La acumulación del oxígeno fotosintético generado es uno de los factores principales que limitan la ampliación a gran escala de un fotobioreactor. Las concentraciones de oxígeno disuelto sobre 35 mg L-1 (equivalente a cuatro veces la saturación de aire a 25 °C) pueden ser fácilmente alcanzados en cultivos de
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microalgas densos al aire libre a mediodía. Los niveles altos de oxígeno son tóxicos para muchas microalgas, junto con la exposición prolongada a la luz del sol, pueden conducir a la muerte por foto-oxidación del cultivo (Torzillo et al., 1997, Richmond et al., 1990). Puesto que la producción volumétrica del oxígeno se relaciona directamente con la productividad volumétrica de la biomasa (cerca de 1 g del oxígeno se desarrolla por gramo de biomasa sintetizada), la acumulación del oxígeno se convierte en un problema serio especialmente en fotobioreactores operados al aire libre con una relación alta del cociente S/V. En los índices máximos de la fotosíntesis, un reactor tubular de un cm. de diámetro acumularía de 8 a 10 mg de oxígeno L-1 min.-1 (Weissman et al., 1988). En tales sistemas, el mantenimiento del oxígeno disuelto por debajo de la concentración tóxica requiere la adopción de circuitos muy cortos y este hecho hace que el diseño del serpentín sea difícil de aumentar. La situación es menos dramática en tubos de mayor diámetro, puesto que el índice volumétrico de evolución de oxígeno decrece en proporción con la disminución del cociente S/V, pero ha sido demostrado que aun en reactores tubulares de 14 cm de diámetro reactores el oxigeno disuelto puede alcanzar niveles y reducir la productividad significativamente (Torzillo et al., 1986), los inconvenientes de acumulación de oxigeno descritas en las anteriores experiencias fueron superadas en la presente investigación ubicando un sistema de desgasificación en la unidad de cultivo o marmita.
En reactores tipo serpentín, el tiempo de ciclo (tiempo requerido para que el cultivo alcance el punto de desgasificación), la velocidad de circulación, y la longitud del ciclo debe ser cuidadosamente cambiada en relación a la productividad volumétrica esperada para prevenir la acumulación de concentraciones de oxígeno tóxicas. Por ejemplo, en un reactor tubular con un diámetro interno de 2.6 cm. y una velocidad de flujo en el cultivo de 0.3 m/s-1, el tiempo del ciclo no debe exceder de 6 minutos, por lo tanto, la longitud del reactor debe ser menor que 100 m (Torzillo et al., 1997). Para aumentar la longitud del
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reactor es necesario incrementar la velocidad de circulación del cultivo o reducir la relación S/V. Sistemas internos de intercambio de gas (columnas de burbujas) ofrece ventajas a este respecto. A diferencia de los reactores tipo serpentín, en los cuales el oxígeno acumulado durante el ciclo y se remueve solamente en el degasificador, las columnas de burbujas presentan la ventaja que todo el cultivo está sujeto simultáneamente a la acción de desgasificación de aire, las consideraciones del anterior estudio fueron importantes en el planteamiento del diseño del equipo en la presente investigación.
2.5.5. Mezcla
El tipo de dispositivo usado para mezclar y mover la suspensión del cultivo es esencial en el diseño de un fotobioreactor exitoso. La productividad y el costo de construcción y operación de un fotobioreactor son influenciados en gran parte por el tipo de dispositivo usado para mezclar (Ferry et al.,1985). Los efectos beneficiosos que la mezcla tiene sobre el crecimiento y la productividad de los cultivos de masas de microalgas son bien conocidos (Richmond et al., 1990), se debe tener cuidado en los procedimientos usados para la realización del mezclado. Se han utilizado sistemas de burbujeo con aire comprimido los cuales son efectivos ya que no someten a la célula a daño mecánico, también se encuentra el mezclado con dispositivos mecánicos y neumáticos como bombas peristálticas y de diafragma de desplazamiento positivo las cuales han dado buenos resultados cuando se controlan los caudales. Mezclar es necesario para evitar que las células se depositen, para evitar la estratificación termal, para distribuir los alimentos y disipar la difusión de gradientes a la superficie de la célula, para remover el oxígeno fotosintético generado, y, sobretodo, asegurar que todas las células experimentan períodos alternos de luz y de oscuridad. Se ha postulado que las células transportadas rápidamente dentro y fuera de la porción
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iluminada del cultivo podrían tener la ventaja del “efecto de luz intermitente” para incrementar la eficiencia fotosintética, es por ello que estos sistemas se tomaron para el desarrollo del presente estudio.
Se han reportado resultados contradictorios, sin embargo, para fluctuaciones de luz y oscuridad de frecuencia media (es decir, en el orden de segundos a minutos) que prevalece en mezclas de masa de cultivos en lo que concierne a su efecto estimulante sobre la productividad, y el papel verdadero de la tasa de mezcla en la determinación de productividad, todavía continua sin ser clarificado (Richmond et al., 1990, Weissman et al., 1988, Ferry et al., 1985.). Con algunas excepciones, los efectos positivos significativos del mezclado intenso en la productividad de cultivos de masa de algas han sido observados solamente en los estanques de tubería con rueda hidráulica (25.28). Carlozzi y Torzillo (Carlozzi et al., 1996) quienes establecieron un aumento de 30 a 40% de la productividad en el crecimiento de A. platensis en reactores tubulares cuando la velocidad de flujo fue aumentada a partir de la 0.18 a 0.75 m/ s-1. Tredici y Chini Zittelli (Tredici et al., 1992) estudiaron la influencia de la tasa de burbujas en la productividad en A. platensis en placas planas inclinadas, donde la tasa de burbujas más alta realza la productividad proporcionando un régimen de luz más adecuado a las células, así como reducir el nivel del oxígeno en el cultivo. Hu y Richmond (Hu et al., 1996) lograron productividades asombrosamente altas con A. platensis cultivado en placas planas adoptando densidades ultra altas de la célula (más arriba de 15 g L-1) y proporcionando la mezcla a la tasa máxima permisible sin causar daños a la célula. La opción de la intensidad de mezcla y el sistema de mezcla se debe establecer de acuerdo con las características del organismo que se cultivará. A diferencia Chlorella o del alga marina Nannochloropsis, la cual esta dotada con membranas celulares fuertes, los cultivos de cianobacteria filamentosa y los dinoflagellates frágiles no pueden ser mezclados por bombas que someten las
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células a la altos esfuerzos que conducen a la fragmentación de trichomas y a la lisis de la célula. Se ha divulgado que la productividad puede aumentar hasta 75% cuando las bombas son substituidas por los sistemas de puente aéreo (Gudin et al., 1991). Sin embargo, se sabe que aun las burbujas de aire producen cierta tensión en las células en la etapa de formación y desintegración de las burbujas (Torzillo et al., 1997).