En esta presentación se responde al siguiente planteamiento: ¿Cuál modelo matemático sirve para caracterizar un crecimiento celular sostenido de las microalgas en diversos tipos y escalas de fotobiorreactores, así como en diferentes condiciones ambientales?

1. Control de crecimiento celular en fotobiorreactores
Juan Pablo Ramírez Galvis. Consultor en Biogestión, NBIC y Gerencia Ambiental/de la Calidad.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1947-5589 jramirezg10@ucentral.edu.co
I-2020
Maestría en Bioingeniería y
Nanotecnología
Asignatura:
Conceptos de Bioingeniería

2. Agenda
2
Datos generales de la investigación dd. 3-4
Marco teórico dd. 5-7
Diseño del bioproceso dd. 8-12
Resultados y análisis dd. 13-16
Conclusiones d. 17

3. Sobre el artículo y los autores
https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2019.03.003
Christina Evi Pfaffinger, Timm Steffen Severin,
Andreas Christoph Apel, Johanna Göbel, Julia
Sauter, Dirk Weuster-Botz.
Universidad Técnica de Munich, Instituto de
Ingeniería Bioquímica, Garching, Alemania
3

4. Constructo de la investigación
4
OBJETIVO GENERAL
Formular un modelo matemático para cuantificar el escalamiento de un fotobiorreactor desde el laboratorio hacia
un nivel piloto, manteniendo la tasa de crecimiento de microalgas que son objeto de producción de biodiesel.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Comparar las condiciones óptimas de operación entre dos tipos de fotobiorreactores: elevación de gas de placa
plana (PBR) y en cascada de capa fina abierta (TLC).
2. Demostrar la importancia del cálculo de la densidad de flujo de fotones integral media para hacer un
escalamiento de los fotobiorreactores desde el batch de laboratorio hasta el continuo a nivel piloto.
3. Determinar el comportamiento de las cepas de microalgas Nannochloropsis salina y Nannochloropsis gaditana
frente a las condiciones experimentales otorgadas.
PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿Cuál modelo matemático sirve para caracterizar un crecimiento celular sostenido de las microalgas en diversos
tipos y escalas de fotobiorreactores, así como en diferentes condiciones ambientales?

5. Biomasa utilizada
5
Imagen Nombre Taxonómico Características
Nannochloropsis salina
Es una microalga marina que se
ha convertido en un objetivo
biotecnológico por su alta
capacidad para producir ácidos
grasos poliinsaturados y
triacilgliceroles. Se ha utilizado
como fuente de biocombustible,
pigmentos y complementos
alimenticios, como el Omega 3.
Nannochloropsis
gaditana
Es una especie que en su
mayoría ha sido conocida en el
medio marino, pero también se
produce en el agua dulce y
salobre. Todas las especies son
pequeñas esferas, no móviles y
se caracterizan por tener una
pared celular resistente. Tiene
un tamaño de 2 micras.

6. Fotobiorreactores empleados
6
De elevación de gas de placa plana
(PBR) que se usa a escala laboratorio.
Tanque agitado con bucle interno, alta
relación área/volumen y alimentación
CO2 desde la parte inferior.
En cascada de capa fina abierta (TLC) para
escala piloto. La suspensión de microalgas
circula con una bomba centrífuga acoplada
magnéticamente. La inyección de CO2
puede funcionar en continuo.

7. Características fotobiorreactores
7
NOTA 1: El TLC fue instalado en el TUM AlgaeTec Center, en Ottobrunn cerca de
Munich, Alemania. Ello, controlando variables de luz, temperatura del aire y humedad
del aire.
NOTA 2: El tipo de bioproceso es bajo condiciones de fotosíntesis.

8. Condiciones de cultivo TLC
8
Vc = 2,4 L s −1
Cal biomasa = 0.07 g L−1
L = 4,6 m
λ = 400–700 nm
Df = 500 μmol m-2 s-1
Df max = 1900 μmol m-2 s −1
Temperatura = 20oC – 39oC
pH = 8,5
NOTA 1: La Df max solo se puede alcanzar con la luz
LED artificial simuladora (FutureLED, Berlin, Germany)
NOTA 2: El CO2 se agregó usando una manguera
perforada lo que sirve para aumentar el pH (Solvocarb,
Linde, Pullach, Germany).
NOTA 3: La irradiación incidente se midió 5 cm por
encima de cada ventana por uso de un espectroradiómetro
(W·m−2·nm−1) (Flame-T, Ocean Optics Inc., Florida, EE.
UU.).
NOTA 4: Donadores e- son H20 y CO2. Receptor
principal es N2.
NOTA 5: La evaporación se compensó con agua del grifo
y el agotamiento de nutrientes adicionando en continuo
más medio de cultivo ASW en una proporción de 1L
(excluyendo NaCl, MgSO4 y CaCl2) en tanto el nitrógeno
caiga por debajo de 2 g L-1
Variables transferencia de calor y de masa
Composición del medio de cultivo “agua de
mar artificial modificada” (ASW)
27.0 g L−1 NaCl,
6.6 g L−1 MgSO4 7 H2O
1.5 g L−1 CaCl2 2 H2O
5.0 g L−1 KNO3,
70 mg L−1 KH2PO4
14 mg L−1 FeCl3 6 H2O
19 mg L−1 Na2EDTA
1.0 mL L−1 solución de
oligoelementos

