Captura de CO2 mediante un consorcio de microalgas aisladas de lixiviados de vertedero con fotobiorreactores de columna

  El biogás es una fuente de energía renovable muy interesante. No obstante, para su aprovechamiento es necesario su desulfuración, y a veces un ajuste de la concentración de metano (CH4), mediante la reducción de la concentración de CO2. Esta eliminación o captura de CO2 puede ser realizada por métodos biológicos, siendo las microalgas los microorganismos más usados, dada su alta capacidad de asimilación de CO2.

   En el presente estudio se ha aislado un consorcio de microalgas de lixiviados de vertederos para estudiar el efecto de la concentración de CO2 sobre su crecimiento. Se instalaron dos fotobiorreactores de columna con un diámetro interior de 100 mm y volumen de trabajo de 8 L.

Saldarriaga, L. F1,2, Ramírez, M.1, Almenglo, F., Gómez J.M, Cantero, D1

1 Departamento de Ingeniería Química y Tecnología de Alimento. Facultad de Ciencias. Universidad de Cádiz. Instituto Universitario de Investigación Vitivinícola y Agroalimentario (IVAGRO). Av. República Saharaui S/N. 11510 Puerto Real, Cádiz, Spain
2 Departamento de Química. Universidad del Atlántico. Km 8. Vía Puerto Colombia, Colombia.
* martin.ramirez@uca.es

   Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

   Editor académico: Carlos N Díaz.

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   Cita:  Saldarriaga, L.F.; Ramírez, M.; Almenglo, F.; Gómez J.M.; Cantero, D.; 2017, Captura de CO2 mediante un consorcio de microalgas aisladas de lixiviados de vertedero con fotobiorreactores de columna, IV Conferencia Internacional sobres gestión de Olores y COVs en el Medio Ambiente, Valladolid, España, www.olores.org

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   ISBN: 978-84-697-7359-8

   Palabras clave:  Modelo cinético, amonio, nitrato, Nannochloropsis

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Resumen

  El biogás es una fuente de energía renovable muy interesante. No obstante, para su aprovechamiento es necesario su desulfuración, y a veces un ajuste de la concentración de metano (CH4), mediante la reducción de la concentración de CO2. Esta eliminación o captura de CO2 puede ser realizada por métodos biológicos, siendo las microalgas los microorganismos más usados, dada su alta capacidad de asimilación de CO2.

   No obstante, altas concentraciones de CO2 inhiben el crecimiento de las microalgas, lo cual dificulta su aplicación. En el presente estudio se ha aislado un consorcio de microalgas de lixiviados de vertederos para estudiar el efecto de la concentración de CO2 sobre su crecimiento. Se instalaron dos fotobiorreactores de columna con un diámetro interior de 100 mm y volumen de trabajo de 8 L.

   Se estudió el efecto de la concentración de CO2 (5, 10, 20 y 30% v/v) manteniendo constante el caudal total de aire a 0,1 vvm. Se empleó medio de cultivo Combo, enriquecido 5 veces en nitrógeno (50% N-NH4+ y 50% N-NO3-). Las máximas concentraciones de biomasa alcanzadas al cabo de 17 días fueron de 1,71, 1,53, 1.11 y 0.60 g/L para 5, 10, 20 y 30% v/v de CO2, respectivamente. La máxima velocidad de consumo de amonio y nitrato se alcanzó al 5% v/v de CO2 siendo de 11.4 mg N-NH4+/L/d y 7.9 mg N-NO3- /L/d.

 

1. Introducción

   El biogás de vertedero es una fuente interesante de energía renovable que permite disminuir la dependencia de la sociedad actual hacia el consumo de combustibles fósiles, además de disminuir las emisiones de metano (CH4) a la atmosfera. De entre los tipos de biogás generados, el biogás de vertedero es que se produce en mayor volumen y el que tiene una menor concentración de CH4 y mayor de CO2 (Ramírez et al 2015). Para un mejor aprovechamiento del biogás resulta de interés disminuir la concentración de CO2, para su enriquecimiento en metano, lo cual permite su uso como combustible para vehículos o la inyección en redes de gas natural (Ramírez et al. 2015).

