INTRODUCCIÓN
Actualmente en nuestro entorno existe una gran emisión de gases de efecto invernadero, entre estos el dióxido de carbón (CO2), el cual es muy dañino para el entorno; por lo tanto se proponen alternativas de tipo biológico, donde el gas acido (CO2) es capturado y posteriormente almacenado en forma de biomasa.
Entre las alternativas biológicas se encuentra la tecnología por medio de microorganismos fotosintéticos que está generando gran interés, no solo por su alta capacidad de captura y fijación de CO2, sino también por su utilidad debido a que la producción de biomasa se puede emplear como base a muchos productos, por otra parte encontramos su fácil adaptación al medio en donde se aplique, también por su capacidad de crecimiento en aguas de baja calidad (aguas residuales) o agua de mar, manteniendo su equilibrio de crecimiento y desarrollo.
Este método tiene algunas desventajas, las cuales hacen referencia, a las dificultades en el control de las condiciones del cultivo como son: la reducción en la cantidad de luz al aumentar la profundidad e irregularidades en las condiciones ambientales (temperaturas, humedad, etc) en el medio donde se desee implementar el proyecto, no contar con una buena fuente de suministro de dióxido de carbono CO2, o la simple no adaptación de las especies a las condiciones sumistradas; por tanto sino se tienen en cuenta las condiciones específicas para la realización de este proyecto se presenta un retraso en los resultados (captura y/o almacenamiento de CO2), junto con la producción de biomasa, comercialización de la misma y finalmente la recuperación a su inversión inicial.
Según lo establecido anteriormente, la mejor forma de realizar la evaluación por este método biológico, es mediante el software statistica versión 7. El software permite hacer una comparación de la cantidad necesaria de nutrientes que necesitan las microalgas para su rendimiento (captura y almacenamiento de CO2 ) y este sea el más apto para las condiciones y/o necesidades de la industria.
CAPTURA DE CO2 CON
MICROALGAS
El secuestro biológico mediante microalgas ha llamado la atención durante los últimos años, pues poseen altas tasas de fijación de CO2, y originan considerables cantidades de biomasa renovable para numerosas utilidades. Estos microorganismos pueden usar el 9 % de la energía solar para producir aproximadamente 280 toneladas de biomasa seca por hectárea por año, mientras que consume o absorbe alrededor de 513 toneladas de CO2. No obstante el mérito de la mitigación de CO2 prima en el hecho de que la biomasa generada durante el proceso de fijación de CO2 puede ser trasformada en biocombustibles para la producción de energía lo que haría viable su implementación (Wang, Li, Wu y Lan, 2008).
La fotosíntesis es un proceso por el cual el agua se descompone en oxígeno y un agente reductor necesario para la reducción de CO2 a carbono orgánico. Sucede en dos fases, una de ellas comprende las reacciones de luz en donde ocurren las reacciones celulares, estas células convierten la energía lumínica en energía química que es aglomerada en compuestos bastante energéticos para luego ser utilizados en las reacciones de fijación de carbono (Iverson, 2006), y la otra etapa hace referencia a las reacciones de la fijación de carbono, las cuales se dan tanto en presencia como ausencia de luz.
El dióxido de carbono además de ser una fuente de carbono contribuye a la inspección del pH, durante la inyección de CO2 se pueden observar los siguientes fenómenos: uno de ellos es la inhibición al utilizar fracciones molares altas de CO2, Estas concentraciones máximas (inhibidor) y mínimas (limitante) cambian de especie a especie, entonces la concentración de CO2 no solo debe ser baja dependiendo del valor mínimo de carbono que requiera el alga, sino que tampoco exceda un valor límite superior para así evitar una gran pérdida de CO2, que no puede ser usado por el alga y liberado por el cultivo llevando esto a una polución innecesaria ( Cheng, Zhang, Chen y Gao, 2006).
