Microalgas y bacterias guía completa para su estudio y aplicación

Introducción

En un mundo donde la escasez de agua y el cambio climático desafían la gestión ambiental, encontrar tecnologías sostenibles para el tratamiento y saneamiento de aguas residuales es urgente. Las microalgas y bacterias emergen como protagonistas en la búsqueda de soluciones innovadoras, que utilizan la energía solar para impulsar procesos naturales y reducir el consumo energético. Este artículo técnico explora, desde la ingeniería bioquímica, cómo estos microorganismos pueden ser integrados en sistemas de saneamiento eficientes, sus principios básicos, ventajas, retos tecnológicos y aplicaciones potenciales, ofreciendo una guía detallada para investigadores, ingenieros y profesionales del área.

Contexto y relevancia del saneamiento en el siglo XXI

El acceso al agua potable y a instalaciones sanitarias adecuadas es un desafío global. Según datos recientes, cerca del 25% de la población mundial no tiene acceso a agua potable y aproximadamente el 40% carece de saneamiento básico.

Esta situación se agrava en un contexto de cambio climático, donde fenómenos como sequías prolongadas afectan fuentes de agua y requieren nuevas estrategias para su gestión eficiente y sostenible.

El papel de la ingeniería para el desarrollo sostenible

Desde la Facultad de Ingeniería Bioquímica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, se aporta un enfoque integral que aborda estos problemas desde la ingeniería de procesos, incorporando la biotecnología para ofrecer soluciones alineadas con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU, especialmente el Objetivo 6, que apunta a garantizar disponibilidad y gestión sostenible del agua y saneamiento para todos.

Los sistemas tradicionales de tratamiento de aguas: ventajas y limitaciones

El tratamiento convencional de aguas residuales se basa principalmente en procesos aerobios que requieren aireación para mantener microorganismos heterotróficos que degradan la materia orgánica.

• Estos sistemas consumen grandes cantidades de energía (hasta un 60% del costo total en aireación).
• Funcionan generalmente bien en grandes ciudades y plantas centralizadas.
• Su implementación es compleja y costosa en áreas rurales o de pequeña escala.

Principales procesos aerobios utilizados

El tratamiento aerobio involucra tres grupos microbianos principales:

• Bacterias heterótrofas: oxidan la materia orgánica en presencia de oxígeno, produciendo dióxido de carbono y biomasa.
• Bacterias nitrificantes: oxidan el amoníaco a nitrato, proceso que también requiere oxígeno.
• Microorganismos que transforman fósforo y otros nutrientes: para reducir la carga contaminante del efluente.

¿Qué papel juegan las microalgas en el saneamiento de aguas?

Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que pueden generar oxígeno utilizando energía solar y dióxido de carbono, un proceso que puede ser aprovechado para reducir o eliminar la necesidad de aireación mecánica en sistemas de saneamiento.

Este efecto natural permite diseñar sistemas más sostenibles energéticamente, integrando microalgas y bacterias en consorcios simbióticos para tratamiento de aguas.

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Fundamentos del proceso algas-bacterias para el saneamiento

En el sistema integrado:

• Microalgas: capturan la luz solar, fijan CO₂ y producen oxígeno.
• Bacterias heterótrofas y nitrificantes: utilizan el oxígeno generado para degradar materia orgánica y transformar nitrógeno.
• Se elimina parte del fósforo y otros nutrientes a través de la captación por las microalgas.

Así, estos sistemas permiten realizar procesos de nitrificación, desnitrificación parcial y remoción de materia orgánica con menor uso de energía eléctrica.

Diseño y operación de fotobiorreactores para tratamiento de aguas

Los fotobiorreactores consisten en sistemas donde el agua residual es tratada mediante un cultivo controlado de microalgas y bacterias, generalmente expuestos a luz solar o iluminación artificial para permitir la fotosíntesis.

Características fundamentales

• Imagen en planta abierta o cerrada, con la opción de sistemas con membranas para clarificación del efluente.
• Dependencia del área superficial para captación lumínica: los reactores son más dependientes de metros cuadrados que de volumen.
• Acoplamiento de etapas de pretratamiento como sedimentación primaria para remover sólidos gruesos.
• Etapas posteriores para separación y valorización de biomasa algal.

Limitaciones asociadas al espacio

El principal desafío es la necesidad de espacio considerable debido a la dependencia de la luz, haciendo estos sistemas más compatibles con poblaciones pequeñas, rurales o periurbanas.

Innovación: integración de tecnologías de filtración en sistemas algas-bacterias

El uso de filtración y membranas en el proceso permite mantener una alta concentración de biomasa algal y bacteriana y mejorar la clarificación del efluente. Esto representa un avance para reducir el tamaño del reactor y asegurar la calidad del agua tratada.

