Sistemas de Cultivo

Modelo matemático facilita el escalamiento de la producción de microalgas

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By Milthon Lujan

Sistemas de cultivo de microalgas considerados en el estudio: AL PBR (A), EOSS-2 PBR (B) ePBR (C) y canalización exterior considerados en simulaciones solares (D). Fuente: Pruvost et al., (2024); Investigación de algas, 80, 103517.
Sistemas de cultivo de microalgas considerados en el estudio: AL PBR (A), EOSS-2 PBR (B) ePBR (C) y canalización exterior considerados en simulaciones solares (D). Fuente: Pruvost et al., (2024); Investigación de algas, 80, 103517.

Las microalgas son potencias microscópicas con un inmenso potencial para biocombustibles, nutracéuticos e incluso captura de CO2. Sin embargo, ampliar su producción desde matraces de laboratorio hasta instalaciones de producción industrial presenta un desafío importante. Los métodos actuales dependen en gran medida de la experimentación de prueba y error, lo que puede llevar mucho tiempo y ser costoso.

¡Aquí es donde entra en juego un enfoque nuevo e innovador! Los investigadores de la Université de Nantes (Francia), de la Qatar University, de la Wageningen University (Países Bajos) y de la Université Clermont Auvergne (Francia) han desarrollado un método simplificado que utiliza ecuaciones de ingeniería fácilmente disponibles y elimina la necesidad de modelos informáticos complejos que requieren habilidades especializadas.

Desafíos en el escalamiento de la producción de microalgas

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Ampliar la producción desde matraces de laboratorio a instalaciones a gran escala sigue siendo un obstáculo importante en la producción de microalgas. Este desafío surge de dos cuestiones principales:

  1. Complejidades técnicas: Cultivar microalgas y mantener cultivos robustos a gran escala presenta desafíos técnicos únicos.
  2. Herramientas de ingeniería limitadas: No existen herramientas simples para diseñar fácilmente instalaciones de producción para cepas de microalgas específicas, especialmente para las menos estudiadas. Esto crea un importante cuello de botella para la comercialización.

Los modelos matemáticos fueron promocionados como la clave para desbloquear la producción eficiente de microalgas. Estos modelos, particularmente aquellos destinados a predecir el comportamiento en sistemas a gran escala, se han mostrado prometedores en aspectos como la productividad de la biomasa y la influencia de factores como la exposición a la luz y las estrategias de recolección.

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Sin embargo, traducir estos modelos de entornos de laboratorio a instalaciones del mundo real con energía solar sigue siendo un desafío. A diferencia de los bioprocesos tradicionales, donde el rendimiento es predecible en función del volumen, la producción de microalgas depende en gran medida de la luz solar, que varía significativamente a lo largo del año y la ubicación.

El papel de la luz y un nuevo enfoque

La luz juega un papel crucial en el crecimiento de las microalgas. El meollo del problema radica en la compleja interacción entre la exposición a la luz, cómo la luz penetra en el volumen del cultivo y cómo esto afecta el crecimiento fotosintético.

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La mayoría de los modelos existentes intentan predecir esta relación con alta precisión, un paso crucial para determinar la productividad de un sistema de cultivo específico en función de factores como especies de microalgas cultivadas, luz recibida, diseño del sistema de cultivo y parámetros de operación.

La clave está en la simplificación inteligente

Los investigadores han desarrollado ecuaciones de ingeniería derivadas de décadas de modelado de fotobiorreactores (PBR) para sistemas de soporte vital. Estas ecuaciones pueden determinar la productividad máxima de un sistema de cultivo en condiciones específicas (cepa, fuente de luz, etc.). Si bien no tienen en cuenta las posibles limitaciones de crecimiento, proporcionan información crucial para los ingenieros. Conocer el rendimiento máximo alcanzable ayuda a determinar el tamaño de las instalaciones e identificar limitaciones potenciales comparándolo con los resultados reales.

La validez de estas ecuaciones se ha establecido a través de varios estudios, que abarcan cianobacterias, microalgas, diferentes geometrías de PBR (tanto de paneles tubulares como planos) y condiciones de iluminación tanto artificial como solar.

Sin embargo, un inconveniente importante de estas ecuaciones es la necesidad de varios parámetros que requieren equipos y métodos especializados para su identificación. Estos parámetros, conocidos como propiedades radiativas, suelen ser complejos y requieren un importante trabajo teórico o experimental para determinarlos.

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El artículo presenta un enfoque innovador que simplifica el proceso de escalamiento de la producción de microalgas. Utiliza ecuaciones de ingeniería adaptadas que eliminan la necesidad de mediciones complejas, lo que hace que el proceso sea más accesible.

Al adaptar inteligentemente las ecuaciones existentes, los investigadores eliminan las complejidades y se centran en algunos factores clave determinados mediante experimentos sencillos a pequeña escala específicos de la cepa de microalgas que se cultiva.

El nuevo método tiene como objetivo predecir datos clave de forma rápida y eficiente, eliminando la necesidad de estudios iniciales extensos y equipos costosos. Así es como funciona:

  1. Ecuaciones simplificadas: Las ecuaciones complejas se adaptan inteligentemente para eliminar parámetros que son difíciles de obtener.
  2. Experimentos específicos: Algunos experimentos convencionales a escala de laboratorio determinan los parámetros clave restantes específicos de la cepa de microalgas y las condiciones de luz.

Poniendo el método a prueba

Para demostrar su eficacia, los investigadores aplicaron este método a dos cepas de microalgas diferentes:

  • Haematococcus pluvialis (en su fase verde bajo luz continua)
  • Una cepa de Picochlorum maculatum aislada del duro desierto de Qatar (cultivada bajo ciclos de luz continuos y de día/noche)
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¡Los resultados fueron impresionantes! El rendimiento previsto, basado en el método simplificado, se desvió en menos del 10% de los datos reales obtenidos mediante experimentación.

Beneficios para los cultivadores de microalgas

Este enfoque revolucionario ofrece varias ventajas:

  • Tiempo de experimentación reducido: Al eliminar la necesidad de largos procesos de prueba y error, este método puede acelerar significativamente el proceso de ampliación, ahorrando meses de valioso tiempo de investigación.
  • Aplicación simplificada: El método se basa en ecuaciones de ingeniería fácilmente disponibles y evita el modelado informático complejo, lo que lo hace accesible a una gama más amplia de investigadores y profesionales.
  • Desarrollo más rápido: Con esta nueva herramienta, los investigadores pueden optimizar los cultivos de microalgas para aplicaciones específicas de manera más eficiente.
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Conclusión

Este enfoque simplificado tiene el potencial de agilizar significativamente el proceso de ampliación de la producción de microalgas, allanando el camino para un futuro más eficiente y rentable para esta tecnología prometedora.

El estudio fue financiado por el proyecto DISCUS de NExT Initiative (Nantes Excellence Trajectory) International Research Partnership y por el International Research Center “Innovation Transportation and Production Systems” del I-SITE CAP 20-25.

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Contacto
J. Pruvost
GEPEA, Université de Nantes, ONIRIS, CNRS, UMR6144, bd de l’Université, CRTT – BP 406, 44602 Saint-Nazaire Cedex, France
Email: Jeremy.pruvost@Univ-Nantes.fr

Referencia (acceso abierto)
Pruvost, J., Rasheed, R., Samhat, K., Kazbar, A., Al Jabri, H., Dauchet, J., & Cornet, J. (2024). A simple new approach predicting how microalgae culture systems will perform under sunlight and artificial light conditions. Algal Research, 80, 103517. https://doi.org/10.1016/j.algal.2024.103517