1. Fijación de CO2 por medio de comunidades de microalgas del género Chlorella sp. y
Scenedesmus sp. Cultivadas en un fotobiorreactor a escala de laboratorio.
Equipo: Airtec
Integrantes:
Daniel Amaya Zabala
Juan Manuel Cárdenas Vélez
Samuel Jaramillo Martínez
Santiago Correa Estrada
Daniel Santiago Pulgarín Jaramillo
Asesor institucional: William Enrique Pérez Campo
Asesor Sena: Dallany Milena Urrego
I.E Colegio Loyola para la ciencia y la innovación
Medellín
2016
2. Pregunta:
¿Cómo implementar cultivos de Chlorella sp. y Scenedesmus sp. como agente reductor de
CO2 atmosférico por medio de un fotobiorreactor el cual controle las variables como el
fotoperiodo, nutrientes y suministro de CO2?
Objetivo General:
Implementar cultivos de Chlorella sp. y Scenedesmus sp. en un fotobiorreactor vertical
tubular airlift para reducir el CO2.
Objetivos Específicos:
- Aislar y cultivar microalgas del tipo Chlorella sp. y Scenedesmus sp. para la
biorremediación del aire contaminado por CO2.
- Determinar las condiciones adecuadas de cultivo para el crecimiento de las microalgas.
- Diseñar un fotobiorreactor del tipo tubular vertical con sistema de aireación airlift que
supla las necesidades de crecimiento de la comunidad de Chlorella sp. y Scenedesmus sp.
tales como el fotoperiodo, la temperatura, el CO2 y los nutrientes fundamentales de las
microalgas (nitrógeno y fosforo).
- Determinar la reducción de CO2 por la técnica de peso seco observando la calidad de la
biomasa producida dependiendo del porcentaje de CO2 inyectado.
Palabras clave:
- Micro alga
- Fotobiorreactor
- Gases de chimenea
- Chlorella sp.
- Scenedesmus sp.
- Cenobios
- Cepa
- Cultivos
- Comunidad
- Sistema de burbujeo airlift
Descripción de las microalgas usadas
Chlorella sp. : Es un alga verde de forma elipsoidal, la cual crece en forma de células
simples. Pertenece a la división Chlorophyta y a la clase de las Chlorophyceae. Se ha
cultivado de forma intensiva con fines de alimentación y obtención de metabolitos. El
sistema por lote es el más utilizado a gran escala por su bajo riesgo de contaminación y
fácil implementación. Este género ha sido aplicado al tratamiento biológico de aguas
3. residuales, probando su efectividad en la remoción de nitrógeno, fósforo, demanda
química de oxígeno y metales. (Garza et al., 2010)
Scenedesmus sp. : Esta microalga pertenece a la división Chlorophyta, clase
Chlorophyceae, orden Chlorococcales, familia Scenedesmaceae y puede encontrarse
solitaria o en parejas formando cenobios.[7]en la siguiente tabla se puede ver la cantidad
de CO2 tolerado por las especies usadas y algunas otras.
La tolerancia de CO2 de varias especies:
Especies Máxima Concentración de
CO2 Conocida
Referencias
Cyanidium caldarium 100% Seckbach et al., 1971
Scenedesmus sp. 80% Hanagata et al., 1992
Chlorococcum littorale 60% Kodama et al., 1993
Synechococcus elongatus 60% Miyairi, 1997
Euglena gracilis 45% Nakano et al., 1996
Chlorella sp. 40% Hanagata et al., 1992
Eudorina spp. 20% Hanagata et al., 1992
Dunaliella tertiolecta 15% Nagase et al., 1998
Nannochloris sp. 15% Yoshihara et al., 1996
Chlamydomonas sp. 15% Miura et al., 1993
Tetraselmis sp. 14% Matsumoto et al., 1995
Resumen:
La contaminación atmosférica es una gran problemática a nivel mundial debido a la
intervención del hombre en diferentes campos, algunos de los causantes de esta
problemática son los incendios, autos, combustibles fósiles entre otros. Los principales
gases de efecto invernadero son el CO2, CH4, SO, HFCs [1] ,entre otros. Estos gases
provocan el aumento de temperatura en la atmosfera y genera enfermedades
respiratorias, daños ambientales y el derretimiento de los glaciares. Por dicho motivo
pensamos implementar cultivos de las microalgas del tipo Chlorella sp. y Scenedesmus sp.