9. Resumen del bioproceso
9

10. Densidad de flujo de fotones integral media
10
Ley Lambert-Beer donde:
I0 – Densidad del flujo de fotones
incidente (medida en la superficie del
biorreactor y que se contrarresta con la
densidad de biomasa que enturbia la
suspensión).
l – Espesor de la capa de suspensión
(sombras entre las mismas células).
Cx – Concentración de la biomasa
ɛ - Coeficiente específico de extinción
(cuán fuertemente una sustancia
absorbe la luz a una longitud de onda
dada por unidad de masa o por
concentración molar).
L – Espesor de la capa en el
fotobiorreactor (incluye otros
fenómenos de atenuación como la
reflectividad, absortividad y
dispersión).
I (cx,l) – Atenuación de la luz dada
la suspensión en esa capa según la
Ley Lambert-Beer.
I* = Promedio de la irradiación
recibida por cada célula individual.
Considerando el bucle de
realimentación negativa entre
concentración (fase exponencial) y
atenuación

11. Crecimiento versus irradiación
11
Donde:
µmax - tasa máxima de crecimiento específico a irradiaciones infinitamente
altas, sin tener en cuenta la fotoinhibición.
Ks – Constante de saturación
Ki – Constante de inhibición
Con Ks < Ki
φ - factor de sensibilidad adimensional (pendiente de zona fotoinhibida por la
cinética de crecimiento celular, que a su vez permite la predicción en
condiciones de luz excesiva).

12. Fenómeno representado
12
Las gráficas muestran la atenuación de la luz I0 por Ley
Lambert-Beer que da cuenta también de la transmisión L en el
lado que evita la luz en el fotobiorreactor. I* se considera como
el promedio de la irradiación que llega a todas y cada una de las
células de microalgas.

13. Resultados (I)
13
Las partes en gris muestran los segmentos en donde se calculó las
densidades de flujo de fotones integrales medias y las tasas de
crecimiento correspondientes. Efectivamente el crecimiento depende
del promedio de irradiación de luz en el fotobiorreactor.

14. Resultados (II)
14
El éxito en el crecimiento se dio hasta una irradiación de 1000 μmol m−2 s
−1 . En el PBR se observaron mayores variaciones entre el lado claro y
oscuro en el fotobiorreactor (dado el mayor espesor de la concentración
de 2 cm versus 0,6 cm).

15. Resultados (III)
15
• Cálculos en condiciones climáticas dinámicas
intradía y multidía: después de 14 días se
produjeron 33 g L-1 de biomasa alcanzando
una productividad específica de
aproximadamente 17 g m − 2 d – 1
• Valores máximos de las tasas de crecimiento
fueron: μmulti day = 0.023 ± 0.002 h−1
(primeros 7 días) y μintra day = 0.065 ± 0.001
h−1 (día 3).
• Luego del día 7 el crecimiento celular generó
tanta atenuación que se empezó a limitar el
crecimiento exponencial. La intermitencia de
las gráficas inferiores muestran el bucle de
realimentación negativa.

16. Resultados (IV)
16
En esta gráfica se muestra el crecimiento específico intradía
como una función de la densidad de flujo de fotones integral
media de la Nannochloropsis salina en PBR en negro y en TLC
en blanco. Se muestra que el pico se encuentra a una I** de 500
– 700 μmol m-2 s −1

17. Conclusiones
17
1. El fotobiorreactor en cascada de capa fina abierta (TLC) demostró ser una solución efectiva para el
cultivo de microalgas a escala piloto (industrial). Asimismo, se encontró que las condiciones de
irradiación óptima esta en el intervalo de I** de 500 – 700 μmol m-2 s −1 dado el bucle de
realimentación negativa entre crecimiento celular y densidad fotónica promedio captada.
2. El cálculo de la densidad de flujo de fotones integral media, efectivamente es un indicador de control
de crecimiento celular en fotobiorreactores de cualquier tipo, pues incluye los factores de atenuación
como la reflectividad, absortividad y dispersión. De igual manera, ésta métrica exhibió
reproducibilidad.
3. La cepa de microalgas con mejor respuesta de crecimiento exponencial frente a las condiciones de alta
irradiación fue Nannochloropsis salina. Es decir que, constituye una biomasa importante para mejorar
los rendimientos en la obtención de biodiesel a gran escala.