Beneficios de la filtración por membranas

• Incremento en la concentración de biomasa dentro del reactor.
• Permeado libre de sólidos suspendidos, facilitando el reuso del agua.
• Reducción de coliformes y otros contaminantes microbiológicos.
• Mejora del desempeño global en remoción de DBO, nitrógeno y fósforo.

Consideraciones técnicas para operatividad óptima

Es fundamental controlar la concentración de biomasa, ya que excesos provocan sombreado y disminución de la fotosíntesis, con pérdida de eficacia.

En estudios recientes, se ha comprobado que operar con tiempos de retención hidráulica más cortos y retención de biomasa elevada mediante filtración puede reducir hasta a un tercio el volumen necesario del reactor.

Simulación y modelación matemática para optimizar sistemas algas-bacterias

La modelación matemática constituye una herramienta poderosa para evaluar múltiples escenarios de operación y optimizar las condiciones para maximizar el tratamiento y minimizar costos y espacio.

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Variables clave consideradas

• Flujos de entrada y tiempos de retención hidráulica y de sólidos.
• Concentración y dinámica de biomasa de microalgas, bacterias heterótrofas y nitrificantes.
• Parámetros ambientales como intensidad lumínica y temperatura.
• Balance de carbono, nitrógeno, fósforo y oxígeno en el sistema.

Principales hallazgos de las simulaciones

• La retención biomásica alta favorece un incremento de la biomasa pero también aumenta la producción de CO₂ por respiración celular.
• Existen condiciones óptimas para la nitrificación y desnitrificación simultáneas, aprovechando la fotosíntesis durante el día y la falta de oxígeno durante la noche.
• El intercambio gaseoso con la atmósfera y la contribución de oxígeno por contacto superficial son significativos.

Casos prácticos: aplicaciones y escalabilidad

Proyecto piloto en España

Se implementó una planta piloto en el sur de España que demostró la viabilidad de estos sistemas para poblaciones entre 1,000 y 10,000 habitantes, validando el concepto a escala real.

Estudio técnico-económico en Chile

Un análisis realizado en la zona semi-rural de Rungue analizó costos y beneficios, demostrando que un sistema basado en microalgas y bacterias es competitivo respecto a sistemas tradicionales, y que además genera subproductos valorizables, como compost y biomasa, con potencial agrícola.

Retos tecnológicos y perspectivas

Clarificación de efluentes

La baja sedimentabilidad de las microalgas hace necesaria la implementación de sistemas de filtración adecuados. Actualmente, se estudian tecnologías como membranas de filtración autoforzada, que combinan simplicidad operativa y bajo costo.

Optimización de las condiciones de operación

Se debe encontrar un equilibrio entre alta concentración biomásica para eficiencia y baja suficiente para garantizar penetración lumínica adecuada, haciendo uso de herramientas experimentales y modelación.

Necesidad de investigación a largo plazo

Aún existen desafíos en cuanto al comportamiento microbiano, la estabilidad del sistema y la gestión de nutrientes. La experimentación con agua residual real y sistemas de membrana continúa para mejorar la confiabilidad y escalabilidad.

Proceso completo paso a paso para implementación de un sistema algas-bacterias de saneamiento

1. Caracterización del agua residual: evaluación de la calidad y concentración de contaminantes.
2. Diseño del pretratamiento: eliminación de sólidos y materiales gruesos mediante sedimentación primaria.
3. Construcción del fotobiorreactor: selección de formato de reactor, área superficial y sistema de iluminación (natural o artificial).
4. Inoculación de microalgas y bacterias: selección y cultivo de cepas adecuadas.
5. Operación y monitoreo: control de tiempos de retención hidráulica y de sólidos, control de la concentración biomásica y parámetros clave (DBO, nitrógeno, fósforo).
6. Sistema de filtración y clarificación: implementación de membranas o filtros tipo autoforta para retener biomasa y obtener efluente limpio.
7. Separación y valorización de biomasa: recolección de algas para compostaje, producción de bioproductos o bioenergía.
8. Reuso o disposición final del agua tratada: evaluación para riego agrícola, recarga de acuíferos o descarga segura.

Tabla comparativa de sistemas tradicionales vs sistemas algas-bacterias

Palabras clave y su relevancia

Microalgas

Son microorganismos fotosintéticos que generan oxígeno usando luz solar y capturan carbono. En saneamiento, son fundamentales para producir oxígeno biológico que alimenta la actividad bacteriana, permitiendo una reducción en consumo eléctrico y una huella ambiental menor.

Bacterias heterótrofas

Microorganismos que degradan la materia orgánica utilizando oxígeno. Son esenciales para el tratamiento de aguas residuales al transformar contaminantes en productos menos nocivos.

Bacterias nitrificantes

Oxidan amoníaco a nitrato en presencia de oxígeno, pieza clave para la remoción de nitrógeno, lo que evita toxicidad y eutrofización en cuerpos de agua.

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Fotosíntesis

Proceso mediante el cual las microalgas capturan luz y CO₂ y liberan oxígeno. Permite impulsar el tratamiento biológico con energía renovable.

