La demanda de biomasa producida por microalgas ha ido en aumento a lo largo de los últimos años para su uso en múltiples aplicaciones que van desde la salud, los cosméticos y alimentos. Todo ello ha hecho que se necesita mejorar y aumentar su productividad, y aquí es donde entran las nuevas tecnologías de iluminación LED.

Una reciente investigación realizada por científicos del Centro de Ciencias del Mar de la Universidad del Algarve en Portugal, ha encontrado que la integración de luces LED en la producción de microalgas aumenta el crecimiento de la biomasa, especialmente por la noche. 

Además los resultados, publicados en Algal Research, muestran una mejora importante en cuanto a la productividad de nutrientes, en particular proteínas y carbohidratos, posibilitando un nuevo método para optimizar el proceso de producción de microalgas a escala industrial. 

Producción de microalgas con iluminación LED

Con el aumento de la demanda de biomasa producida por microalgas y sus derivados, las instalaciones de producción han estudiado múltiples formas para aumentar su cantidad, así como la eficiencia del proceso de crecimiento. 

Los sistemas de producción industrial para el cultivo de microalgas comprenden básicamente los sistemas abiertos o cerrados, que difieren significativamente en cuanto a productividad y costes. Los primeros requieren una inversión considerable, pero las productividades pueden alcanzar de 10 a 45 g m-2 día-1.

Por otro lado, los sistemas de producción abiertos, como los estanques de canalización, se consideran uno de los sistemas de producción de microalgas más baratos, aunque a costa de productividades más bajas, normalmente de entorno a los 12-28 g m-2 día-1.

Estos sistemas abiertos también tienen desventajas adicionales, como una mayor susceptibilidad a la contaminación por otras microalgas y parásitos, y están expuestos a los elementos con fluctuaciones diarias y estacionales que dan lugar a mayores dificultades para controlar la temperatura, evitar la foto-limitación y la foto-inhibición, entre otros. De todos estos factores, la luz siempre ha sido uno de los factores principales para el control del crecimiento en el cultivo de microalgas. 

Aunque la mayoría de las instalaciones industriales que producen microalgas autótrofas dependen de la iluminación natural, la luz artificial se ha empleado de forma rutinaria en el interior de algunas instalaciones. Aunque los LEDs han demostrado ser más eficientes que otras fuentes de luz artificial, todavía pueden tener un fuerte impacto en los costes de producción. Por lo tanto, para los cultivos masivos, el uso de iluminación LED debería ir unido a la producción de productos de alto valor (por ejemplo, ácidos grasos poliinsaturadso Omega-3 y astaxantina) para equilibrar la viabilidad económica de todo el bioproceso. 

Para evaluar todas estas cuestiones, los investigadores Inês Maia, Tamára Santos y João Varela, en colaboración con Greencolab, Necton y Allmicroalgae, comprobaron cuál sería el impacto y los costes de la integración de las luces LED en el cultivo de microalgas en tanques al aire libre.

La investigación se centró tanto en el uso de la iluminación LED durante la noche, cuando suelen producirse pérdidas de biomasa, como durante las 24 horas, ya que la penetración de la luz solar puede verse perjudicada por la alta concentración de biomasa, la gran profundidad de la columna de agua o la baja irradiancia.

Asimismo, para determinar el aumento del coste de la biomasa debido a la iluminación LED, se realizó un sencillo análisis económico que ayudó a evaluar la viabilidad económica de la implantación del sistemas LED.

Resultados de la investigación 

Los investigadores compararon las productividades de biomasa en  tres condiciones diferentes: control (sin iluminación artificial), LED nocturno y LED 24 horas.En todos los ensayos se utilizaron tiras de LEDs blancos cálidos (2700 K) IP68 con una eficacia lumínica de 88,9 lm/W.

Las productividades globales fueron de 9,5 g m−2 d−1, 12,8 y 16,5 para las condiciones de control, LED nocturno y LED 24 horas, respectivamente. Mostrando que los cultivos iluminados por iluminación LED durante las 24 horas del día conseguirían casi doblar la producción de biomasa. 

Asimismo, en comparación con el cultivo de control, se detectó un aumento significativo en las productividades de clorofila en los cultivos bajo LEDs 24 horas. Además, los cultivos bajo 24 horas de LED presentaron una productividad significativamente mayores en términos de proteínas e hidratos de carbono que los de control. 

“El análisis de la biomasa reveló mayores productividades de clorofila, proteínas e hidratos de carbono en los cultivos iluminados por LED 24 horas, contribuyendo así a una mayor valorización de los cultivos”, señalan los investigadores en el Paper. 

Análisis económico

Según los resultados del ensayo a escala piloto, la operación anual daría como resultado 21kg, y 19,8 kg de biomas adicional en comparación con la de control, si se eligieron los modos normal o económico, respectivamente. 

Aunque los modos LED (normales y económicos) no difieren sustancialmente en términos de biomasa adicional producida, sus costes de producción sí lo hacen. Los 21 kg de biomasa adicional resultantes utilizando el modo normal dieron lugar a un gasto adicional de 208 € kg−1. Por el contrario, este valor cae a menos de la mitad, 91 € kg−1, para casi la misma biomasa adicional (20 kg) de los cultivos cultivados en modo económico. Teniendo en cuenta una productividad media de 2,7 kg m−2 año−1 para el sur de España, la biomasa adicional producida debido a la iluminación LED representa un aumento del 25 % de la biomasa producida anualmente.

Esta investigación representa una importante oportunidad para optimizar el proceso de producción de microalgas a escala industrial. Sin embargo, la incorporación de este tipo de sistema de iluminación debe considerarse en profundidad, ya que representa un coste adicional en la producción de biomasa.

Puede consultar el paper de la investigación en el siguiente enlace:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221192642200056X

Imagen de Portada: Centro de Ciencias do Mar CCMAR