Fotobiorreactores urbanos de algas para la ciudad verde: reinterpretando el laberinto 

Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula

Autoras

• Rosa Cervera, Dra. Arquitecto, Catedrática, Universidad de Alcalá
• María Rosa Villalba, Arquitecto, Universidad Alcalá
• Cristina Álvarez, Arquitecto, Universidad Alcalá

Resumen

Los principales centros de disipación de energía en la actualidad son las ciudades. La ciudad del siglo XXI requiere de soluciones innovadoras para generar energía propia y minimizar la contaminación. La tecnología emergente de microalgas cultivadas a través de fotobiorreactores puede generar biomasa para producir bioenergía y absorber CO2 para reducir las emisiones contaminantes. El cultivo de microalgas puede alcanzar la escala urbana reinterpretando el concepto de laberinto. La modernización del laberinto histórico, entendido ahora como un fractal tecnológico que multiplica su dimensión en un espacio limitado, permite incorporar una verdadera “Fábrica de Energía Verde Urbana” al huerto urbano. El caso que se presenta está ubicado en la ciudad de Madrid y corresponde a una importante zona de renovación urbana, Madrid Nuevo Norte.

Palabras clave

Fotobiorreactores de microalgas urbanas, Fábrica de Energía Urbana, Laberinto Tecnológico, Bioenergía, Biofertilizantes, Madrid Nuevo Norte.

El cultivo de microalgas: alternativa para la ciudad verde

Los principales centros de disipación de energía en la actualidad son las ciudades. La ciudad del siglo XXI requiere de soluciones innovadoras para generar energía propia y minimizar la contaminación. La tecnología emergente de microalgas cultivadas a través de fotobiorreactores puede generar biomasa para producir bioenergía y absorber CO2 para reducir las emisiones contaminantes. La investigación en las algas es un campo de creciente interés, investigación y experimentación en el mundo.

La variedad de productos que se pueden obtener de ellas, desde los de aplicación energética hasta los alimentarios o farmacológicos, es muy amplia y se presenta como una valiosa alternativa para suplir necesidades de la humanidad en el siglo XXI. Sin embargo, la combinación del campo edificatorio y el del cultivo de algas para extraer beneficios es absolutamente pionero. El introducir materia viva como parte de la construcción y el utilizar la construcción como base o soporte del cultivo de materia viva es un camino prometedor que inicia ahora su recorrido. La arquitectura, a través de este planteamiento adquiere una función adicional a las propias de la edificación, consiguiendo así un valor extra que puede producir beneficios medio ambientales, energéticos y, además, estéticos.

El cultivo de microalgas puede alcanzar la escala urbana y contribuir a que la propia ciudad genere sus recursos y limpie sus emisiones “in situ”. La propuesta que aquí hacemos es el proyecto de un jardín-tecnológico que, mediante foto-biorreactores de cultivo de microalgas, permitan el cultivo de biomasa para su reconversión en bioenergía y bio-fertilizantes y para la reducción de los gases contaminates. El proyecto apuesta por la capacidad fotosintética de las microalgas para la biofijación de emisiones nocivas.

La asimilación de CO2 es el proceso de mayor consumo energético en la fotosíntesis, siendo la producción de microalgas la más prometedora ya que logran rendimientos cercanos a 100 Tn de biomasa/Ha al año y eficiencias fotosintéticas de 2,5%. Comparándolos con los con rendimientos biomásicos de los bosques que oscilan entre 10 y 40 Tn de biomasa/Ha al año y eficiencias fotosintéticas entre 0,25 y 1%, las microalgas tienen un 60% más de eficiencia que los bosques. (Proyecto de I+D CO 2 Algaefix, 2016).

La energía renovable de las microalgas cumple con el concepto de ciclo metabólico y de economía circular. El objetivo es producir un ciclo cerrado donde los aportes y los salientes se retroalimentes. Presentamos el esquema de cultivo de microalgas mediante fotobiorreactores integrados en la edificación implicando el ciclo de agua, de CO2 y de energía.

Este tipo de instalaciones en la ciudad cumplen con algunos de los Objetivos Globales de la ONU. En este caso, los objetivos más representativos son el No. 7: Energía asequible y no contaminante y el No. 11: Ciudades y comunidades sostenibles, entre otros, ya que es una fuente de energía sostenible y una forma de disminuir las emisiones de dióxido de carbono al absorberlo por producción.

Reinterpretando el laberinto: descripción del proyecto

El trabajo presenta una revisión pionera del laberinto que le da el valor agregado de contribuir al Crecimiento Verde. La modernización del laberinto histórico, entendido ahora como un fractal tecnológico que multiplica su dimensión en un espacio limitado, permite incorporar una verdadera “Fábrica de Energía Verde Urbana” al huerto urbano. La baja efectividad de las algas se compensa así con el aumento de la longitud de las tuberías o del área de la superficie de los diversos tipos de fotobiorreactores.