en un fotobiorreactor a escala laboratorio, el cual podría reducir algunos de estos gases
centrándonos principalmente en el CO2, también se podria utilizar la biomasa producida
por los cultivos con fines comerciales (Se le suministra a personas centradas en la
producción de biodiesel o productos a base de biomasa) Chorella sp. y Scenedesmus sp.
son microalgas muy rentable por el hecho de que la podemos encontrar fácilmente en
nuestra ciudad Medellín y solo requiere agua, luz, CO2 y pequeñas cantidades de
minerales (los fundamentales son el fosforo y el nitrógeno) teóricamente es posible
obtener grandes cantidades de biomasa de la Chlorella sp. y la Scenedesmus sp. posee
muy buena capacidad de absorción de CO2 además de que ambas tienen buenas
capacidades para ambas funciones.
4. Problemática:
El calentamiento global es un serio problema ambiental, el cual se atribuye principalmente
a los gases de efecto invernadero como el metano, ozono troposférico,
clorofluorocarbonos y dióxido de carbono (CO2) [1], este último es considerado el
principal GEI (Gases de Efecto de Invernadero) [8] [9] [10]. Por estos motivos nos vemos
en la obligación de buscar formas para controlar y reducir las emisiones de esta clase de
gases; una de esas alternativas son las microalgas, las cuales absorben gran cantidad de
CO2 y otros gases de efecto invernadero y que tienen la propiedad de mejorar la calidad
de la atmosfera de nuestro planeta. Numerosos estudios se han centrado en el secuestro
del CO2 por parte de las algas, debido al hecho de que las microalgas y cianobacterias
pueden fijar CO2 con una eficiencia entre 10 y 50 veces mejor que las plantas terrestres
[11], por lo tanto vamos a implementar cultivos de las microalgas Chlorella sp. y
Scenedesmus sp. en un fotobiorreactor con sistema de burbujeo airlift a escala de
laboratorio para reducir el CO2.
Justificación:
Hoy en día es innegable la existencia de un cambio climático a nivel planetario, (Brennan
& Owende 2010, Stager 2012) la magnitud de este fenómeno es tal, que forma parte de la
agenda política de los estados y organismos internacionales. (Chiu et al. 2011, Stager
2012). El Cambio climático involucra, entre otros, sequías, inundaciones y/o acidificación
de los océanos, a nivel local y global (Chen et al. 2011, Stager 2012), siendo la actividad
humana la principal responsable, en especial, por la combustión de combustibles fósiles
(Olguín 2003, Chen et al. 2011, Chiu et al. 2011, Stager 2012) el calentamiento es al
menos en parte, una consecuencia del aumento de los gases de efecto invernadero
antropogénicos. GEI provocan un clima global forzando, es decir, una perturbación
impuesta del balance energético de la Tierra con el espacio [14].De ahí surge la idea del
uso de microalgas para reducir GEI las cuales son organismos unicelulares eucariotas
fotosintéticos capaces de transformar la energía luminosa en energía química con una
eficiencia cuatro veces superior a la de las plantas (Abalde, J. y Herrero, C. 2004). La
fijación de CO2 a través de microalgas es un potencial y prometedor método para la
captura y almacenamiento de CO2 (Masakazu y Masahiro, 1997; Naoto y Masahiro, 1997;
Razzak et al.,2013; Zhao y Su, 2014). Durante la fotosíntesis, las microalgas pueden fijar el
dióxido de carbono de diferentes fuentes, incluida la atmósfera, gases industriales de
chimenea y soluciones salinas de carbonato (NaHCO3 y Na2 CO3) [2] .Durante mucho
tiempo se ha invertido grandes cantidades de dinero, para tratar de reducir la
contaminación de los GEI, por esto el equipo Airtec del Colegio Loyola ha decidido realizar
un proyecto en el cual se reduzca el CO2 por medio de un fotobiorreactor tubular airlift
compuesto de cultivos de las microalgas Chlorella sp. y Scenedesmus sp. así dando un
posible aporte a una problemática que ha estado por un longevo tiempo.
