Cultivo de microalgas: el sistema de control que mejora la producción y reduce costes

Por Nova Ciencia

Un grupo de la Universidad de Almería ha sido el primero en diseñar un sistema de control automático para el cultivo de microalgas para manetener las condiciones del agua en el nivel óptimo continuamente, que se traduce en una producción de mayor calidad y en una reducción de costes. Además, a diferencia de los otros sistemas similares que se han desarrollado hasta la fecha, este es fácilmente transferible a empresas.

Instalaciones del IFAPA anexas al campus de la UAL en las que se han realizado los ensayos.

Se lleva mucho tiempo hablando del potencial que representan las microalgas como materia prima con usos muy diversos, como la producción de sustancias de alto valor para alimentos, pigmentos, fitosanitarios y biocombustibles. Incluso también se ha ensayado con ellas para el tratamiento de purines de granjas porcinas.

La parte biotecnológica, es decir, conocer las condiciones adecuadas para su desarrollo y crecimiento, los modelos para la extracción de los materiales aprovechables, así como las fórmulas para el aprovechamiento de la biomasa resultante están desarrollados, lo que no ocurre tanto con los sistemas de cultivo, para los que todavía se necesitan muchas horas de investigación y de ensayo.

En esta línea trabaja el grupo de la Universidad de Almería Automática, Robótica y Mecatrónica, con mucha experiencia en el desarrollo de sistemas de control tanto para el sector agrícola almeriense, las energías renovables y, cómo no, la producción de microalgas, en colaboración con el grupo de Biotecnología de Microalgas Marinas, liderado por Gabriel Acién.

Que se logra con el sistema de control automático para cultivos de microalgas desarrollado por la UAL

Estos investigadores, liderados por Manuel Berenguel, han conseguido dar un paso muy importante, “pionero”, aseguran, al desarrollar un algoritmo de control automático que consigue mantener el pH del agua en que se cultivan las microalgas en un valor óptimo.

Se trata del primer grupo que consigue tal logro, con el que se mejora la calidad de las microalgas producidas en sistemas conocidos como raceway, una especie de calles por las que circula el agua con las microalgas.

Y no solo eso, sino que el algoritmo de control que ha elaborado este grupo es mucho más sencillo que la mayoría de los que se emplean para estos trabajos, por lo que es fácilmente transferible al mercado, ya que para su manejo no se requieren unos conocimientos matemáticos tan avanzados como los desarrollados por otros grupos que, a pesar de que funcionan, se quedan en el cajón del laboratorio por la dificultad que entraña su manejo. La clave, es que este algoritmo está basado en otros industriales que ya emplean algunos automatismos disponibles en el mercado, a los que se les han cambiado los parámetros.

Manuel Berenguel, José Luis Guzmán, Malena Caparroz y Pablo Otálora.

Cómo se ha llegado a este algoritmo de control para cultivos de microalgas

Este sistema de control automático del pH de las microalgas surgió del trabajo fin de grado de Malena Caparroz, egresada del Grado en Ingeniería Electrónica Industrial de la Universidad de Almería. Y suscitó tal interés que los directores de este trabajo final, José Luis Guzmán y Manuel Berenguel, con la colaboración también de Pablo Otálora, decidieron apoyar a esta recién graduada para elaborar el artículo Modelado y control adaptativo del pH en reactores raceway para la producción de microalgas, que resultó ganador del premio al Mejor Trabajo en Ingeniería de Control otorgado por el Comité Español de Automática, y que pertenece a los proyectos HYCO2BIO y Horizon Europe – REALM.

Por qué es tan importante este algoritmo para la producción de microalgas

Por qué es tan importante este sistema de control para mantener el pH en el nivel óptimo, que en el caso de las microalgas usadas es el 8. Pues porque de una tacada resuelve dos problemas graves que se encuentran los centros de producción de microalgas que emplean los reactores raceway. Por un lado, se consigue ahorrar un dinero importante en la producción de esta masa verde, ya que se emplea justamente la cantidad de dióxido de carbono que necesitan para la corrección del pH del agua donde se desarrollan las microalgas, ni más ni menos. Hay que tener en cuenta que en estos sistemas se emplea CO2 puro, un producto bastante caro y que incrementa el precio de la producción.

Y por otro lado, al cultivar las microalgas en unas condiciones óptimas, la producción es mucho mayor y de más calidad, con lo que se optimiza todavía más este producto de alto valor.

Cómo se corrige el ph del agua en cultivos de microalgas

Uno de los coautores del estudio, José Luis Guzmán, explica que la fórmula para corregir el ph del agua de las microalgas consiste en la inyección de CO2. Lo que ocurría antes de este desarrollo es que no siempre se añadía la cantidad adecuada, por lo que resultaba relativamente sencillo que el trabajo de corrección sirviera para poco o que, en ocasiones, resultara fatal y mermara el cultivo.

Con este nuevo algoritmo, afirma, se consigue emplear la cantidad adecuada y en el momento justo, de manera que se mantiene un nivel de pH óptimo y estable. Y es el propio sistema el que analiza los datos recibidos de los sensores que equipa la instalación, así como de las condiciones climáticas, para actuar de manera automática, aquí otro de los logros conseguidos con este artículo y demostrados en los ensayos de la planta de producción de microalgas ubicada en instalaciones del IFAPA y que utiliza la Universidad de Almería.

“Resulta muy complicado controlar el valor del pH, porque varía con el comportamiento biológico de las propias microalgas. Cuando hacen la fotosíntesis, el pH de los reactores empieza a crecer y si es muy elevado pueden llegar a morir. Nuestro algoritmo se encarga de inyectar CO2 cuando suben esos valores y deja de hacerlo en el momento en que vuelven a los niveles adecuados, que con las algas que hemos probado es el 8”, explica José Luis Guzmán.

El equipo de investigación ha empleado la máxima del ‘divide y vencerás’, y han dividido la evolución del pH dos partes. Cuando se inyecta CO2 el pH baja muy rápidamente y el efecto de la fotosíntesis en ese momento es prácticamente despreciable. Y luego han modelado el comportamiento de las algas, de manera que el sistema de control se va adaptando a lo que va haciendo la masa verde y a sus procesos fotosintéticos. De esta manera, el equipo ha conseguido predecir en qué condiciones se incrementa el pH en el biorreactor, para lanzar la inyección de CO2 en el momento adecuado.

“El potencial del algoritmo viene dado por ser capaz de determinar cuándo y cuánto CO2 debe inyectar, en función del comportamiento de las microalgas y de su fotosíntesis”, añade este investigador de la Universidad de Almería.

Para llegar a ese conocimiento, el equipo ha tenido que entrenar al algoritmo, es decir, conocer ante qué valores ofrecidos por los sensores de la instalación debe reaccionar inyectando el gas y ante cuáles debe detenerse. Y no solamente esa información, ya que como se trata de biorreactores abiertos y expuestos a las condiciones ambientales, tener en cuenta también la radiación solar, la temperatura, la humedad en el ambiente…

Se trata de un algoritmo que, aunque en un principio parezca sencillo, ha llevado años desarrollar. Y otra de las ventajas de este sistema es que emplea sensores de tipo comercial, que se pueden encontrar en cualquier comercio especializado. Gracias a la sencillez del algoritmo, el grupo de Automática, Robótica y Mecatrónica está colaborando con empresas como Birozon Biotech, para realizar transferencia tecnológica de este avance para el cultivo de microalgas.

Fuente: https://novaciencia.es/cultivo-microalgas-sistema-control-automatico-ual/

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