Artículo cientíﬁco / Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA

pISSN:1390-3799; eISSN:1390-8596

https://doi.org/10.17163/lgr.n41.2025.06

FOTOBIORREACTOR URBANO PARA EL SECUESTRO DE CO2Y LA

PRODUCCIÓN DE BIOMASA MICROALGAL

URBAN PHOTOBIOREACTOR FOR CO2SEQUESTRATION AND MICROALGAL

BIOMASS PRODUCTION

Saim Khan1, Mehmood Ali*1, Atif Mustafa1y Aqsa Iqbal2

1Department of Environmental Engineering, NED University of Engineering Technology, Karachi-75270, Pakistan.

2Department of Chemical Engineering, NED University of Engineering Technology, Karachi-75270, Pakistan.

*Autor para correspondencia: mehmood@neduet.edu.pk

Manuscrito recibido el 27 de mayo de 2024. Aceptado, tras revisión el 22 de octubre de 2024. Publicado el 1 de marzo de 2025.

Resumen

El sistema de crecimiento de fotobiorreactores (PBRs) de microalgas es de gran interés pues es un método viable

y sostenible para generar biomasa de calidad destinada a productos de valor agregado y biocombustibles. En este

estudio se cultivó la especie de microalga Chlorella vulgaris en un fotobiorreactor diseñado, fabricado y alimentado

por un sistema de energía solar. Se compararon tres condiciones experimentales con proporciones de 1:4 de cultivo

de microalgas (40 L) y agua fresca (10 L), utilizando 100 mL de medio (nutrientes) en cada experimento: un expe-

rimento control (aireación con aire ambiente, experimento # 1), la inyección de 200 g de CO2durante 15 segundos

(experimento # 2), y la inyección de 300 g de CO2durante 25 segundos (experimento # 3) en días alternos durante el

periodo de cultivo. Todos los experimentos mostraron una reducción en la concentración de nutrientes (ortofosfato

y nitrato) y un aumento en la productividad de biomasa tras un periodo de cultivo de 10 días. Los experimentos 1,

2 y 3 mostraron remociones de ortofosfato del 50%, 41,74% y 60,78%, respectivamente, mientras que la remoción de

nitrato fue del 22%, 48% y 58%. La productividad de biomasa en los experimentos 1, 2 y 3 tras 10 días de cultivo fue

de 196,63 mg/L, 203,43 mg/L y 318,76 mg/L, respectivamente. El análisis estadístico reveló que el suministro de CO2

desde una fuente externa en los experimentos # 2 y # 3 sigue un patrón similar de signiﬁcancia estadística, con una

correlación entre ambos grupos de medias y un valor de p de 6 306 ×10−14. La mayor biomasa de microalgas fue re-

cuperada del experimento # 3, con un contenido proteico del 7,98% en peso y un contenido lipídico del 37,4% en peso

(1,87 g/5 g de biomasa seca). El estudio cinético mostró que las capacidades de transferencia volumétrica de masa de

KO2y KCO2fueron de 1 763×10−7m3/s y 1 676×10−7m3/s, respectivamente, siendo más eﬁciente la capacidad de

transferencia de KCO2del sistema. Los lípidos extraídos presentaron ácidos grasos favorables para la producción de

biodiésel de microalgas, como ácido mirístico (C14:0), palmítico (C16:0), palmitoleico (C16:1), oleico (C18:1), linolei-

co (C18:1) y linolénico (C18:3). El uso de fotobiorreactores urbanos de microalgas es una estrategia ambientalmente

sostenible que puede contribuir signiﬁcativamente a la economía basada en recursos biológicos y reducir los efectos

negativos del uso tradicional de combustibles fósiles sobre el medio ambiente.

Palabras clave: Secuestro de carbono, Fotobiorreactor urbano, Captura de carbono, Productividad de biomasa, Bioﬁ-

100 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

jación de CO2,Chlorella vulgaris, Producción de biocombustibles.

