Resumen de Optimization of microalgae production in industrial open reactors
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La tesis doctoral se ha desarrollado en el marco del proyecto de investigación “Control y optimización de la producción de biomasa como recurso de energía renovable” (DPI2014-55932-C2-1-R), el cual se centra en el modelado y control de la combinación de procesos de producción de microalga y el tratamiento de aguas residuales en reactores industriales. Este proyecto de investigación es una continuación del proyecto previo titulado “Modelado, control y optimización de fotobiorreactores”, dónde los resultados significantes fueron obtenidos en el campo del modelado y el control automático de la producción de microalgas en fotobiorreactores cerrados. El proyecto actual continúa en la misma línea, con la aplicación de las técnicas de modelado y el control para la producción óptima de biomasa, pero ahora centrada en reactores abiertos, los cuales son los más utilizados a nivel mundial.
El objetivo de esta tesis es mejorar el conocimiento respecto a la caracterización de los reactores abiertos, la distribución de la luz y su uso por parte de las microalgas, la transferencia de materia, y la acumulación de oxígeno, así como el uso de estrategias de control para mejorar esta tecnología. Ambos tipos de reactores abiertos: “raceways” y “thin-layers” están considerados en esta tesis. La información obtenida de esta tesis está siendo aplicada en el proyecto europeo Horizonte 2020 SABANA. El cual está centrado en el desarrollo de la microalga basado en el concepto de biorrefinería para la mejora de los sectores de la agricultura y la acuicultura.
El trabajo experimental de esta tesis se ha desarrollado en tres localizaciones diferentes: (i) Estación Experimental “Las Palmerillas” (Almería, España), (ii) Estación Experimental “Algatech”, (Třeboň, República Checa), dónde se desarrollaron los experimentos relativos a la evaluación de los reactores de capa fina (thin-layer), y (iii) la Estación Experimental “IFAPA” (Almería, España) donde se llevaron a cabo los experimentos relativos al modelado de los reactores de capa fina.
Las principales contribuciones de esta tesis pueden ser resumidas de la siguiente manera: 1. Caracterización y mejora de los reactores raceways.
• Trabajos previos demostraron que la acumulación de oxígeno disuelto limita la producción de biomasa en los reactores raceways si no se mejora la capacidad de transferencia de materia. Aunque el oxígeno se desorbe a la atmósfera en el canal y en las palas, esto no es suficiente para eliminar la producción de oxígeno generada mediante la fotosíntesis cuando se alcanzan altos valores de productividad de biomasa, por tanto, se hace necesario crear un foso, cuyo correcto diseño y operación contribuye a evitar la sobresaturación de oxígeno. Además, la capacidad de transferencia de materia en el foso debe ser optimizada para compensar la producción de oxígeno en el sistema. Además, también se determinó la influencia de la inyección de aire en el coeficiente de transferencia de materia, obteniendo un modelo empírico calibrado. Utilizando este modelo, es posible regular de manera apropiada la inyección de aire en el foso y además, la operación del reactor puede ser optimizada. Toda la información está disponible en (Barceló-Villalobos et al., 2018).
• Uno de los requisitos que se hacen necesarios para mejorar la producción de microalgas en los reactores, es la optimización de la asimilación de luz a la cual las células son expuestas. Por ello, el primer paso es conocer cual es el patrón que tiene lugar en los reactores raceways. Esta tesis demuestra que las células de microalgas se adaptan a la irradiancia local debido a su movimiento con un patrón desfavorable. También se ha demostrado cómo es el régimen de luz al cual las células de microalgas están expuestas en un reactor raceway, el cual está lejos del óptimo requerido para optimizar el desarrollo de cultivos de microalgas a través de la integración de la luz. Se analizó cómo se ve afectada la tasa fotosintética mediante el uso de distintos ciclos de luz/oscuridad a diferentes horas del día durante varias estaciones a lo largo de un año. Estos ensayos demostraron que no existe integración de luz a una altura de cultivo de 0.15 m. Además, también se ha confirmado que las células se adaptan a la irradiancia local dentro del reactor. Toda la información está disponible en (Barceló-Villalobos et al., 2019a).
