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Las microalgas automatizadas

Microalga Scenedesmus almeriensis.
Microalga Scenedesmus almeriensis.

Desarrollan un sistema de control automático para el cultivo de microalgas que mantiene unas condiciones ambientales óptimas para estos vegetales, al tiempo que aumenta la producción y reduce el coste de la obtención de biodiesel.

La biotecnología no podría haber alcanzado muchos de sus éxitos sin la incorporación de las nuevas tecnologías y de los sistemas de control automáticos. Estas nuevas herramientas se posicionan en la actualidad como el complemento indispensable para la marcha adecuada de instalaciones de este sector, que requieren unas condiciones ambientales y estructurales controladas hasta el más mínimo detalle, y en las que el más mínimo fallo supone dar al traste con meses de trabajo.

Un ejemplo claro son las instalaciones de producción de microalgas, una masa verde para la que cada vez se encuentran más usos, y cuya producción es tan delicada que necesita unos sistemas de control avanzados, capaces de asegurar unas condiciones ambientales estables en todo momento. En la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Almería trabaja el equipo de investigación de Biotecnología de las Microalgas Marinas, uno de los más avanzados del mundo y que ha conseguido colocar sus trabajos como referentes en este ámbito. Sin embargo, su labor en el desarrollo de sistemas de cultivo de microalgas no habrían alcanzado las cotas de éxito sin el apoyo que le han aportado investigadores del grupo de investigación Automática, Robótica y Mecatrónica, que llevan a cabo investigación para diferentes sectores desde el mismo centro de la Universidad de Almería.

Varios investigadores de este grupo trabajan en el desarrollo de sistemas de control y optimización de la producción de biomasa con microalgas. Un proyecto en el que se están generando un conjunto de técnicas de modelado y control para la producción de esta masa vegetal en fotobiorreactores del tipo raceway.

Fotobiorreactores raceway en la Estación Experimental Las Palmerillas.
Fotobiorreactores raceway en la Estación Experimental Las Palmerillas.

El objetivo principal de esta investigación, bautizada con el acrónimo PROBIOREN (Control y Automatización de la Producción de Biomasa con Microalgas como Fuente de Energía Renovable), consiste en conseguir unas condiciones de entorno óptimas para que las microalgas puedan crecer y producir biomasa con fines energéticos, explica el investigador principal de este proyecto, José Luis Guzmán Sánchez.

Con este proyecto, perteneciente al Plan Nacional del Ministerio de Economía y Competitividad, y que además cuenta con fondos FEDER y el apoyo de la Fundación Cajamar que aporta el escenario de ensayo en la Estación Experimental de Las Palmerillas, se persigue que las condiciones óptimas para la producción de microalgas se alcancen a un coste reducido. Es una manera de cerrar el círculo en la producción de microalgas y que se ha convertido en una de las máximas principales de cualquier proyecto de investigación en la actualidad.

“Controlamos las condiciones que permitan optimizar el crecimiento del cultivo de algas: pH, temperatura, acidez del medio, etc., así como el volumen de nutrientes suministrados”, dice José Luis Guzmán, que coordina un equipo formado por once investigadores más. “Tenemos sensores para esas variables y además nosotros en este proyecto también desarrollamos sensores virtuales, basados en estimadores de estado que son modelos matemáticos, para poder medir en línea algunas variables que hasta ahora solamente se podían cuantificar offline y en laboratorio, como la concentración de biomasa o el carbono inorgánico total”.

El control automático mejoras las condiciones y aumenta la producción de microalgas

Este trabajo desarrollado por investigadores de la Escuela Superior de Ingeniería almeriense no es nada sencillo, debido a la “compleja dinámica no lineal” de los procesos de producción de microalgas. De ahí que los investigadores se empleen a fondo en el desarrollo de técnicas de control avanzado, que den respuesta a una instalación de alta tecnología como es un fotobiorreactor raceway.

“Empleamos técnicas de control avanzadas que están orientadas a reducir costes y permitir controlar el sistema solamente cuando sea necesario. Es decir, siempre que las variables estén dentro de un error con cierta tolerancia, se ahorra energía y no se modifican el estado de las válvulas y bombas”.

A lo largo del proyecto, el equipo almeriense ha testado técnicas de control aplicadas a las características específicas de estos sistemas para la producción de microalgas, al tiempo que están obteniendo modelos predictores para las principales variables que se pueden dar en los fotobiorreactores.