Abstract

The growth system of microalgae photobioreactors (PBRs) has drawn a lot of interest as a viable and sustainable

method for generating quality biomass for value-added products and biofuels. The objective of this research work

is to cultivate microalgae species Chlorella vulgaris in a photobioreactor that was designed, fabricated, and powered

by solar energy system. Three experimental conditions were compared with 1:4 ratios of microalgae culture (40L)

and fresh water (10L) having 100mL of media (nutrients) used in each experiment with control sample (ambient air

aeration) experiment # 1, injecting 200 g of CO2for 15 sec (experiment # 2), and 300g of CO2for 25 sec (experiment

# 3) on alternate days during the cultivation period. All experiments showed the reduction of nutrients concentra-

tion (orthophosphate and nitrate) and enhancement of biomass productivity with respect to 10 days of cultivation

period. Experiments 1, 2 and 3 showed removal of orthophosphate as 50%, 41.74% and 60.78% respectively, whereas

nitrate removal was 22%, 48% and 58%. Biomass productivity from experiments 1, 2 and 3 after 10 days of cultiva-

tion period were 196.63 mg/L, 203.43 mg/L, 318.76 mg/L respectively. Statistical analysis revealed that supplying

CO2from external source in experiment # 2 and experiment # 3 have same pattern of statistical signiﬁcance with

co-relationship between two groups of means with p-value of 6.306 ×10−14. The maximum microalgal biomass was

recovered from experiment # 3, with 7.98% by weight protein content yield and lipid content yield 37.4% by weight

(1.87/ 5 g of dried biomass). Kinetic study showed volumetric mass transfer capacities of KO2and KCO2were found

to be 1.763×10−7m3/s and 1.676×10−7m3/s, with better result of KCO2gas transfer capacity of the system. In the

extracted lipids favorable qualities of fatty acids for the production of microalgae biodiesel were found such as my-

ristic (C14:0), palmitic (C16:0), palmitoleic (C16:1), oleic (C18:1), linoleic (C18:1), and linolenic acids (C18:3). The use

of urban microalgae photobioreactors is an environmentally sustainable strategy that can contribute signiﬁcantly to

the bio-based economy and reduce the negative effects of traditional fossil fuel usage on the environment.

Keywords: Carbon sequestration, Urban photobioreactor, Carbon capture, Biomass productivity, CO2bio-ﬁxation,

Chlorella vulgaris, Biofuel production.

Forma sugerida de citar: Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A. (2025). Fotobiorreactor urbano para el secuestro

de CO2y la producción de biomasa microalgal. La Granja: Revista de Ciencias de la

Vida. Vol. 41(1):100-117. https://doi.org/10.17163/lgr.n41.2025.06.

IDs Orcid:

Saim Khan: https://orcid.org/0009-0000-6256-4619

Mehmood Ali: https://orcid.org/0000-0002-1804-2677

Atif Mustafa: https://orcid.org/0000-0002-3815-0800

Aqsa Iqbal: https://orcid.org/0009-0001-7327-8877

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

1 Introducción

La combustión de combustibles fósiles como el car-

bón, el petróleo y el gas natural son la mayor causa

del cambio climático, representando el 75% de to-

das las emisiones de gases de efecto invernadero y

casi el 90% de todas las emisiones de dióxido de

carbono. Las emisiones de gases de efecto inver-

nadero cubren la Tierra, atrapando el calor del sol

y causando el cambio climático y el calentamien-

to global. Actualmente la tierra se está calentando

más rápido que en cualquier otro momento regis-

trado en la historia. Con el tiempo, el aumento de

las temperaturas está alterando los patrones climá-

ticos y el equilibrio natural del medio ambiente, lo

que plantea muchos riesgos para los seres humanos

y todas las otras formas de vida en la Tierra (United

Nations, 2024). Entre 1900 y 2020, la atmósfera de la

Tierra experimentó un aumento de la temperatura

de alrededor de 1,1 ◦C, lo que provocó cambios en

los patrones climáticos y el calentamiento global; la

temperatura media mundial aumenta a 2 ◦C por en-

cima del nivel de los tiempos preindustriales, por lo

que la búsqueda de medidas para limitar el aumen-

to a 1,5 ◦C fue el objetivo declarado en el Acuerdo

de París. Esto también ayuda a cumplir con el obje-

tivo de desarrollo sostenible (ODS) número 13 de la

ONU, es decir, combatir la acción climática formu-

lada en 2016.

El consumo de energía se alimenta principal-

mente de combustibles fósiles, que representan al-

rededor del 85% de todas las fuentes de energía

a nivel mundial. Los cientíﬁcos han emitido ad-

vertencias sobre el riesgo de quedarse sin suminis-

tros ﬁnitos de combustibles fósiles por no crear una

fuente de energía alternativa viable para reempla-

zar las reservas petroleras. Otro tema que no ha sido

suﬁcientemente estudiado es la contaminación y las

emisiones que provienen de la exploración y pro-

ducción de combustibles fósiles (Valavanidis, 2023).