5. Marco teórico
Hoy en día es innegable la existencia de un cambio climático a nivel planetario (Brennan &
Owende 2010, Stager 2012). La magnitud de este fenómeno es tal, que forma parte de la
agenda política de los estados y organismos internacionales (Chiu et al. 2011, Stager
2012). Cambio climático involucra, entre otros, sequías, inundaciones y/o acidificación de
los océanos, a nivel local y global (Chen et al. 2011, Stager 2012), siendo la actividad
humana la principal responsable, en especial, por la combustión de combustibles fósiles
(Olguín 2003, Chen et al. 2011, Chiu et al. 2011, Stager 2012), impulsor del 80% de
producción de energía (Chen et al. 2011). Su uso en aplicaciones de biorremediación ha
sido bastante amplio en forma suspendida o inmovilizada, como cepa pura o en asociación
con otros microorganismos no fotosintéticos. (Garza et al, 2010) Las microalgas son
organismos unicelulares eucariotas fotosintéticos capaces de transformar la energía
luminosa en energía química con una eficiencia cuatro veces superior a la de las plantas
(Abalde, J. y Herrero, C. 2004). También son microorganismos con el metabolismo
fotosintético que crecen rápido, generar valiosos metabolitos primarios y secundarios, y
se cosechan fácilmente [14].Las microalgas, además de los procariotas como las especies
de cianobacterias tienen la fotosíntesis oxigénica para la fijación de CO2 como macroalgas
y plantas [11]. Pueden tener clorofila a y ficobiliproteınas que están involucrados en la
recolección de energía de luz, permitiendo así la capacidad fotosintética para la
producción de biomasa .IAdemás de la fotosíntesis, muestran un versátil mecanismos de
metabolismo y una gran capacidad de adaptación, tales como la respiración y la fijación
de nitrógeno, la adaptación cromática y la capacidad para simbiosis con levadura, hongos,
células bacterianas y de plantas [15].Además de CO2 y luz, las algas necesitan ciertos
nutrientes para crecer, entre los más importantes destacan el nitrógeno y el fósforo. Éstos
pueden ser suministrados en forma de fertilizantes agrícolas (simples), que suelen estar
disponibles, pero también pueden suponer un factor de costo significativo (CHISTI, 2008).
Algunos productos de combustión tales como NOx o SOx se pueden utilizar eficazmente
como nutrientes para microalgas. Esto podría simplificar el lavado de gases de combustión
para el sistema de combustión [3]. El nitrógeno es el nutriente más importante para las
microalgas (después del carbono) y se incorpora como nitrato (NO3-) o como amonio
(NH4+) (Grobbelaar 2004, Martínez 2008, Abdel-Raouf et al. 2012). El fósforo es
fundamental en muchos procesos celulares, tales como la formación de ácidos nucleicos y
transferencia de energía (Grobbelaar 2004) otra variante fundamental en el cultivo de
microalgas es la temperatura, las algas que vamos a usar pertenecen a las clorofíceas esta
pueden soportar altas temperaturas; un ejemplo es el cultivo masivo a la intemperie
de Chlorella saccharophila, cuyas temperaturas oscilan entre 12.5 – 30°C (Hirata et al.,
1974, 1975, 1977; Torrentera, 1983).