Saneamiento

Conjunto de procesos para eliminar contaminantes y proteger la salud pública. Integrar microalgas y bacterias ofrece alternativas energéticamente sustentables y apropiadas para zonas rurales.

Reuso de agua

Utilización de agua tratada para fines agrícolas o industriales, reduciendo la demanda de agua potable. Sistemas algas-bacterias ofrecen agua clarificada apta para este propósito.

Filtración por membranas

Tecnología avanzada para separar biomasa y limpiar el efluente, mejorando la calidad y facilitando la recirculación de biomasa para optimizar el proceso.

Oxígeno biológico

Oxígeno generado naturalmente por las microalgas que sostiene el metabolismo bacteriano en los reactores sin necesidad de aireación mecánica.

Te invitamos a complementar esta lectura con este video donde el Dr. David Jeison explica en detalle el uso de fotobiorreactores de membrana para el tratamiento sostenible de aguas residuales, explorando las sinergias entre microalgas y bacterias.

Preguntas frecuentes (FAQ)

¿Cuáles son las aplicaciones de las microalgas?

Las microalgas tienen aplicaciones muy diversas. Se utilizan principalmente para la producción de biocombustibles como biodiésel, bioetanol, biometano y biohidrógeno. Adicionalmente, pueden generar calor y electricidad, y su biomasa puede emplearse en la industria alimentaria, farmacéutica y en la producción de fertilizantes orgánicos.

¿Qué métodos se utilizan para el recuento de microalgas?

Para determinar la densidad celular de microalgas se aplican métodos directos como el conteo con cámara Neubauer bajo microscopio óptico y técnicas indirectas como la medición del peso seco de la biomasa. Existen también métodos automáticos basados en citometría y tecnologías espectrofotométricas para estimaciones rápidas y en línea.

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¿Cuáles son los tipos de cultivo de microalgas?

Los cultivos de microalgas pueden ser:

• Autótrofos: utilizan luz solar como energía y CO₂ como fuente de carbono.
• Heterótrofos: se desarrollan en ausencia de luz, utilizando materia orgánica como fuente de carbono y energía.

¿Por qué los sistemas algas-bacterias requieren más espacio que los sistemas tradicionales?

Porque dependen directamente de la luz para la fotosíntesis, la captación lumínica define la operación, por lo que se prioriza la superficie iluminación frente al volumen, incrementando el área total necesaria.

¿Cómo se evita la sedimentación deficiente de las microalgas en estos sistemas?

Se integran tecnologías de filtración, como membranas o filtros autoforzados, para retener y recircular la biomasa, logrando una concentración sustentable para el tratamiento sin pérdidas significativas.

¿Qué ventajas ofrece la integración de membranas en reactores algas-bacterias?

Permite mantener mayor concentración de biomasa, mejora la calidad del efluente eliminado sólidos, coliformes y reduce la necesidad de grandes volúmenes de reactor, facilitando la escalabilidad y reuso del agua tratada.

¿Qué desafíos representa el nitrato generado en estos sistemas?

En algunos casos, el nitrato se acumula y requiere etapas adicionales de desnitrificación para evitar su liberación al ambiente, ya que es un contaminante eutrofizante. La operación óptima del sistema puede favorecer la desnitrificación interna mediante condiciones anóxicas temporales.

¿Pueden estos sistemas utilizarse en zonas urbanas con alta población?

Actualmente, por la limitante de espacio, su implementación en grandes ciudades es reducida, siendo más adecuados para poblaciones pequeñas, rurales o semiurbanas donde existen mayores disponibilidades de terrenos y necesidades de sistemas descentralizados.

¿Cuál es el impacto ambiental comparado con los sistemas tradicionales?

Los sistemas algas-bacterias ofrecen una huella de carbono inferior debido a la fijación de CO₂ a través de la fotosíntesis y la reducción del consumo eléctrico, ayudando a mitigar las emisiones asociadas al saneamiento de aguas.

¿Qué costos aproximados tiene la construcción y operación de un sistema algas-bacterias?

Estudios en Chile estiman que los costos pueden ser competitivos o inferiores a los sistemas tradicionales, considerando inversión, operación y mantenimiento, especialmente cuando se valora la generación de subproductos y la reducción del consumo energético.

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Conclusión y llamado a la acción

Los sistemas basados en microalgas y bacterias para el saneamiento de aguas residuales representan una apuesta prometedora hacia modelos más sostenibles, energéticamente eficientes y amigables con el medio ambiente. Sin embargo, requieren desarrollo tecnológico e innovación para superar retos de espacio, clarificación y escalabilidad.

Si te interesa implementar esta tecnología o necesitas asesoramiento para proyectos de tratamiento de aguas con soluciones innovadoras, en Código6 contamos con especialistas en ingeniería, biotecnología y automatización. Contactanos para comenzar tu proyecto hoy y sumate a la revolución del saneamiento sustentable.