Por lo tanto, los retos que plantea el agotamiento de

las reservas de combustibles fósiles y la crisis me-

dioambiental que se derivan del uso de combusti-

bles fósiles hacen cada vez más necesario encontrar

combustibles ecológicamente sostenibles y limpios

para utilizarlos con el ﬁn de mitigar el cambio cli-

mático y el calentamiento global (Mahapatra et al.,

2021; Rodionova et al., 2017). Con el ﬁn de reducir

el impacto de las emisiones de GEI procedentes de

la quema de combustibles fósiles, los biocombus-

tibles se producen mediante procesos biológicos o

se obtienen mediante la conversión química de la

biomasa como sustituto de los combustibles fósiles

(Rodionova et al., 2017). Existen varios tipos de bio-

combustibles, por ejemplo, los biocombustibles de

primera generación, que consisten en etanol deriva-

do de cultivos alimentarios ricos en almidón o bio-

diesel creado a partir de grasas animales residuales

como grasa para freír. La segunda generación se

compone de bioetanol derivado de material celuló-

sico no alimentario y biodiesel producido a partir

de semillas de plantas ricas en aceite como pon-

gamia. El método más prometedor para satisfacer

las demandas energéticas del mundo es la tercera

generación de biocombustibles, que se producen a

partir de microalgas, cianobacterias y otros micro-

organismos (Rodionova et al., 2017).

La amenaza planteada por la contaminación del

aire que causa el cambio climático provocada por

diferentes actividades humanas ha atraído la aten-

ción de todo el mundo. Aunque antes se creía que

la tecnología era la forma para disminuir esta situa-

ción, las técnicas de captura y almacenamiento de

carbono (CAC) ahora no se consideran económica-

mente viables, y no está claro qué efecto tendrán

en el medio ambiente en el futuro (Sievert et al.,

2023). Como alternativa, el uso de microalgas para

la captura biológica de dióxido de carbono (CO2)

se considera un método prometedor para reciclar el

excedente de CO2producido por vehículos, plan-

tas de energía, industrias, erupciones volcánicas,

la descomposición de materiales orgánicos e in-

cendios forestales. Por otra parte, el CO2se puede

absorber por las microalgas y puede ser regenerado

en biomasa, que luego puede utilizarse como fuen-

te de carbono para fabricar lípidos para la síntesis

de bioenergía y otros productos con valor añadido

(Sievert et al., 2023). Se puede obtener la biomasa

a escala masiva mediante el cultivo de microalgas,

utilizando dos sistemas de cultivo principales, co-

mo un estanque abierto y un sistema de fotobio-

rreactor. La mayor productividad de la biomasa se

puede obtener a través de un ambiente controlado

utilizando un fotobiorreactor, y considerando el me-

tabolismo de las microalgas que se puede clasiﬁcar

como fotoautotróﬁco, fotoheterotróﬁco, heterotróﬁ-

co y mixotróﬁco. De igual forma, se necesitan la luz

solar, algunos elementos inorgánicos básicos como

el dióxido de carbono (CO2) y las sales metálicas

para el desarrollo celular o el proceso de metabo-

102 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

lismo del cultivo de las microalgas. Las microalgas

heterotróﬁcas, por otra parte, requieren una fuente

adicional de ciertos compuestos orgánicos y nu-

trientes, como nitrógeno (N) y fósforo (P). Otras

investigaciones demuestran que el cultivo de Clo-

rella en un medio mixotróﬁco aumenta la eﬁciencia

de la fotosíntesis y proporciona recursos orgánicos

exógenos. Además, a lo largo del proceso de cultivo,

el cultivo de microalgas reduce signiﬁcativamente

las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2),

además de producir biomasa y biocombustibles.

Por otro lado, se pueden usar las aguas residuales

de diferentes fuentes como medio de cultivo para

microalgas. Las cepas de microalgas que son fo-

toheterotróﬁcas, mixotróﬁcas o heterotróﬁcas han

crecido en medios claros y oscuros (Saratale et al.,

2022).