Algunos autores han examinado la fijación de CO2 en la biomasa algal (Kajiwara, Yamada y Narumasa, 1997) (Chae, Hwang y Shin, 2006) (Lopes, Lacerda y Franco 2008) mientras otros han establecido tasas globales de secuestro de CO2 por medio de balance de masa de los componentes de la fase líquida o gaseosa de dicho cultivo, estos autores no colocaron un valor fijo de CO2 fue efectivamente fijado en la biomasa de la microalga (Fan et al., 2007) (Lopes et al., 2008). Si cambia la composición de la biomasa producida, cambia la tasa particular de consumo de un sustrato y el producto obtenido, si son autótrofos el sustrato y producto aludirá a CO2 y O2; La relación entre la tasa de producción de O2 y consumo de CO2 (coeficiente fotosintético) depende de la composición de la biomasa producida y de los sustratos usados (Eriksen, Riisgard, Gunther y Iversen, 2007).
Los microorganismos se pueden desarrollar en sus ambientes naturales o abiertos, como lagos, ríos, océanos, etc, y en sistemas abiertos, (fotobiorreactores) diseñados de diferentes manera, dependiendo del lugar en donde se desee implementar el método, de las condiciones luz, y fuente de suministro de CO2. El tema primordial a considerar con el consumo del CO2 es que por un lado el dióxido de carbono dentro del reactor no debe lograr concentraciones altas, que darían lugar a una inhibición, por otro lado, no debe caer mucho, o limitará el crecimiento (Rados, Vaclav y Frantisek, 1975). Estas concentraciones máximas y mínimas cambian de especie en especie, y todavía no se conocen adecuadamente (Lee y Hing, 1989) (Rados, et al., 1975).
Petrobras reportó para el 2004 por un total de 44,4 millones de toneladas de CO2, 98,8% son emisiones de CO2 (Petrobras, 2005) Buena parte de estas emisiones pueden ser minimizadas mediante la implementación de tecnologías biológicas, como el uso de microalgas tolerantes a altas concentraciones de CO2 y SOX, debido a que a concentraciones en el aire de 50 ppm de SOX estas tienden a inhibirse (Watanabe, Ohmura y Saiki, 1992), (Kurano, et al., 1995).
CULTIVO DE MICROALGAS
El cultivo de microalgas tiene mínimos requerimientos para su subsistencia tanto naturales como físicos; para los primeros se encuentra la composición del cultivo ya que de este depende la producción de biomasa, mientras que del físico se tienen los parámetros de intensidad lumínica, temperatura, pH y el fotoperiodo que pueden perjudicar el estado y comportamiento de la microalga (Qin, 2005).
La presencia de nutrientes en el medio al igual que la fuente de energía son puntos importantes a tener en cuenta para la reproducción, el mantenimiento celular y la biosíntesis de compuestos necesarios para el crecimiento, dichas necesidades están familiarizadas con la disponibilidad de macro y micronutrientes.
Macronutrientes
Los macronutrientes son fundamentales para las microalgas, medidos en gramos por litro (g/l). Tienen como propósito la síntesis de compuestos celulares que hacen parte de la configuración algal. Para el cálculo de los requerimientos mínimos de estos nutrientes se puede realizar por medio de la formula aproximada de la biomasa CH1,83 O0,48N0,11,P0,01 (Chisti,2007).
Fuente de carbono. Este es el macronutriente más importante, se aporta al cultivo de forma inorgánica u orgánica, el contenido de este carbono se encuentra en el dióxido de carbono usado para el crecimiento celular, el CO2 es aplicado al medio junto con aire, este tiene funciones tales como nutrición microalgal, y controlar y mantener los niveles de pH.
Fuente de nitrógeno. Luego del carbono el nitrógeno es el macronutriente en orden de importancia que coopera con la formación de biomasa. La respuesta más común a la limitación de este nutriente es la decoloración celular y la acumulación de compuestos orgánicos como polisacáridos y ciertos aceites (Converti, Lodi, Del Borghi y Solisio, 2006). Chlorella sp tiene la capacidad de crecer bajo cualquier fuente de nitrógeno.