   Para la eliminación del CO2 ha crecido el interés en los últimos años de implementar tecnologías que emplean microalgas debido a su elevada capacidad de asimilación de CO2. Además, la biomasa generada puede emplearse para la obtención de productos de valor añadido como biocombustibles (biohidrógeno, biodiesel, metano), fertilizantes, polímeros, extractos proteicos y pigmentos (Shen, 2014).

   Se han desarrollado numerosas investigaciones con el objetivo de la revalorización del biogás mediante su enriquecimiento en metano empleando microalgas para disminuir el contenido de CO2 analizando diferentes variables como pH, luz, temperatura, tipo de microalgas y tipo de biorreactores. Estas investigaciones han logrado incrementar la concentración de metano a valores que oscilan entre 70 y 97% (Kao et al. 2012a, Meier et al. 2015).

   El objetivo del presente trabajo fue aislar un consorcio de microalgas de lixiviados de vertedero para evaluar el efecto de diferentes concentraciones de CO2 sobre el crecimiento de biomasa y las velocidades de consumo de nitrógeno en sus formas amonio y nitrato como nutriente para posterior uso en un fotobiorreactor para capturar el CO2 de un efluente de biogás.

 

2. Materiales y métodos

 2.1 Aislamiento de un consorcio de microalgas a partir de lixiviados de vertedero

   Para el aislamiento de microalgas, se utilizaron muestras de lixiviados procedentes del vertedero de residuos sólidos urbanos del complejo medio ambiental Miramundo los Hardales de la provincia de Cádiz (España). El muestreo se llevó a cabo en cuatro balsas, tomando un volumen total de 2 L.

   En el proceso de aislamiento se emplearon 4 matraces Erlenmeyer de 1L con 0,5 L de medio de nutrientes medio Combo (Kilham et al. 1998) enriquecido 5 veces en nitrógeno y fósforo en los que se inocularon las muestras de lixiviado al 5% en volumen. El medio se alimentó con aire enriquecido en CO2 al 5% mediante burbujeo (caudal de 0,2 vvm). Se aplicó iluminación artificial con lámparas de tipo LED a una intensidad de 180 µmol cm−2 s−1 y un ciclo de luz/oscuridad 12:12. Cada 7 días un 30 % del medio fue remplazado por medio nuevo.

 

 2.2 Efecto de la concentración de CO2 en el crecimiento de la biomasa y bioasimilación de nutrientes

   Los experimentos se realizaron en fotobiorreactores de columna de borboteo construido (FBRs) en polimetilmetacrilato de 100 cm de alto y 10 cm de diámetro, para un volumen de trabajo de 8 L. Se estudió el efecto de la concentración de CO2 a 5, 10, 20 y 30 % v/v y con un caudal total de aire de 0,1 vvm. Para la iluminación se usaron 7 lámparas LED dispuestas en forma vertical con intensidad lumínica de 220 µmol cm−2 s−1 y periodos de luz/oscuridad 12:12, la temperatura se mantuvo constante en 20±1°C empleando un sistema de refrigeración LAUDA Alpha RA-8. Para el cultivo se empleó medio Combo enriquecido 5 veces en fosforo y nitrógeno. En el caso del nitrógeno se empleó un 50% en forma de N-NH4+ y 50% en forma de N-NO3-. Los FBRs fueron inoculados con el consorcio de microalgas a una concentración inicial de biomasa del orden de 80 mg/L.

   La evolución de la biomasa se midió diariamente por densidad óptica a 680 nm en un espectrofotómetro UV/Vis Spectroquant Pharo 300. El peso seco de se calculó usando una curva de calibración entre peso seco y densidad óptica de biomasa (Clesceri et al. 2005). Los parámetros cinéticos fueron calculados usando el modelo logístico de Verhulst (ec. 1) (Arbit et al. 2014).

formula saldarriaga1

(Ec. 1)

 

   El pH, el oxígeno disuelto y la temperatura fueron registrados en un Multimeter 44 Crison y los datos son registrados y almacenados en un software de adquisición de datos LabView® 2016 (National InstrumentsTM, USA). La evolución del nitrógeno en forma de N-NH4+ y N-NO3- para la bioasimilación de nutrientes fueron analizados diariamente mediante cromatografía iónica (Metrohm, 930 Compact IC Flex, Suiza).