Para el cultivo de microalgas, se utiliza un bio-

rreactor fotográﬁco (PBR) que tiene un recipiente de

cultivo cerrado con ajustes operativos para regular

la biomasa. Como organismo fotosintético, las mi-

croalgas se pueden cultivar tanto en sistemas cerra-

dos (fotobiorreactor) como abiertos (estanque). Por

otro lado, se puede obtener un mejor control de los

entornos de cultivo con los fotobiorreactores, que se

están desarrollando para una máxima productivi-

dad, eﬁcacia económica y mantenimiento mínimo.

El crecimiento de las microalgas, la fotosíntesis y

la acumulación de lípidos dependen de una serie

de variables como la luz, la temperatura, el pH del

medio, la presencia de CO2, y de macronutrientes

como el potasio, los fosfatos y los nitratos (Saratale

et al., 2022).

Un fotobiorreactor urbano es un enfoque alter-

nativo para la ecologización que se creó para el

entorno urbano, donde la ecologización tradicional

no es práctica debido a las limitaciones de espacio,

los valores de la tierra y la contaminación del ai-

re. Se basa en la alta eﬁciencia de producción de

CO2y O2de la tecnología de microalgas y fotobio-

rreactores. Es igual a un árbol maduro o 200 metros

cuadrados de césped, dependiendo de la tasa de ﬁ-

jación de carbono. Por su naturaleza polivalente, su

diseño reﬂexivo y su construcción segura, se fun-

de con el entorno urbano (Rehman et al., 2022). El

cultivo de microalgas en un fotobiorreactor incluye

una serie de factores como las especies de micro-

algas, el diseño del fotobiorreactor, la elección de

la fuente de luz, los mecanismos de mezcla, el su-

ministro de nutrientes, el control de la temperatura

y el pH, y consideraciones para la recolección y el

procesamiento. En este proceso de diseño es im-

portante hacer hincapié en una alta relación entre

superﬁcie y volumen. Debido a la naturaleza de-

pendiente de la luz, una mayor superﬁcie facilita

una mayor penetración de la luz, que es un requisi-

to fundamental para la fotosíntesis (Stojiljkovi´c and

Spasojevi´c, 2023).

Un método sostenible para capturar el dióxi-

do de carbono y utilizarlo para producir productos

renovables y reducir las emisiones es el uso de mi-

croalgas fotosintéticas. Estudios anteriores se han

concentrado principalmente en los subproductos

de las microalgas, especialmente los biocombusti-

bles, en lugar de su capacidad para secuestrar CO2.

Chlorella sp. se cultivó en una investigación a con-

centraciones de CO2similares a las observadas en

los gases de escape de las centrales eléctricas. Se

descubrió que el 5% de CO2era la concentración

ideal para la producción de biomasa de microalgas.

La eﬁciencia de eliminación de CO2de los cultivos

se observó de forma continua, utilizando un sen-

sor infrarrojo no dispersivo. En el transcurso de 14

días, la eﬁcacia media de eliminación de CO2fue

del 17,5%, lo que es signiﬁcativamente superior a

los valores comunicados en la bibliografía cuando

no se utiliza ningún sistema de control directo en

tiempo real (Scheufele et al., 2019). Las microalgas

tienen la capacidad de producir entre 10 y 20 ve-

ces más aceite que los cultivos de semillas de aceite

vegetal, y se consideran una materia prima prome-

tedora para la producción de biocombustibles de

tercera generación (Leﬂay et al., 2021).

La limpieza de los gases de combustión ha gene-

rado un gran interés debido a la creciente preocupa-

ción por las emisiones de CO2y la degradación am-

biental. Un método de reducción de las emisiones

de CO2de los gases de combustión que se considera

prometedor es el uso de microalgas para la fotosín-

tesis. Por otra parte, los contaminantes de los gases

de combustión podrían impedir el crecimiento de

las microalgas, lo que reduciría la tasa de ﬁjación de

CO2por las microalgas. Un nivel constante de pH

puede ayudar a mitigar los efectos inhibidores de

SOx, que contribuyen al pH bajo, mientras que NOx

puede ser utilizado como fuente de nitrógeno para

fomentar el crecimiento de las microalgas una vez

que se disuelve y se oxida en el medio de cultivo. Fi-

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

jar el CO2de los gases de combustión y utilizar NOx

y SOxcomo nutrientes generaría biomasa de micro-

algas, que puede utilizarse como materia prima

adecuada para producir biocombustibles y biopro-

ductos químicos (Ali et al., 2021). Las microalgas

pueden utilizarse como materia prima sostenible

para la producción de biodiésel mediante extrac-

ción de lípidos y un proceso de transesteriﬁcación

debido a su alto contenido de lípidos y a sus tasas

de crecimiento rápido. Sin embargo, es necesario

eliminar una serie de obstáculos para producir bio-

diésel derivado de microalgas, como los altos costos

de producción, la baja productividad de los lípidos

y los temas relacionados con el crecimiento y la co-

secha a gran escala. La producción de biodiésel a

partir de microalgas parece tener un futuro prome-

tedor con posibles usos en una serie de sectores,

incluidos la agricultura, la energía y el transporte

(Yen et al., 2015).