• Respecto a las estrategias de control, se ha propuesto una estrategia de control selectivo, la cual fue propuesta previamente por Pawlowski et al., 2015, donde se ha utilizado un control simultáneo de pH y de oxígeno disuelto. En este control, el valor de pH se prioriza sobre el valor de oxígeno disuelto debido a que éste tiene una gran influencia en el desarrollo del cultivo. Esta tesis demuestra la correcta funcionalidad de este control selectivo en un reactor semi-industrial (100 m2) operado en modo semicontinuo. Además, el modelo de transferencia de materia desarrollado en esta tesis (Klal sump model) ha sido validado en fase de simulación para demostrar que sí es posible ajustar la capacidad de transferencia de materia mediante el uso de la estrategia de control feedback. Finalmente, también se ha demostrado que cuando el valor del oxígeno está por encima de la referencia, se hace necesario inyectar aire (información completa disponible en Barceló-Villalobos et al., 2019c, Barceló-Villalobos et al., 2019d).
2. Caracterización y mejora de los reactores de capa fina (thin-layer).
• Se ha demostrado que, aunque los reactores de capa fina son actualmente más productivos que los reactores raceways, su productividad puede mejorarse si las condiciones de operación se aproximan lo máximo posible a los valores óptimos de cultivo. Este es el primer paso en la optimización y escalado de este tipo de reactores para aplicaciones de escala industrial. Esta tesis demuestra la influencia de las variaciones de los parámetros de cultivo (irradiancia, temperatura, pH y oxígeno disuelto) en el desarrollo del cultivo de microalgas. Diferentes ensayos se llevaron a cabo para analizar los parámetros del sistema en términos de la posición dentro del reactor y la hora del día a lo largo de un ciclo diario. Los resultados demuestran que la irradiancia promedio y la temperatura a las cuales las células se exponen son principalmente en función del tiempo. En cambio, el pH y la concentración de oxígeno disuelto también demuestran gradientes relevantes dependiendo de su posición dentro del cultivo. Además, también se ha demostrado que la existencia de gradientes en los parámetros del cultivo (pH, temperatura y oxígeno disuelto) reduce el desarrollo del cultivo (utilizando dos metodologías diferentes: la -chlorophyll-fluorescence y la tasa neta de fotosíntesis). Además, se ha modelado la influencia de las condiciones de cultivo en el desarrollo de Scenedesmus almeriensis. Toda la información está disponible en Barceló-Villalobos et al., 2019b).
• Asimismo, se ha evaluado el cultivo de los reactores de capa fina localizados en Algatech (Trebon). La temperatura y la producción de oxígeno disuelto ha sido analizada y modelada en tres reactores de capa fina de diferentes tamaños (pequeño, mediano y grande). Se llevaron a cabo distintos ensayos: (i) análisis de las condiciones de cultivo, (ii) balance de materia del oxígeno y (iii) modelado de la producción de oxígeno. La temperatura es un parámetro estable a lo largo del canal y a lo largo del día. Se ha demostrado que es más adecuado utilizar el parámetro irradiancia promedio integrada en lugar de el concepto irradiancia promedio, para demostrar el uso de la luz efectiva en el cultivo. Información disponible en (Barceló-Villalobos et al., en revisión).
- English
The doctoral thesis has be developed in the framework of the research project "Control and optimization of biomass production with microalgae as a source of renewable energy" (DPI2014-55932- C2-1-R), which isfocused on the modeling and control of the combined process of microalgae production and wastewater treatment with industrial reactors. This research project is a continuation of a previous project entitled "Modelling, Control and Optimization of Photobioreactors", where significant results were obtained in the field of modelling and automatic control of microalgae production in closed tubular photobioreactors. The current project continues in the same line, with the application of modelling and control techniques for the optimal production of biomass, but now focused on open photobioreactors, which are the most used worldwide.
This thesis aims to improve the knowledge regarding to open reactors characterization, light distribution and utilization by microalgae, mass transfer and oxygen accumulation, as well as the use of control strategies to improve this technology. Both, raceway and thin-layer reactors are considered in this thesis. The information obtained from this thesis is being applied into the European Project Horizon 2020 SABANA focused to the development of microalgae based biorefineries for the improvement of agriculture and aquaculture sectors.
The experimental work has been developed at three different locations: (i) “Las Palmerillas” Experimental Station (Almería, Spain) where experiments related with the improvement of open raceway reactors was performed, (ii) “Algatech” Experimental Station (Třeboň, Czech Republic) where experiments related with the evaluation of thin-layer reactors were performed, and (iii) “IFAPA” Experimental Station (Almería, Spain) where experiments related with the modelling of thin-layer cascade reactors were carried out.
The major contributions on this thesis can be summarized such as:
1. Characterization and improvement of open raceway reactors Previous works demonstrated that dissolved oxygen accumulation affects to photosynthesis activity.