Fuente de fósforo. El fósforo es necesario para el crecimiento microalgal y la formación de ADN y el ARN, el fósforo es distribuido en exceso en forma de fosfatos, pues estos forman complejos con los iones metálicos, generando que no todo el fósforo esté en disposición para la producción de biomasa (Chisti, 2007).
Micronutrientes
Los micronutrientes son requeridos por las microalgas en cantidades de miligramos por litro (mg/L). su principal función es el debido funcionamiento de las células.
METODOLOGÍA
Para llevar a cabo este proceso de medición se utilizó Chorella vulgaris UTEX 1803 la cual fue aplicada a nueve experimentos (simulación de fotobiorreactores) bajo diferentes concentraciones de las fuentes de fósforo, potasio y nitrógeno, para con ello evaluar el comportamiento de esta especie, su crecimiento y producción de biomasa de la misma.
Diseño experimental
Para determinar el efecto que posee la concentración de las fuentes de Nitrógeno (KNO3 ), fósforo y potasio (K2HPO4, KH2PO4) sobre la producción de biomasa y subsecuente captura de carbono se empleó un diseño de experimentos central no factorial 23 (2 factores y 3 niveles) empleando el software STATISTICA 7.0 (Statsoft, 2004), (Tabla 1 y 2). Para cada una de los experimentos se emplearon reactores de vidrio de 1L con 0,5L de medio de cultivo con las respectivas modificaciones en las concentraciones de nitrógeno, fósforo y potasio; cada uno de los reactores se acopló a un sistema de agitación mediante la adición de aire por burbujeo a 0,6Laire/Lmedio.
Tabla 1. Variables para el diseño de experimentos
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Reactor |
KNO3 (mL stock/L Medio de cultivo) |
K2HPO4 (mL stock/L Medio de cultivo) |
KH2PO4 (mL stock/L Medio de cultivo) |
|||
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1 |
10 |
10 |
10 |
|||
|
2 |
10 |
30 |
30 |
|||
|
3 |
30 |
10 |
10 |
|||
|
4 |
30 |
30 |
30 |
|||
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5 (c) |
20 |
20 |
20 |
|||
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6 |
5,8 |
20 |
20 |
|||
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7 |
34 |
20 |
20 |
|||
|
8 |
20 |
5,8 |
5 , 8 |
|||
|
9 |
20 |
34 |
34 |
|||
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Fuente: (Autores ) Tabla 2. Diseño de experimento Vulgaris UTEX 1803 |
s para el cultivo |
de C. |
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|
KNO3 K2HPO4/ KH2PO4 (mL stock/L Medio de cultivo) (mL stock/L Medio de cultivo) |
||||||
30 30
Fuente: (Autores )
Microorganismo
Chlorella vulgaris UTEX 1803 fue adquirida de la colección de cepas proveniente de la Universidad de Texas (Austin, Texas, USA). El alga se mantuvo en el medio de cultivo Bold Basal modificado, donde cada litro de cultivo está compuesto por:
Tabla 3. Concentración de Macro y Micronutrientes
Los cultivos se llevaron a cabo en reactores rectangulares de 30 cm de altura y 10 cm de ancho con un volumen del cultivo de 0,35L. Los reactores se acoplaron a un sistema de aireación por burbujeo para la inyección de aire con flujo de 0,6 L/min como se observa en la Figura 1.
Figura 1. Reactores con mezcla entre microorganismos, agua destilada, corriente de aire.
Fuente: (Autores).
Densidad Óptica
Para la medición de concentración de biomasa se tomó una muestra de 1 mL de cultivo cada 3 días la cual se diluyo a una relación muestra/agua destilada de 1:9 para medir la densidad óptica de cada muestra a 440 nm usando un espectrómetro.
Figura 2. Espectrofotómetro (DR 1900, HACH). Fuente: (Autores).