Fotobiorreactores
Hay dos tipos de fotobiorreactores de gran escala los sistemas abiertos y cerrados. Los
sistemas abiertos se pueden construir más fácilmente, son más económicos y
relativamente simple en relación con los sistemas cerrados. Entre los diferentes tipos de
6. sistemas abiertos diseñados, el más popular es el estanque de la pista de rodadura
(raceway pound). Sin embargo, los sistemas abiertos tienen algunas desventajas en el
control de parámetros tales como la disponibilidad de la luz, la agitación, el pH, la
temperatura, la evaporación del agua, pérdida de CO2, y grandes áreas de las necesidades
de tierra (Brennan & Owende 2010). El uso de sistemas abiertos para el secuestro del CO2
no es adecuado, ya que el tiempo de retención de CO2 en éstos es baja debido a la rápida
evaporación. Esto hace que la microalga no tienen el tiempo necesario para la captura de
CO2, por lo tanto, la productividad en términos de biomasa y bioproductos son bajos. Por
otra parte, la susceptibilidad a la contaminación del sistema hace que sólo es adecuado
para un pequeño número de microalgas que toleran condiciones ambientales extremas y
por lo tanto que puede competir con otras especies [16, 17, 18]. A pesar del desarrollode
diferentesfotobiorreactores,pocosutilizanefectivamente laluzsolarcomoenergíapara el cultivo
microbiano. Unproblemafrecuente endiseñode fotobiorreactoreseslaprovisiónóptimade
energíasolaral aire libre,que todaslascélulastenganlamismaexposiciónde luz,suministraruna
relaciónáreasuperficial/volumen(S/V)grande,que ocupe menosespacioterrestre,rápida
transferenciade masayque logre una mayor productividad (Janssenetal.,2000). El suministrode
luzen sistemasabiertosocerradosde cultivode microalgasocianobacterias ,lafuente de luzyla
intensidadde energíasonfactoresque afectansudesarrolloycrecimiento.Encultivosde sistemas
abiertos,laluzsolaresla principal fuente de energía;mientrasque parasistemasde cultivo
cerradoshay diferentesfuentesluminosasautilizarcomo:Lámparasde tungstenoohalógeno,
diodosemisoresde luz(LED),lámparasfluorescentes,fibraópticayláser.Estossistemasde
energíaencarecenel diseñodel fotobiorreactor (Janssenetal.,2000). La intensidadde luzpuede
afectarse porfactorescomo: Distanciaentre laenergíalumínicay el fotobiorreactor,geometría
del fotobiorreactor,longitudde onda,aumentode concentracióncelular,formaciónde
biopelículasenlasparedesyformaciónde productos,provocandodebidoaefecto de sombreado
la formaciónde doszonas(Oscura e iluminada).Enlazonailuminada,lascélulassonexpuestasa
la luznecesariaparaproducirfotosíntesis;enlazonaoscura lascélulasrecibenpocaocasi nada de
luzpara su metabolismo (Janssenetal., 2000). El fotoperiodoal que se somete el cultivotambién
esimportante enel diseñodel procesoyaque lafotosíntesisconllevareaccionesde luzy
oscuridad.La duraciónde ciclosluz/oscuridadsondeterminantesenel desarrollode
fotobiorreactoresparaserconsideradoenlaproducciónde biomasayenlaabsorcióndel CO2 .
(Jacob-Lopesetal. 2009)
Suministrode CO2
La fuente de carbonousual parael cultivofotosintético de cianobacteriasesel gasCO2 o su forma
disueltabicarbonato(HCO3-) difundidoenel mediode cultivo.Auncuandoel mediode cultivo
esté bienmezclado,lasimple difusióndel CO2 del aire enel aguanoes suficienteparareemplazar
el consumido porlosmicroorganismos.El CO2 esgeneralmente introducidoal fotobioreactorpor
inyeccióncontinuaointermitenteenlaparte inferiordel recipiente,el suministrode CO2 en
algunascianobacteriasproduce unincrementode biomasa,sinembargo,asuvezdepende de
muchosparámetrosque incluyenlalentavelocidadde difusióndel CO2enel mediolíquido,pH,
turbulencia,temperaturasydensidadescelulares (Jaiswal yKashyap, 2002).