La investigación involucra el diseño del jardín-laberinto, el diseño de diferentes modelos de fotobiorreactores urbanos con su aparato tecnológico, y el cálculo del volumen de captación, así como el cálculo del CO2 capturado en beneficio de la calidad del aire urbano. La biomasa obtenida se transforma en bioenergía, mediante su generación de biogás y por cogeneración en electricidad, y en biofertilizantes 100%, evitando así el consumo energético de nitratos. Como valor añadido, indicamos que la energía producida por las algas es «in situ», pudiendo abastecer de energía a zonas cercanas de la ciudad. En la investigación se presentan tablas con equivalencias para abastecimiento de barrios urbanos.

El proyecto se ubica en el barrio de Chamartin al norte de la ciudad de Madrid. En este sector se está implementando el proyecto Madrid Nuevo Norte, que consiste en regeneración urbana de un gran vacío urbano articulado desde los terrenos baldíos adyacentes a las vías del tren, ubicados entre los barrios de Fuencarral y Las Tablas, hasta incluir la estación de Chamartín y su área colindante. El proyecto actuará sobre un área de 2,357,443 m2 de superficie y se extenderá más de 5.6 kilómetros en dirección norte-sur.  Dentro de los 400.000 m2 de zonas verdes propuestas, 13 ha corresponden al llamado Parque Central, que consiste en nuevo espacio verde conformado sobre las vías de Chamartín. Su ubicación es estratégica ya que está rodeado por el Centro de Negocios y la nueva estación de Chamartín. (Madrid Nuevo Norte, 2018).

No obstante, los estudios realizados demuestran que el plan existente hasta la fecha de MNN no acaba de cumplir los requisitos de sostenibilidad urbana de sistemas contrastables como, por ejemplo, el sistema BREAM. Es por ello, que proponemos un rompedor jardín de microalgas, con el doble objetivo de generar un nuevo espacio de parque que reinvente la tradición y de alcanzar las máximas expectativas que el compromiso mediambiental requiere. En este sentido, es imperativo la creación de un espacio verde de recreación que pueda ser implementado sobre las vías del tren.

Fotobiorreactores de microalgas: necesidades técnicas

Necesidades de las algas

Suministro de Luz

La fuente de luz y la intensidad de energía son factores que afectan el desarrollo y crecimiento óptimo de las micro algas. En este caso, al ser un sistema de cultivo abierto, la luz solar es la principal fuente de energía.

Con una iluminancia óptima de 11 klux y una radiación lumínica de entre 400 y 700 nm, las cianobacterias son capaces de realizar fotosíntesis y crecimiento celular optimo (Jacob-Lopes et al., 2008). Si embargo, si hay exposición excesiva por largos periodos se producirá fotoinhibición. En este contexto, la geometría del fotobiorreactor es importante para atenuar la luz en el cultivo. Según un estudio realizado por Fernández et al. (2001) se llegó a la conclusión de que la geometría circular permite una mejor penetración de luz que la geometría plana, sin embargo, la geometría plana ayuda en una distribución uniforme de luz. Por esta razón, se implementa como soporte del medio de cultivo un material plástico deformable que genere una leve geometría circular debido a la acumulación del fluido, pero de forma controlada por apoyos horizontales que controlen el espesor para evitar que espacios del cultivo queden sin exposición de luz.

Provisión y transferencia de CO2

La fuente de CO2 generalmente se hace en forma de inyección de gas CO2 o como medio diluido (bicarbonato). Para el caso descrito, se inyectará gas CO2 extraído de las emisiones de la calefacción y sistema de enfriamiento presente en los pabellones existentes. En caso de ser necesario se planea recolectar las emisiones de los edificios circundantes para complementar la demanda de CO2.

Los límites máximos y mínimos de CO2 necesarios están definidos entre 5-15% del volumen de gas introducido. El sistema de inserción del CO2 se haría por medio de conexiones tipo rosca que sujeten el elemento plástico que contiene el medio de cultivo.

Temperatura

La temperatura del cultivo influye directamente en la solubilidad del Co2, haciendo que en altas temperaturas (40° en adelante) haya una menor disponibilidad de CO2 respecto a O2.
Es por esta razón, que los rangos máximos oscilan entre los 30-35°.  Los resultados arrojaron que la temperatura óptima, tanto para la productividad de biomasa como para la fijación de CO2, fue 30ºC. Sin embargo, el rango de la temperatura en donde la productividad de biomasa es media-alta oscila entre los 15°C hasta los 35°C. A temperaturas más bajas, la productividad descendió hasta un 60% con respecto a la presentada a 30ºC, y en temperaturas superiores a 35ºC, el rendimiento baja considerablemente hasta inhibir el crecimiento a los 40ºC. Mezcla y funcionamiento

El diseño de los fotobiorreactores planteados se basa en la optimización de un fotobiorreactor vertical. Se inclina el elemento que contiene las algas en 110° para optimizar la absorción de luz solar y al mismo tiempo aumentar el área de cultivo sin generar mucha sombra con la altura del elemento. Este elemento está sustentado por una estructura tubular de acero que mantiene la inclinación y al mismo tiempo da soporte ya sea para un jardín vertical o para un elemento decorativo hacia el interior del recorrido del laberinto.

