Microorganismos como fuente de energía y tratamiento de residuos
Los ecosistemas microbianos proporcionan muchos servicios útiles a la sociedad humana como, por ejemplo, la degradación de sustancias que contaminan el agua, el aire o el suelo. También pueden transformar residuos en recursos renovables valiosos, incluyendo bioenergía, biomateriales y productos con alto valor añadido. Esto supone que diferentes ecosistemas microbianos podrían ser combinados en bioprocesos integrados o biorrefinerías, donde se podrían producir diferentes tipos de bioenergía o biomateriales y tratar múltiples fuentes de contaminación de manera simultánea. Sin embargo, existe un alto grado de incertidumbre debido al gran número de variables que entran en juego en los procesos biotecnológicos. Por esta razón, es necesario un método sistemático para el correcto diseño y funcionamiento de estos procesos. Los investigadores del proyecto DOP-ECOS (Optimal desing and operation of microbial ecosystems for bioenergy production and waste treatment) se centraron en el estudio de bioprocesos que combinaban un fotobiorreactor con un digestor anaerobio. El primero empleaba microalgas para capturar la luz del sol y transformarla en biomasa, mientras que el segundo convertía la biomasa en biogás y recuperaba nutrientes. Los socios del proyecto desarrollaron nuevos algoritmos para estimar, optimizar y controlar de formar eficaz y precisa procesos biotecnológicos y reducir la cantidad de incertidumbre. En este sentido, se prestó especial atención a la estimación del conjunto de parámetros, una técnica para determinar todos los valores posibles de los parámetros de un modelo, y al desarrollo de un nuevo algoritmo denominado de ramificación y extensión («branch-and-lift», en inglés). Estas técnicas y herramientas avanzadas de optimización fueron empleadas para crear modelos punteros para optimizar el rendimiento del fotobiorreactor y el digestor anaerobio. Los investigadores desarrollaron modelos de crecimiento de microalgas y los integraron en modelos multifísicos para predecir la producción a gran escala en estanques de carrusel y en modelos de dinámica de fluidos computacional que describen las condiciones de flujo. Los modelos fueron empleados para identificar las principales limitaciones y oportunidades para mejorar los sistemas de cultivo a gran escala con el objetivo de corroborar la hipótesis con respecto al empleo de especies de microalgas modificadas genéticamente. En el futuro, estos también podrían ser empleados para determinar el mejor emplazamiento para una instalación de cultivo de microalgas mediante sistemas de información geográfica (SIG). DOP-ECOS fue el primer proyecto de este tipo en aplicar una metodología sistemática basada en modelos para el correcto diseño y funcionamiento de sistemas microbianos integrados. Los resultados abren nuevas oportunidades para la aplicación de técnicas de optimización en aras de resolver importantes desafíos industriales como los planteados hoy día por aplicaciones y procesos biotecnológicos.
Palabras clave
Ecosistemas microbianos, bioprocesos, DOP-ECOS, biorrefinerías, fotobiorreactor, digestor anaerobio, estimación del conjunto de parámetros, modelos multifísicos, dinámica de fluidos computacional