Los objetivos del presente estudio de investiga-

ción son diseñar y fabricar un fotobiorreactor ur-

bano de 250 L operado por sistema de energía solar

para cultivar Chlorella vulgaris en condición de agua

dulce. Los experimentos incluyeron la muestra de

control suministrada con aireación del medio am-

biente, mientras que se realizaron dos experimen-

tos con concentraciones intermitentes de CO2para

investigar la inﬂuencia del CO2en la productividad

de la biomasa y su bioﬁjación. En días alternos se

monitorearon y midieron los parámetros de creci-

miento del cultivo de microalgas, como la elimina-

ción de nutrientes, la productividad de la biomasa

y el secuestro de CO2.

2 Materiales y Métodos

2.1 Medio de cultivo y nutriente de micro-

algas

El cultivo de microalgas de Chlorella vulgaris se ob-

tuvo en los Laboratorios Karachi del Departamento

de Recursos Marinos del Consejo de Investigación

Cientíﬁca e Industrial de Pakistán (PCSIR), mien-

tras que el medio de cultivo (F/2) Guillards se pre-

paró por litro con una composición de 34g de sal

marina, 84,15 mg NaNO3, 6 mg Na2MoO4.2H2O,

2,9 mg FeCl3.6H2O, 10 mg Na2EDTA.2H2O, 33

mg Na2SiO3.9H2O, 1,96 mg CuSO4.5H2O, 4,4 mg

ZnSO4.7H2O, 1,26 mg Ma2MoO4.2H2O, 36 mg

MnCl2.4H2O, 2 mg CoCl2.6H2O, 0,4 mg Vitamina

B1, 0,002 mg Vitamina B12, 0,1 mg Biotina.

2.2 Diseño de un fotobiorreactor

Un fotobiorreactor para el cultivo de microalgas in-

cluye una serie de factores como las especies de mi-

croalgas, el diseño del fotobiorreactor, la elección de

la fuente de luz, los mecanismos de mezcla, el su-

ministro de nutrientes, el control de la temperatura

y el pH, y consideraciones para la recolección y el

procesamiento. En este diseño resulta crítico una re-

lación alta entre superﬁcie y volumen. Debido a la

naturaleza dependiente de la reacción de la luz, una

mayor superﬁcie facilita una mayor penetración de

la luz, que es un requisito fundamental para la fo-

tosíntesis. Para lograr un equilibrio óptimo, se pue-

de aumentar la relación entre superﬁcie y volumen

empleando diseños y conﬁguraciones geométrica-

mente eﬁcientes. Este énfasis en la optimización de

la relación superﬁcie-volumen subraya la importan-

cia de una exposición eﬁciente a la luz y una dis-

tribución eﬁciente de los nutrientes. Para un foto-

biorreactor rectangular basado en su especiﬁcación

geométrica, se puede calcular la superﬁcie y el vo-

lumen mediante las siguientes ecuaciones (1) y (2):

As=2HW +2HL (1)

V=HW L (2)

Donde W es la anchura, H es la altura y L es la

longitud del fotobiorreactor de pantalla plana. De

acuerdo con la ecuación 3, la tasa de subida de la

burbuja uby el diámetro medio de la burbuja db

determinan la tasa de los cultivos de burbuja o ai-

reación. La velocidad de las burbujas depende de

su tamaño y de las características del ﬂuido, por lo

tanto, para las burbujas medianas en el agua, 0,24

m/s es un valor aceptable obtenido por la ecuación

de Hadamard-Rybczynski El diámetro de la burbu-

ja se puede estimar en función de las propiedades

y condiciones del ﬂuido utilizando la ecuación de

Calderbank (Gaurav et al., 2024). Esta ecuación in-

dica que cuanto menor es el tamaño de la burbuja,

mayor es la tasa de corte y el daño resultante a los

cultivos de microalgas.

