Las microalgas tienen un gran potencial para la producción de biocombustibles y el tratamiento de efluentes, pero el alto costo de cosecha impide su uso práctico.
Debido al pequeño tamaño y la estabilidad coloidal de las microalgas, es particularmente difícil recolectar biomasa de microalgas de los medios de cultivo. Diversos estudios reportan que la cosecha puede representar del 20 al 30% del costo total, lo que limita la aplicación práctica de las tecnologías basadas en las microalgas.
En ese sentido, es esencial desarrollar métodos eficientes y baratos para cosechar biomasa de microalgas, dependiendo de las especies, sistemas de cultivo y circunstancias.
Investigadores de la National University of Ireland Galway, y de la Hefei University of Technology (China) realizaron un estudio para demostrar la cosecha barata de microalgas hidrofóbicas mediante electroflotación sin coagulación, que fue alcanzado por flotación electrolítica con electrodos inertes.
Los objetivos específicos del estudio fueron:
- Revelar el rol de la hidrofobicidad en la cosecha de microalgas mediante electroflotación, mediante la comparación de la eficiencia de cosecha de microalgas de agua dulce con diferente grado de hidrofobicidad (Tribonema sp., altamente hidrofóbica; Scenedesmus sp., moderadamente hidrofóbica; y Pandorina sp., hidrofílica).
- Investigar los efectos de la corriente, tiempo de electrólisis, intensidad de mezcla y concentración de biomasa de la cosecha de microalgas hidrofóbicas (Tribonema sp.) por electroflotación.
- Evaluar la factibilidad económica del método mediante el análisis del consumo de energía y su comparación con otros métodos.
Métodos de cosecha de microalgas
La cosecha de microalgas es el proceso de separar la biomasa del medio de cultivo. Se vienen investigando una variedad de técnicas entre las cuales se incluyen la centrifugación, la filtración por membrana, sedimentación, floculación, flotación, entre otras.
La centrifugación puede asegurar una cosecha rápida y eficiente, pero tiene una alta demanda de energía y un costo prohibitivo. Por su parte, la filtración por membrana también es un proceso intensivo en energía, aunque puede alcanzar una alta eficiencia de recuperación y permite la cosecha de especies sensibles.
La sedimentación es un método simple y barato basado en la fuerza gravitacional para el asentamiento de las células suspendidas del medio de cultivo. No obstante, este proceso consume tiempo debido a las bajas velocidades de asentamiento de la mayoría de especies de microalgas.
La flotación es ampliamente usada en el proceso de separación de sólidos en el tratamiento de agua y efluentes. Se basa en la fuerza de flotación de las burbujas de gas adheridas a la superficie de las partículas. La flotación se considera ventajosa para recolectar células de microalgas a bajas densidades y se ha demostrado a gran escala.
Hidrofobicidad sobre la cosecha por electroflotación
Los investigadores encontraron que la hidrofobicidad de las microalgas juegan un rol crítico en la electroflotación.
De acuerdo con los resultados del estudio, bajo las mismas condiciones (corriente 0.3 A, gradiente de velocidad 200 s-1, concentración de biomasa 1 g/l), Tribonema sp. se pudo cosechar de manera efectiva (96.2%) después de 20 minutos de electroflotación, mientras que la eficiencia de cosecha disminuyó significativamente con Scenedesmus sp. (70.1%, 20 min) y Pandorina sp. (<10%, 1 hora).
Los investigadores investigaron con mayor profundidad la influencia de la corriente, el tiempo de electrólisis, la intensidad de mezcla (gradiente de velocidad) y la concentración de biomasa en Tribonema sp.
“El aumento de la corriente dentro de un cierto rango (0.1 A – 0.4 A) fue beneficioso para la cosecha, mientras que un mayor aumento disminuyó la velocidad de flotación, que fue similar al efecto del gradiente de velocidad”, reportan.
Comparación de diferentes técnicas de cosecha
Los investigadores presentan las eficiencias de cosecha y el consumo de energía/materiales de diferentes técnicas de cosecha de microalgas.
Ellos reportan que la centrifugación puede alcanzar una rápida y eficiente cosecha de microalgas; sin embargo, tiene un alto consumo de energía, en el rango de 0.7–1.4 kWh/m3.
La filtración por membrana puede reducir el consumo de energía a 0.2–1.46 kWh/kg de biomasa, pero el ensuciamiento de la membrana y el costo de reemplazo de la membrana pueden dificultar su uso a gran escala.
La floculación química, seguida por la sedimentación por gravedad, puede lograr una cosecha eficaz con un bajo consumo de energía, pero el costo final podría ser tan alto como el de la centrifugación debido al uso considerable de productos químicos.
La electroflotación puede lograr una recolección eficaz de microalgas con un bajo consumo de energía (0.4–2 kWh/kg de biomasa) si se combina con la coagulación mediante la dosificación de coagulantes o el uso de electrodos. Sin embargo, esto también incrementa los costos.
“Usando microalgas hidrofóbicas (Tribonema sp.), este estudio logró una cosecha efectiva mediante electroflotación directa con bajo consumo de energía (0.18 kWh/m3, 0.19 kWh/kg de biomasa), lo que podría reducir sustancialmente el costo de producción”, destacan los investigadores.
Conclusión
“En condiciones óptimas, la eficiencia de cosecha de Tribonema sp. fue de 96.3% y el consumo de energía (0.19 kWh/kg de biomasa) fue mucho menor que con otras técnicas de recolección, lo que indica que la flotación eléctrica es un enfoque económico y ahorra tiempo para la recolección de microalgas hidrofóbicas”, concluyen.
Debido a la variedad de la dimensión, forma y morfología de las microalgas, los investigadores recomiendan un mayor número de estudios para determinar la factibilidad de la electroflotación en la cosecha de otras microalgas hidrofóbicas.
El estudio fue financiado por la Sustainable Energy Authority of Ireland.
Referencia (acceso libre)
Shasha Qi, Jingrou Chen, Yuansheng Hu, Zhenhu Hu, Xinmin Zhan, Dagmar B. Stengel. Low energy harvesting of hydrophobic microalgae (Tribonema sp.) by electro-flotation without coagulation. Science of The Total Environment, Volume 838, Part 1, 2022, 155866, ISSN 0048-9697,
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155866.