La densidad óptica (DO) se relacionó con la cantidad de biomasa de acuerdo con la ecuación 1:
Peso Seco
El peso seco es la variable de cuantificación de biomasa producida en el sistema la cual es necesaria para realizar el cálculo de ceniza y concentración de carbono capturado el cual es determinado después de transcurridos 15 días para esto se toman 20 mL de medio de cultivo los cuales se filtran utilizando los filtros Whatman GF/C pre-combustionados durante 1 hora a 100°C, terminado este proceso se llevan los filtros a un horno durante 1 hora a 100°C, posteriormente son introducidos en un desecador por 12 horas, alcanzando un peso constante.
Determinación De Cenizas
Para calcular la determinación de cenizas se desarrollan dos fases: la primera es la prueba de vacío, en la cual se agregan 3 mL de muestra de microorganismo en el papel filtro y esto se introduce en una bomba de vacío para realizar un vacío y secado húmedo (Figura 3); el papel filtro es llevado dentro de una fibra de vidrio con silica gel para combatir la humedad restante.
Figura 3. Procedimiento de pruebas de vacío. Fuente: (Autores ).
La segunda fase comienza con el peso de cada uno de los filtros y su respectiva biomasa; después de realizar este paso las muestras son llevadas a una mufla durante 5 horas a 450°C. Finalizado el proceso los filtros fueron dejados en cámara desecadora durante 8 horas hasta alcanzar el peso constante, posteriormente se pesan todas las muestras para realizar el cálculo de biomasa libre de cenizas empleando la ecuación 2:
Fuente: (Autores).
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Producción de Biomasa: La Figura 5 en donde cada color representa los reactores con su respectiva muestra de microorganismos, se presentan los datos de concentración de biomasa durante los dos ciclos de cultivo se observa que para el primer ciclo el experimento N°2 es quien presenta mayor producción de biomasa, teniendo un valor de 2,54g/L. Para el segundo ciclo se realizó el mismo procedimiento y se observó una mayor producción de biomasa en el experimento N°7, estos resultados dependen principalmente de como el microorganismo para cada experimento asimile las fuentes de nitrógeno, potasio y fósforo suministrados.
Figura 5. Producción de biomasa C. vulgaris vs tiempo, bajo diferentes concentraciones de micro y macronutrientes. Fuente: ( Autores )
Capacidad De Captura De CO 2
De acuerdo con los resultados, el experimento con mayor producción de biomasa después de 30 días fue el experimento 7 con 3,58 g/L, por otra parte la Figura 6 muestra que cerca del 10% de la biomasa está compuesta por cenizas, mientras que el 90% de esta es materia orgánica. Este resultado del 10% es obtenido de la diferencia de los filtros antes y después de haber sido introducidos en la mufla y dividido entre la cantidad de muestra proporcionada en el filtro (3mL) al momento de realizar la prueba de vacío, al resultado se le realiza un promedio, para luego ser dividido entre el último dato de biomasa obtenido.
Diferentes estudios han encontrado que la biomasa está compuesta en cerca de un 50% (p/p) por carbono, quitando las cenizas se obtiene el carbono total para este caso 1,61 g (tabla 4); sin embargo es necesario considerar con este carbono final se calcula una cantidad de CO2 representado el 100% que es 5,98 g, no obstante este CO2 no es el real inyectado ya que el proceso de fijación por medio de la fotosíntesis no es 100% eficiente debido a barreras fisiológicas de las células y fisicoquímicas del medio (con valores cercanos al 70% de eficiencia). Con el dato anterior es posible determinar que la cantidad de CO2 que se inyectó al medio para producir 3.59 g/L fueron 8.54 g, con una tasa de fijación de 0.2 gCO2/L*d-1, por lo cual para capturar 1 ton/día de carbono se requieren 5000 m3 de medio de cultivo.
Figura 6. Resultados de cenizas. Fuente: (Autores).
Tabla 4. Cantidad de CO2 secuestrado.
|
Componente |
Valor |
|
Biomasa obtenida (g/L) |
3 , 59 |
|
Cantidad carbono en Biomasa (g/L) |
1 , 61 |
|
CO2 Inyectado |
8 , 54 |
|
CO2 Fijado |
5 , 98 |
|
Tasa de fijación (gCO2/L*d-1) |
0 , 20 |
Fuente: (Autores).
Datos Estadísticos