvm

Fig. 23. Desplazamiento del Nitrógeno por oxígeno en medio BBM, mediciones realizadas en Oxígeno disuelto (ppm) en función del tiempo utilizando el difusor de estrella y flujos de aire de 0.3, 0.6, 0.8 1.0 y 1.2 vvm. Mediciones realizadas en la zona riser (línea continua) y en la zona downcomer (línea punteada).

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A.3. Oxígeno disuelto en la zona riser (línea continua) y downcomer (línea punteada) al utilizar diferentes flujos de aireación (0.3-1.2 vvm) y el difusor tipo cruz

0.3 vvm

0.5 vvm 0.8 vvm 1 vvm 1.2 vvm

Fig. 24. Desplazamiento del Nitrógeno por oxígeno en medio BBM, mediciones realizadas en Oxígeno disuelto (ppm) en función del tiempo utilizando el difusor de cruz y flujos de aire de 0.3, 0.6, 0.8 1.0 y 1.2 vvm. Mediciones realizadas en la zona riser (línea continua) y en la zona downcomer (línea punteada).

Oxígeno disuelto en la zona riser (línea continua) y downcomer (línea punteada) al utilizar diferentes

flujos

de

aireación

(0.3-1.2

vvm)

y

el

difusor

de

vidrio

0.3 vvm 0.5 vvm 0.8 vvm 1 vvm 1.2 vvm

poroso Fig. 25. Desplazamiento del Nitrógeno por oxígeno en medio BBM, mediciones realizadas en Oxígeno disuelto (ppm) en función del tiempo utilizando el difusor de vidrio poroso y flujos de aire de 0.3, 0.6, 0.8 1.0 y 1.2 vvm. Mediciones realizadas en la zona riser (línea continua) y en la zona downcomer (línea punteada).