En este proyecto se recoge la experiencia de los grupos participantes en el desarrollo de sistemas de producción de biomasa de microalgas en fotobiorreactores tubulares. Y se trata de una investigación con unos niveles muy elevados de aplicación en la industria vinculada a la producción de esta masa verde. Sin embargo, el trabajo con el sistema raceway, expuesto a las condiciones ambientales es más complicado. El investigador principal explica que la principal diferencia reside en que los fotobiorreactores tubulares “no sufren la contaminación del medio al estar completamente cerrados. Sin embargo, en este tipo de fotobiorreactores sí que afecta esto al estar completamente abiertos y esto hace que el sistema sea mucho más complicado de modelar y controlar al existir la presencia de factores externos”.

El trabajo desarrollado por los investigadores almerienses aporta novedades importantes en la gestión de estaciones de producción de microalgas. Las pruebas se han desarrollado con la microalga Scenedesmus almeriensis y enfocadas a la producción de biodiésel y la generación de biomasa, pero es un conocimiento que puede ser aplicado a cualquier otra especie cultivada en estos fotobiorreactores abiertos. Han conseguido desarrollar modelos que permiten ser utilizados como “simuladores reales” de los procesos que se dan en la producción de microalgas. “Esto te ayuda a poder analizar y estudiar nuevos escenarios sobre diseño y comportamiento del sistema antes de llevarlos a la práctica. Este tipo de modelos no-lineales no existían previamente en la literatura”. Por otro lado, otra de los avances aportados con esta investigación radica en el ahorro de costes conseguido y el aumento de la producción de biomasa resultante. “Este es el principal reto, con el fin de conseguir que la producción de las mismas sea competitiva en el mercado energético con respecto a otras fuentes de energía fósil”.

Grupo de Automática, Robótica y Mecatrónica de la UAL.
Grupo de Automática, Robótica y Mecatrónica de la UAL.

Es una investigación multidisciplinar, en la que grupos de diferentes áreas van de la mano para conseguir un objetivo común, que no es otro que el de conseguir un sistema para la producción de masa de microalgas optimizado. Además, va en la línea marcada por la Unión Europea para la búsqueda de nuevas fuentes energéticas limpias y eficientes.

El calado de este proyecto en la industria puede ser importante, en la medida en que mejora los sistemas actuales para la producción de microalgas. Y las esperanzas que se han depositado en sus resultados han sido tales que grandes empresas del sector como AlgaEnergy (integrada por Repsol e Iberdrola), Aqualia y Holcim han mostrado su interés en los avances que están cosechando los investigadores almerienses con este trabajo, cuyos ensayos se están realizando en la planta de producción de microalgas instalada en la Universidad de Almería, y de donde están saliendo avances muy destacados en este ámbito.

Producción ininterrumpida

Sistema de iluminación led acoplado a un fotobiorreactor.
Sistema de iluminación led acoplado a un fotobiorreactor.

La luz juega un importante papel en la producción de microalgas. De ahí que otros investigadores del grupo de Biotecnología de Microalgas Marinas haya ideado un sistema para la producción de estos organismos vegetales que cuenta con un sistema de iluminación artificial. En colaboración con científicos de la Universidad de Massey (Nueva Zelanda), han construido una planta a escala de laboratorio, que incorpora luces led. En un artículo firmado por Asterio Sánchez Mirón, Francisco García Camacho y Lorenzo López Rosales se corrobora la eficiencia productiva de este nuevo sistema y los beneficios que suponen la incorporación de esta fuente de iluminación artificial tan barata, como son las lámparas led.

Las pruebas se han realizado con dinoflagelados de la especie Karlodinium venficum, un grupo de microorganismos marinos que generan sustancias bioactivas con diferentes aplicaciones farmacológicas.

La incorporación de luces leds a esta planta de laboratorio permite ajustar la intensidad y el espectro de la luz a las necesidades de la producción de microalgas, con lo que se consigue un incremento en el ritmo de crecimiento y evolución de los microorganismos y, lo más importante, a un coste contenido, gracias al reducido consumo energético de las lámparas led. Otro aspecto importante de esta nueva tecnología es la posibilidad de aplicarlo a una gran variedad de especies, así como a diferentes volúmenes.

Los investigadores han logrado un incremento en la producción del orden de un 40 por ciento, asegura Lorenzo López, que considera que se trata de un sistema con muchas posibilidades en cultivo de interior. Sin embargo, es un sistema indicado para la producción de microalgas destinadas a la obtención de productos de alto valor añadido, debido a que el coste todavía resulta elevado para una obtención de un gran volumen de masa microalgal como el que se necesita, por ejemplo, para la fabricación de biodiésel. Ahora, el trabajo de este grupo de investigadores se centra en localizar los metabolitos de interés para la industria, porque todavía no está claro si se encuentran en la biomasa, en el agua o en ambos.

La investigación en torno a las microalgas avanza sin cesar y cada vez implica a más sectores de la ciencia, tal y como se ha podido ver en estos dos trabajos almerienses.

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