Desarrollo de un sensor virtual basado en la medición de la conductividad para la monitorización de nutrientes en cultivos de microalgas. Un estudio preliminar

Abstract

[Resumen] Las microalgas son organismos capaces de realizar la fotosíntesis, aprovechando la luz y el CO2 para crecer y aumentar su biomasa, la cual es muy valiosa en el desarrollo de multitud de aplicaciones. En la actualidad, la biomasa de microalgas está atrayendo el interés de nuevos sectores industriales, como los biocombustibles, los biopesticidas, la nutrición humana, los cosméticos y la acuicultura. Uno de los parámetros fundamentales para el crecimiento óptimo de las microalgas es un adecuado suministro de nutrientes. Las microalgas para crecer, aparte de luz, carbono y agua, necesitan el nitrógeno (N) y el fósforo (P), además de otros micronutrientes. En la producción de microalgas con agua limpia, estos macronutrientes se administran en forma de nitratos (NO-3) y fosfatos (PO4 3-), respectivamente. Sin embargo, este aporte de nutrientes representa un alto coste de la producción global. Por ello, es fundamental optimizar el aporte global de sales al cultivo, sin limitar el crecimiento de los microorganismos y reduciendo los costes. Bajo este enfoque, se realizó un estudio preliminar para desarrollar un sensor virtual para el seguimiento de nutrientes (NO- 3, PO4 3-) en un cultivo de microalgas utilizando para ello una sonda de conductividad eléctrica. Mediante la señal proporcionada por el sensor, ha sido posible determinar la concentración de sales en el cultivo a partir de las constantes de conductividad determinadas en laboratorio. La correlación obtenida se validó primero a escala de laboratorio y posteriormente en sistemas reales (reactor raceway, 80 m2) con una alta precisión (R2=0.8). Los resultados obtenidos son prometedores ya que pueden permitir alcanzar una buena aproximación para estimar la concentración de sales, como NO-3, y PO4 3-, en los cultivos de microalgas, utilizando la medida de conductividad.

[Abstract] Microalgae are photosynthetic organisms that can grow under light and convert CO2 into valuable biomass. Nowadays, microalgae biomass is attracting the interest of new merging industrial sectors such as biofuels, biopesticides, human nutrition, cosmetics and aquaculture. One of the key parameters for optimal microalgae growing is adequate nutrient supply. Microalgae, apart from light, carbon, and water, need macronutrients such as nitrogen (N) and phosphorus (P) to grow. In microalgae production with clean water, these nutrients are supplied in the form nitrates (NO3-) and phosphates (PO4 3-), respectively. However, the nutrients are generally provided by fertilizers, representing a high cost of the overall production. For this reason, optimizing the overall salts' contribution to the culture is fundamental not limiting their groth and reducing costs. In this framework, it was developed an online sensor for the nutrients (NO3 -, PO4 3-) tracing in a microalgal culture using a conductivity probe. Using the signal provided by the sensor, it was possible to determine the concentration of salts in the culture from a mathematical correlation and by measuring theconductivity constants in the laboratory. The described correlation was determined first in small lab scales and then in real systems (Raceways reactor, 12 m3) with a high accuracy (R2=0.8). The results obtained are promising as they may allow to reach a good mathematical approximation to estimate the salts' concentration using the conductivity measure.