 

3. Resultados y discusión

 3.1 Aislamiento del consorcio de microalgas a partir de lixiviados

   Del cultivo de lixiviados al 5% en el medio Combo, se logró aislar un consorcio de microalgas, que según la caracterización morfológica realizada visualmente en un microscopio óptico se determinó que pertenece al género Nannochlorosis. Las microalgas de este género se desarrollan principalmente en ambientes marinos y son consideradas altamente eficientes en producción de lípidos del orden de 37-60% (Ma et al. 2016, Ma et al. 2014). La aparición de este género de microalgas en los lixiviados puede ser debido al carácter altamente alcalino y salino que predomina en los lixiviados estudiados.

 3.2 Efecto de la concentración de CO2 en el crecimiento de la biomasa y la bioasimilación de nutrientes

   La figura 1 muestra el crecimiento de la biomasa del consorcio inoculado a diferentes concentraciones de CO2 y el ajuste del modelo matemático realizado. De los resultados obtenidos se pudo apreciar que el crecimiento de la biomasa fue superior a concentraciones de CO2 del 5 % y 10%, 1,71 y 1,53 g/L, respectivamente. A concentraciones superiores de 20% y 30% se evidenció el efecto inhibitorio, alcanzándose una menor concentración de biomasa, de 1,11 y 0,60 g/L, respectivamente. El efecto inhibitorio por efecto de concentraciones elevadas CO2 está ampliamente documentada en varios trabajos (Singh et al. 2014). Por ejemplo, las especies de Nanochlorosis sp. pueden crecer bien a concentraciones inferiores al 15%, mientras que cepas de Chlorella aisladas de aguas termales han mostrado velocidad específica de crecimiento de hasta 0,24 h-1 a 40ºC con un 40% de CO2 (Sakai et al. 1995). La Tabla 1 muestra las productividades de biomasa alcanzadas (Po), así como los parámetros cinéticos calculados (Xmax y μmax).

 Tabla 1. Parámetros observados y obtenidos por el modelo a diferentes concentraciones de CO2

% CO2

Xmax* (g/L)

Xmax** (g/L)

µmax ** (d-1)

Po (g/L/d)

5

1,71

1,75

0,18

0,10

10

1,53

1,62

0,17

0,09

20

1,11

1,23

0,14

0,06

30

0,60

0,76

0,13

0,04

 *o observada, ** modelo

   El porcentaje de reducción de la velocidad especifica de crecimiento fue solo del 27% al incrementar la concentración de CO2 del 5 al 30%. Con respecto al porcentaje de captura de CO2 el máximo valor se alcanzó para un 5% de CO2 siendo del 43.5% y de hasta un 33% al 30% de CO2. Estos valores podrían parecer bajos, pero es importante destacar que la mezcla de aire se alimentó de forma ininterrumpida, por lo que el uso de estrategias de control como las empleadas por Kao et al. (2012b) mediante ciclos de alimentación de gas y aire alternativos o controlados por el pH podrían permitir altas capacidades de eliminación de CO2.

   La figura 2 muestra la bioasimilación del nitrógeno en sus formas de amonio y nitrato. La máxima velocidad de consumo de ambos se alcanzó al 5% v/v de CO2, con un valor de 11,4 y 7,9 mg/L/d respectivamente. Se pudo apreciar que el consorcio de microalgas a cualquiera de las concentraciones de CO2 estudiadas mostró preferencia por el N-NH4+ como nutriente. Ruiz et al. (2011) obtuvieron una máxima velocidad de consumo de N-NH4+ de 6,3 mg/L/d para Chlorella vulgaris en tratamiento de aguas residuales. La asimilación de amonio fue netamente biológica, habiéndose comprobado mediante experimentos abióticos la no desorción del amonio al trabajar a un pH (entre 5.3-6.5) lejos del pKa del amonio (9,259).