Yaireaci ´on =2·ub

(3)

La Figura 1 muestra el diagrama esquemático de

un fotobiorreactor urbano.

104 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

Figura 1. Vista isométrica del diseño de un fotobiorreactor urbano.

2.3 Condiciones experimentales del cultivo

de microalgas en un fotobiorreactor

Se diseñó un fotobiorreactor de vidrio rectangular

de 90cm de altura (35,43 pulgadas), 32cm de ancho

(12,59 pulgadas), 121cm de longitud (47,63 pulga-

das), con capacidad de volumen de aproximada-

mente ∼350 L, mientras que su cubierta superior es

de 97 cm (38,18 pulgadas) y 178 cm (70 pulgadas)

con 500 W panel solar PV con tamaño 58 pulgadas

×26 pulgadas ×1,5 (largo ×ancho y alto). El pa-

nel solar fotovoltaico se colocó en un ángulo de 30

grados en la parte superior del fotobiorreactor pa-

ra aprovechar la energía solar de manera eﬁciente,

pero también se alinea con las prácticas ecológicas

contemporáneas, contribuyendo a una reducción

de la huella de carbono. El fotobiorreactor estaba

provisto de un marco metálico para albergar una

batería, un inversor y una bomba de aire. Para las

especies de microalgas Chlorella vulgaris, la fuente

de luz para la fotosíntesis es un componente esen-

cial del sistema, por lo que se instalaron dos leds

de 7 W operado por sistema de energía solar. El fo-

tobiorreactor utiliza una combinación de luz solar

durante el día y luces led durante la noche, obteni-

da mediante el uso de energía solar. Para mantener

una dispersión uniforme de la luz y los nutrientes,

se proporcionan difusores de aire para una airea-

ción adecuada desde el fondo del fotobiorreactor.

El cultivo de microalgas tuvo un volumen de

trabajo de 100 L. Se utilizó el nutriente (medio es-

tándar F/2) como aditivo de crecimiento para los

experimentos. El cultivo de microalgas se mantu-

vo bajo luz solar asistida durante los 10 días de

tiempo de cultivo. La irradiancia de la luz solar en

caída (Lux) en el fotobiorreactor y el panel solar fo-

tovoltaico y los LED durante la noche se midieron

con un medidor de intensidad de luz (MS6612T,

Mastech, China). Cada experimento se midió con

diferentes proporciones de cultivo, medio (nutrien-

tes) y agua con/sin dióxido de carbono (CO2); de

igual forma, los parámetros como pH, TDS, tem-

peratura y EC se midieron usando un medidor de

pH/ORP/EC/TDS/temperatura (EZ-9910, Multi-

función, China).

Se realizaron tres experimentos según el siguien-

te protocolo, variando la concentración de dióxido

de carbono en el cultivo de microalgas y en el agua

(ver Tabla 1). El dióxido de carbono (CO2) con una

concentración de pureza del 98% se dosiﬁcó de for-

ma intermitente en días alternos. La mezcla se logra

utilizando difusores de aire operados por una bom-

ba de aire (1780 GPH, Kulife Aquarium Air Pump,

China), que suministra aire en una hora alternati-

va durante 15 minutos, alimentado por un sistema

de energía solar. Se utilizó el cultivo de microalgas

con aireación al aire y con enriquecimiento de CO2

(200 g y 300 g) de inyección intermitente de CO2en

las fases posteriores del experimento. Este estudio

incluye tres conjuntos de experimentos para inves-

tigar el crecimiento de las microalgas a diversos ni-

veles de concentración de CO2.

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

Tabla 1. Ratios agua/medio (nutrientes) utilizados en el estudio experimental.

Experimento

n◦1*

Experimento

n◦2*

Experimento

n◦3*

Agua (L) 40 40 40

Cultivo de

microalgas

(L)

10 10 10

Solución de

medio nutritivo

estándar F/2

(ml)

100 100 100

Tiempo de

inyección

intermitente

de CO2

15 seg.

(200 g de

CO2)

25 seg.

(300 g de

CO2)

*Cada experimento se repitió dos veces, y los resultados de los parámetros

físicos y químicos se presentan como un valor promedio.