7. Los límitesmáximosymínimosde CO2 necesariosnoestánbiendefinidosperoenlaprácticase
usa comúnmente aireacióncon5-15% de CO2 , aunque estovaríaen relaciónala cepa microbiana
(Jaiswal y Kashyap, 2002). En el diseñode fotobiorreactoreshay sistemasde aspersióny
mezcladoque permitaque lasburbujasde gasse retenganel tiemposuficienteparaserabsorbido
enel mediolíquido,peroel gasenburbujasmuyfinas,debidoasulargo tiempode residenciaen
el fluido,alcanzaráel equilibrioconel líquidoyporlo tantocontribuirápocoa latransferenciade
masa (Markou y Georgakakis,2011). Entre lossistemasmáscomúnmente utilizadosse
encuentranlaalimentacióndirectadel gasencolumnasde burbujeooreactoresairlift (Chenet
al., 2011).
Acumulaciónde oxígeno
El oxígenoesunproducto de la fotosíntesis,cuandoquedaatrapadoenel mediode cultivocausa
un efectotóxicoreduciendolaeficienciafotosintética,generandoinhibicióndel crecimiento
inclusoaconcentracionesaltasde CO2 . Por esto,se necesitaunsistemaeficazde desgasificación
para removerel oxígenoformado.Laacumulaciónde oxígenoesunserioproblemaen
fotobiorreactoresque tienenunpobre intercambiode gascomolos sistemastubularesdispuesto
de forma horizontal.El problemade acumulaciónde oxígenoaumentacuandounfotobiorreactor
tubularhelicoidalsufre escalamientoenel sistemade iluminación.Porlotanto,esnecesariotener
una unidadseparadade desgasificación,enmuchasoportunidadesestaunidadpuede estar
acopladocon el sistemade inyecciónairlift (Solettoetal.,2008), yaque lainyecciónde gasdesde
Fotobiorreactor:Herramientaparacultivode cianobacteriasel fondodel fotobiorreactorfavorece
el mezclado,suministrasuficiente CO2 ydependiendode laalturadel fotobiorreactor,se lograuna
eficienteremociónde oxígenodisueltoenel medio.Laremociónde excesode oxígenoesun
problemade transferenciade masa parecidoal de suministrode CO2 , lasprincipalesformasde
controlareste fenómenoson:Disminuirlapresiónde oxígeno,mayoragitaciónyaltas
temperaturas.Unasoluciónal problemaesaumentarlaturbulenciadel medio.Poresto,
fotobiorreactoresde tanque agitadoyvertical,seríanmásconvenientes.Conel aumentoenla
velocidaddel líquido,que depende de laentradadel gas,laconcentraciónde oxígenodisuelto
disminuye,mejorandolaproducciónde biomasaaunque,muchavelocidadpodríaocasionardaño
y muerte celular(Barbosaet al., 2003).
Fotobiorreactor tubular airlift
Los reactorestipoAirliftsonunavariaciónde losreactorestubulares.Laprincipal diferenciaentre
losreactoresAirliftylascolumnasde burbujeoradicaenel tipode flujodel fluidoomezclagas-
líquido.Enla columnade burbujeooenel FBR tubular,no se controlael patrón generadoporla
interacciónentre el gasy el líquido.Porel contrario,en losreactorestipoAirlift(ARL),diseñoque
cuentacon dos tubosconcéntricos,el cilindrointeriorriserpermitecanalizarel flujode aire ypor
lotanto de la mezclagas-líquido,generándose flujoascendente.El cilindroexternodowncomer,
generaunespaciopara el flujodescendentedel líquidoposteriorasu desgasificación.Enotras
palabras,losprocesosde transferenciade luzytransferenciade masase dande formaseparada
enel FBR-ARL. [20]
8. Materiales y métodos:
1. Estandarización de las condiciones del cultivo a escala de laboratorio
La muestras de agua fueron recolectadas en 2 frascos schott tapa rosca de 1000ml
y tres de 500ml llenados hasta el tope en el lago del Parque Norte ubicado en el
departamento de Antioquia, sellados herméticamente y transportados en neveras
refrigerantes para mantener una temperatura menor a 18 ° centígrados y
protegerlas de la luz para que las microalgas no se estresen mucho durante su
proceso de transporte hasta el laboratorio de Biotecnología de la Tecno Academia-
Sena ubicado en el barrio Toscana, las muestras serán depositadas en medio de
cultivo, el cual será CHU 13 que incluye minerales esenciales y los elementos que
son necesarios para el crecimiento de algas, pero no incluye una fuente de
carbono y por lo tanto sólo es apropiado para el crecimiento de autótrofas[5]por lo
tanto es bueno para nuestras microalgas . Se puede preparar ya sea como un
medio líquido o como un medio de agar.