IMAGEN SALDARRIAGA
Fig. 1. Efecto de la concentración de CO2 en la producción de la biomasa

 

imagen saldarriaga4
Fig. 2. Bioasimilación de N-NH4 (a) y, (b) N-NO3- respecto a la concentración de CO2

 

4.Conclusiones

   Es posible aislar de lixiviados de vertedero un consorcio de microalgas capaz de crecer en un rango de concentraciones de CO2 del 5 al 30%. A pesar que existe un efecto inhibitorio al aumentar la concentración de CO2, el cultivo alcanzó una máxima concentración de biomasa de 1,8 g/L al 5% de CO2. A diferentes concentraciones de CO2 el consorcio de microalgas asimiló completamente las diferentes formas de nitrógeno (amonio y nitrato), se presentó preferencia hacia el consumo de amonio, aspecto importante a tener en cuenta dada la alta concentración de amonio presente en los lixiviados y que pueden ser utilizados como nutrientes para la generación de biomasa.

 

5. Referencias

  Arbib, Z., Ruiz, J., Alvarez-Diaz, P., Garrido-Pérez, C., & Perales, J. A. (2014). Capability of different microalgae species for phytoremediation processes: wastewater tertiary treatment, CO2 bio-fixation and low cost biofuels production. Water Res, 49, 465–474.

   Clesceri, L., Greenberg, A y Trussell, R. APHA-AWWA-WEF (2005) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21th Edition., Washington DC

   Kao, C.-Y., Chiu, S.-Y., Huang, T.-T., Dai, L., Hsu, L.-K., & Lin, C.-S. (2012a). Ability of a mutant strain of the microalga Chlorella sp. to capture carbon dioxide for biogas upgrading. Applied Energy, 93, 176–183.

   Kao, C.-Y., Chiu, S.-Y., Huang, T.-T., Dai, L., Wang, G.-H., Tseng, C.-P., Chen, C.-H., Lin, C.-S. (2012b). A mutant strain of microalga Chlorella sp. for the carbon dioxide capture from biogas. Biomass Bioenergy 36, 132–140.

   Kilham, S. S., Kreeger, D. A., Lynn, S. G., Goulden, C. E., & Herrera, L. (1998). COMBO: a defined freshwater culture medium for algae and zooplankton. Hydrobiologia, 377, 147–159.

   Ma, Y., Wang, Z., Yu, C., Yin, Y., & Zhou, G. (2014). Evaluation of the potential of 9 Nannochloropsis strains for biodiesel production. Bioresour Technol, 167, 503–509.

   Ma, X. N., Chen, T. P., Yang, B., Liu, J., & Chen, F. (2016). Lipid production from Nannochloropsis. Marine Drugs, 14(4), 1-18.

   Meier, L., Pérez, R., Azócar, L., Rivas, M., & Jeison, D. (2015). Photosynthetic CO2 uptake by microalgae: An attractive tool for biogas upgrading. Biomass Bioenergy, 73, 102–109.

   Ramírez, M., Gómez, J. M., & Cantero, D. (2015). Biogas: Sources, Purification and Uses. In U. C. Sharma, S. Kumar, R. Prasad, & J. N. Govil (Eds.), Hydrogen and Other Technologies (Vol. 11, pp. 296–323). Book Section, USA: Studium Press LLC.

   Ruiz, J., Alvarez, P., Arbib, Z., Garrido, C., Barragan, J., & Perales, J. A. (2011). Effect of nitrogen and phosphorus concentration on their removal kinetic in treated urban wastewater by Chlorella vulgaris. Int J Phytoremediation, 13(9), 884–896.

   Sakai, N., Sakamoto, Y., Kishimoto, N., Chihara, M., Karube, I., 1995. Chlorella strains from hot springs tolerant to high temperature and high CO2. Energy Convers. Manag. 36, 693–696.

   Singh, S. P., & Singh, P. (2014). Effect of CO2 concentration on algal growth: A review. Renewable Sustainable Energy Rev, 38, 172–179.

   Shen, Y. (2014). Carbon dioxide bio-fixation and wastewater treatment via algae photochemical synthesis for biofuels production. RSC Adv., 4(91), 49672–49722.

 

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