Para construir el laberinto, se conforman unas piezas adicionales que anclan los módulos entre sí. De igual forma, se plantea una estructura base metálica que pueda ser adaptada tanto para contener fotobiorreactores verticales como tubulares horizontales o columnas de burbujeo. Además, se plantea dejar unas aberturas en el elemento de cierre superior para la eliminación del O2 resultante del crecimiento de las algas.

El elemento escogido para los fotobiorreactores planos es una “bolsa” de Lámina de PEBD. Para dar forma al contenedor se hace un sellado térmico en uno de los extremos para formar un recipiente flexible en forma de cilindro o bolsa. Este tipo de plástico se utiliza para Invernaderos ya que cuenta con unas buenas propiedades mecánicas y una buena transparencia a la radiación; además, homogeniza las condiciones de temperatura y humedad.

También, el elemento de cierre inferior está conectado a un sistema de recolección de biomasa que se conecta al elemento plástico por medio de una conexión de PVC tipo T que cuenta con una electroválvula para control remoto y una boca tipo rosca que recoja el material plástico entre los elementos hembra y macho.

Las columnas de burbujeo se componen de tubos verticales transparentes de vidrio o polietileno, para aprovechar la penetración de luz natural, con un diámetro de 20cm y una longitud de 2.40m. La tapa superior de este contenedor, debe permitir la entrada de dispositivos de pH y oxígeno disuelto y dar salida de gases. En este tipo de fotobiorreactor, el rociador se ubica al fondo del tubo para esparcir pequeñas burbujas de CO2, y así lograr una mezcla de fluidos por burbujeo de aire dentro de un tubo central de subida, que luego se distribuye bajando por la parte exterior del tubo central, creando una circulación natural (Chisti y Jauregui-Haza, 2002). Este tipo de sistema es semicerrado, lo que ayuda a un control más específico y son menos susceptibles a la contaminación.

El funcionamiento del cultivo en el fotobiorreactor planteado se da por la circulación del medio de cultivo por gravedad. Es decir, se introduce el medio de cultivo por la parte superior a un contenedor plástico donde se genera el crecimiento de las microalgas y se hace la recolección por la parte inferior por medio de una electroválvula que se active a una determinada hora del día. Además, se plantea introducir Co2 en forma de gas para generar un movimiento circular al interior de cada módulo de cultivo.

Al utilizar un elemento desmontable y de bajo costo que favorece un mantenimiento adecuado (ya sea por limpieza o sustitución) se garantiza que la transmitancia del contenedor no se vea afectada por la acumulación de material orgánico o por daños al material en sí.

Resultados y Datos Obtenidos

Para realizar los cálculos de la producción de biomasa, tasa de fijación de Co2 y la eficiencia energética, se debe determinar el tipo o cepa de microalga que se va a utilizar. En el estudio realizado por García Cubero, R. (2014)., se llegó a la conclusión que la estirpe Senedesmus Vacuilstus es la óptima ya que en condiciones controladas de laboratorio obtuvo altos rendimientos y presentó menos susceptibilidad a contaminación y resistencia a cambios tanto en la temperatura como irradiación y PH.

Aparte de estudiar las variables antes mencionadas, se estudió también el efecto combinado de temperatura/irradiancia. Los resultados arrojaron que la temperatura óptima para una productividad de biomasa media-alta oscila entre los 15°C hasta los 35°C. De acuerdo a estos datos, la planta solo puede funcionar en los meses de Marzo hasta Noviembre en intervalos continuos (es decir en la totalidad de horas de luz).

Una vez obtenidos los datos necesarios, para calcular la producción del cultivo de biomasa, se utilizó la fórmula que calcula la Productividad del cultivo semicontinuo, ya que se plantea que las diluciones del cultivo se realicen en un tiempo determinado debido a la gran envergadura del proyecto. Esto consiste en renovar una parte del cultivo mediante el cosechado de una parte de la biomasa y la recuperación del volumen con medio fresco (agua). (García Cubero, R., 2014). Según las condiciones mencionadas, para el cálculo, se utilizó la Productividad optima alcanzada por el estudio de un cultivo en un reactor similar al planeado. Este valor es de 0.13 gramos por litro al día (g l-1 d-1), en donde se hace la recolección cada 3 días, extrayendo un volumen del 65%. Según estos datos, se plantea recolectar un máx. del 25% del cultivo diariamente.