[6]Medio de CHU 13 modificado, 1 litro:
Componentes mg/L
KNO 400
KHPO 80
CaCl dihidrato 107
MgSO heptahidrato 200
Citrato Ferrico 20
Ácido Cítrico 100
CoCl 0.02
HBO 5.72
MnCl tetrahidrato 3.62
ZnSO heptahidrato 0.44
CuSO pentahidrato 0.16
9. NaMoO 0.084
0.072 N HSO 1 gota
Luego serán transferidos a 3 Erlenmeyer de 1000 ml y un frasco de vidrio, a los Erlenmeyer
1,2 y 3 de 1000 ml se le agregaron:
820 ml.De agua desionizada
1ml. De la soluciónmadre 1,2 y 3
2ml. De la soluciónmadre 4,5 y 6
4g. de bicarbonatode sodio
167 ml.De muestra.
Al Frasco de vidriode 3000 ml se le agrego:
2500 ml.De agua desionizada
500 ml.De muestra
12g. de bicarbonatode sodio
3ml. De la soluciónmadre 1,2 y 3
6ml. De la soluciónmadre 4,5 y 6
Y finalmente el control negativo (Erlenmeyerde 250 ml. Fue preparadocon:
200 ml.De agua desionizada
250 uL. De la soluciónmadre 1,2 y 3
500 uL. De la soluciónmadre 4,5 y 6
10. 1. Aislamiento y purificación de las comunidades de microalgas
Para este paso se utilizara el método de diluciones seriadas, para este método se toma
1ml de la muestra original y se agrega a un tubo de ensayo que contiene 9ml de medio de
cultivo estéril, se homogeniza y luego se agrega 1ml a un segundo tubo con 9ml de medio,
se homogeniza y así sucesivamente. El número de diluciones depende de la concentración
de la Chlorella sp. y Scenedesmus sp. que se pretende aislar.
Al finalizar esto utilizaremos el método de placas de agar, varias especies de microalgas se
pueden aislar mediante la técnica de rayado en estrías en una caja Petri con agar.
(Hoshaw y Rosowski, 1973; Andersen y Kawachi, 2005) Esta técnica la usaremos para
distinguir las características morfológicas de las microalgas.
Para este se prepara con un litro de agua desionizada, donde se suministran los nutrientes
correspondientes (2ml/l) junto con 15g de agar y se esteriliza en autoclave.
Posteriormente, se deja a temperatura ambiente y antes de que solidifique se vacía en
cajas de Petri estériles, ayudándose de un mechero bajo un cerco estéril para eliminar
contaminación. Se dejan enfriar por 24 horas antes de sembrar. La siembra consiste en
tomar una muestra de la especie a inocular (una o dos gotas) con un asa para
bacteriología o con una varilla de vidrio doblada, previamente esterilizada y efectuar un
barrido en forma de rayado dentro del medio de la caja de Petri. La caja se cubre con su
tapa, se invierte y se coloca en un ambiente con temperatura y luz controladas, se incuba
durante 4 a 8 días y posteriormente se observa al microscopio y/o estereoscopio y con la
ayuda del asa se seleccionan las colonias libres de otros microorganismos, y se transfieren
a otra caja de Petri. Todo este proceso es bajo un estricto control de higiene y en un
medio estéril. Esta actividad se realiza las veces que sea necesario hasta asegurar el éxito
del aislamiento de un solo tipo de microalga y para lograrlo con mayor seguridad se
recomienda utilizar esta técnica en combinación con las diluciones seriadas que se indicó
anteriormente. [4]
2. Diseño fotobiorreactor.
3. Inoculación de las microalgas en el fotobiorreactor.
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