This thesis demonstrates that dissolved oxygen accumulation limits the biomass productivity in raceway reactors if the mass transfer capacity is not improved. Although oxygen is desorbed to the air in the channel and the paddlewheel, this is not enough to remove the oxygen produced by photosynthesis when high biomass productivity is achieved, thus being necessary to include a sump, which adequately designed and operated, contributes to avoid oversaturation of oxygen. Therefore, the mass transfer capacity in the sump must be optimized to compensate the oxygen production rate in the system. Moreover, the influence of gas flow on the mass transfer coefficient was also determined, obtaining a calibrated empirical model. Using this model, it is possible to properly regulate the air flow in the sump and thus, the reactor operation can be optimized. Full information is available in (Barceló-Villalobos et al., 2018).
To improve the productivity of microalgae reactors in order to optimize the light pattern at which the cells are exposed to into the reactors must be optimized. For that, the first step is to know the real light pattern taking place in raceway reactors. This thesis demonstrates that microalgae cells are adapted to local irradiance because of the unfavourable cell movement pattern in raceway reactors. It has also been demonstrated how the light regime at which the microalgae cells are exposed to in a raceway reactor is far from the optimal one required to optimize the performance of microalgae cultures through light integration. Photosynthesis rate measurements were performed along different seasons at different daytime by using different light/dark cycles. These assays confirmed that no light integration exists at 0.15 m water depth. Moreover, it has also been confirmed that the cells are adapted to the local irradiance inside the reactor. Full information is available in (Barceló-Villalobos et al., 2019a).
Regarding control strategies, a selective control strategy proposed previously by Pawlowski et al., 2015, has been used to control pH and dissolved oxygen simultaneously. In this control, the pH value is prioritized over the dissolved oxygen value since it has a critical influence on the process performance. This thesis demonstrates the correct functionality of this selective control approach in a semi-industrial raceway (100 m2 ) operated in semi-continuous mode. Furthermore, the oxygen mass transfer model already developed (Klal sump model) in the present thesis, has been validated in a simulation stage to demonstrate that it is possible to adjust the mass transfer capacity of the system close to the optimal value by controlling gas injections. It is shown that it is possible to reduce gas inflow actuations and control oxygen accumulation in the system by using a feedback control strategy. Finally, it has also been demonstrated that when the dissolved oxygen reference goes down respect to the initial reference (250% Sat), the necessary gas flow is higher (full information is available in Barceló-Villalobos et al., 2019c; Barceló-Villalobos et al., 2019d) 2. Characterization and improvement of thin-layer reactors It has been demonstrated that although thin-layer reactors are currently more productive than raceway reactors, their productivity can also be improved if the operating conditions are optimized close to the optimal culture values. This is the first step in optimizing and scaling-up this type of reactor for industrial applications. This thesis demonstrates the influence of variations of culture parameters (irradiance, temperature, pH and dissolved oxygen) on the performance of a microalgae culture. Different assays were done to analyse the system parameters in terms of position inside the reactor and time of the daylight cycle. Results demonstrate that average irradiance and temperature to which the cells are exposed are mainly a function of time, whereas pH and dissolved oxygen concentrations also showed relevant gradients depending on their position inside the reactor. Furthermore, it has also been demonstrated that the existence of culture parameters gradients reduces the performance of the cultures (using two different methodologies: chlorophyllfluorescence and net photosynthesis rate methods). Moreover, the influence of culture conditions on Scenedesmus almeriensis cell performance was modelled. Full information is available on (Barceló-Villalobos et al., 2019b).
The performance of pilot scale thin-layer reactors located in Algatech (Trebon) has been also evaluated. Temperature and dissolved oxygen production have been analysed and modelled at three different pilot-scale thin-layer cascade reactors (small, medium, and large). Different assays were developed to analyse: (i) the variation of culture conditions, (ii) oxygen mass balance and (iii) model the oxygen production. Temperature is a stable parameter along the channel and through the day. On the other hand, dissolved oxygen increases along the channel through the day as it is expected by photosynthesis process. The modelling of oxygen production has been done by using light integration is here reported. Temperature and dissolved oxygen measurements were done along the thin-layer cascade reactor along the day. It was demonstrated that it is more accurately to use the integrated average irradiance parameter than the average irradiance concept, to demonstrate the effective light use into the culture. Full information is available on (BarcelóVillalobos et al., in review).