Productividad de cultivo de Biomasa

La productividad de biomasa se calcula la cantidad de gramos de biomasa producidos por litro de solución en un día. Para su determinación se utilizó la siguiente ecuación:

Cb = concentración de biomasa del reactor en el momento de diluir (g l-1). Este valor se extrae del cultivo realizado por el autor. V= volumen de dilución (l), se determina en base a los datos brindados. T= periodo o frecuencia de dilución (días). S= superficie total ocupada por el reactor (m2) o el volumen del mismo (l).

Una vez aplicada la fórmula, se determinó que la productividad de biomasa de la Senedesmus Vacuolatus es de 0.15g por litro al día en un cultivo semicontinuo, que es el caso de los fotobiorreactores verticales (utilizados en la fase de escalada) y de 0.60g en los fotobiorreactores tubulares horizontales y columnas de burbujeo que tienen un cultivo continuo. Finalmente, se calculó que la totalidad de los fotobiorreactores del proyecto (28,603.19ml de extensión) producen 149.06 Ton de Biomasa por día y 40,991.40 Ton por año en 245 días de funcionamiento.

Tasa de fijación de C02

La tasa de fijación fotosintética de Co2 parte de la estequiometria de la reacción de fijación de este gas por cada gramo de carbono orgánico. Cada mol de CO2 contiene 12 gramos de C (44/12), por lo que se retira de la atmósfera 3,66 g de CO2 por cada gramo de Carbono asimilado. Por esta razón, este dato es inherente a cada cepa. En el caso de la Senedesmus Vacuolatus. es de 0.24g por litro al día en un cultivo semicontinuo y 1.15g por litro al día en un cultivo continuo. (García Cubero, R., 2014). En base a estos datos, se realizó el cálculo de la Fijación de CO2 para la totalidad del cultivo, absorbiendo 250.17 ton diarias y 68,796.41ton por año en 245 días de funcionamiento.

Conclusiones

Una nueva modalidad de verde urbano, mediante un parque o jardín tecnológico productor de microalgas y combinado con vegetación, permitirá, no solo, incorporar un nuevo lugar de disfrute en la ciudad, sino una factoría de energía que, en 17.85 Ha. de recuperación de zonas intersticiales del futuro Madrid Nuevo Norte, producirá 40,991 toneladas de biomasa. La conversión de la biomasa en biogás generará 384,573.85 l. de metano (biogas) en un año, lo que significaría alimentar la energía de 166 viviendas del entorno en dicho período.

El laberinto de microalgas, por otra parte, tiene capacidad de abosroción de 68,796 toneladas de CO2, que en una comparativa de emisiones equivaldría a eliminar el CO2 producido por 965.930 kwh o el equivalente al consumo de gasolina de un coche que recorriera 361.618 km. De esta manera la reinterpretación del Laberinto Histórico aporta valores rupturistas a la ciudad, tanto desde un nuevo entendimiento estético como bio-tecnológico para un modelo urbano ecológico y autosuficiente.

Referencias

• Cervera, R, Pioz, J, 2015, Architectural Bio-Photo Reactors: Arvesting microalgae on the surface or architecture, Pacheco Torgal et al, Biotechnologies and Biomimetics for Civil Engineering, Springer :163-180
• Cervera, R. et al, 2014, Architecture as an Energy Factory: Pushing the envelope, in Llinares-Millán et al., Construction and Building research, Springer:209-219
• Chisti, Y., U. Jauregui-Haza., 2002, Oxygen transfer andmixing in mechanically agitated airlift bioreactors. Biochem. Eng. J. 10: 143-153.
• García Cubero, R., 2014, Producción de biomasa de microalgas rica en carbohidratos acoplada a la eliminación fotosintética de CO2 (Tesis doctoral). Universidad de Sevilla. Sevilla.
• Fernández, G., J. Sevilla, J. Pérez, E. Grima, Y. Chisti., 2001, Airliftdriven external loop tubular photobioreactors for outdoor production of microalgae: assessment of design and performance. Chem. Eng. Sci. 56: 2721-2732.
• Jacob-Lopes, E., C. Ferreira, T. Teixeira., 2008, Biomass production and carbon dioxide fixation by Aphanothece microscopica Nägeli in a bubble column photobioreactor. Biochem. Eng. J. 40: 2734.
• Madrid Nuevo Norte., 2018, El Proyecto de Madrid. El Proyecto de Tod@s. Distrito Castellana Norte, S. A. (DCN). Madrid, España.
• Algaenergy, S.A. 2016, Proyecto CO2ALAEFIX, Informe Final. Madrid, España.