2.4 Bioﬁjación de CO2por microalgas du-

rante el cultivo

El caudal de CO2introducido en el fotobiorreactor

se midió mediante la ecuación de continuidad (4):

Q=A×V(4)

Se midieron el caudal (Q), el área de la tubería

(A) y la velocidad del gas CO2(V) inyectado en el

sistema a través de una tubería de manguera de

caucho con un diámetro (0,018 m) utilizado para

inyectar CO2en el fotobiorreactor, usando un cali-

brador vernier a través del cual se calculó el área.

Mientras que la velocidad del CO2inyectado en el

tanque del fotobiorreactor se midió con un medi-

dor meteorológico (Kestrel 4000NV, USA). El CO2

se dosiﬁcó durante 15 segundos en el experimento

# 1 y 25 segundos en el experimento # 2 en días

alternos. El volumen de CO2inyectado se calcula

multiplicando el caudal por el tiempo de dosiﬁca-

ción y, a continuación, la masa de CO2se calcula

por Densidad = Masa/ Volumen.

El uso de microalgas fotosintéticas para la cap-

tura de carbono ofrece el potencial de un sistema

de captura sostenible, que puede reducir las emisio-

nes y producir productos renovables (Borowitzka,

1999). La tasa de bioﬁjación del carbono, RCO2(gCO2

/L/ día) se calcula mediante la ecuación 5:

RCO2=%C×PB MWCO2

MWC(5)

El RCO2se reﬁere a la tasa de bioﬁjación del CO2,

el% C indica el contenido total de carbono, el PB

es la productividad de la biomasa (mg de bioma-

sa producida por litro al día), el MWCO2denota el

peso molecular del CO2y el MWCes el peso mo-

lecular del carbono.%C es el contenido de carbono

de la biomasa seca, estimado en ∼50 (Borowitzka,

1999).

2.5 Modelización de la capacidad de trans-

ferencia volumétrica de masa de dió-

xido de carbono (CO2) en un fotobio-

rreactor

La transferencia de masa en un fotobiorreactor es el

ﬂujo de sustancias entre las fases gaseosa y líquida,

incluidos los gases (como el dióxido de carbono y

el oxígeno) y los nutrientes. La transferencia de ma-

sa se ve favorecida en gran medida por la aireación,

que generalmente se logra por el aire burbujeante a

través del medio líquido. Como resultado se incre-

menta el área interfacial entre las fases líquida y ga-

seosa. La teoría de la película es un método común

que se utiliza para explicar la transferencia de masa

en la superﬁcie de la interfaz gas-líquido (Amaral

et al., 2019). Esta hipótesis aﬁrma que la transferen-

cia de masa se produce a través de un revestimiento

líquido delgado que se forma alrededor de las bur-

bujas de gas. La velocidad a la que una sustancia

pasa de la fase gaseosa a la fase líquida se mide me-

diante el coeﬁciente de transferencia de masa (k) de

la ecuación 6. Su deﬁnición es la relación entre el es-

106 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

pesor de la capa limítrofe (δ) en el punto de contacto

entre gas y líquido y el coeﬁciente de difusión de la

sustancia (D) en un medio líquido. El coeﬁciente de

transferencia de masa para O2en el fotobiorreactor

viene dado por (Faruque et al., 2021).

k=D

δ(6)

Teniendo en cuenta el impacto de las dimensio-

nes del fotobiorreactor en las tasas de transferencia

de masa, incluyendo su superﬁcie en los cálculos,

la superﬁcie del fotobiorreactor afecta directamente

a las tasas de transferencia de masa, ya que deter-

mina la interfaz gas-líquido disponible para el in-

tercambio de gas. Considerando la geometría única

del reactor, la capacidad de transferencia volumétri-

ca de masa calculada muestra las velocidades a las

que las moléculas de dióxido de carbono y oxígeno

pueden pasar de la fase gaseosa a la fase líquida por

área unitaria de la interfaz gas-líquido. Esto se cal-

cula mediante la ecuación 7 (Faruque et al., 2021):

k=D×A

δ(7)

El área de superﬁcie de un fotobiorreactor rec-

tangular se calculó mediante la ecuación 8:

A=2(L×W+L×H+W×H)(8)

2.6 Medición de los parámetros de creci-

miento de las microalgas

2.6.1 Irradiancia y temperatura solares

La irradiancia solar en caída (Lux) en el fotobio-

rreactor y los LED durante la noche se midieron

con un medidor de intensidad luminosa (MS6612T,

Mastech, China).

2.6.2 pH, TDS, TSS y conductividad eléctrica

pH, TDS, TSS y conductividad eléctrica fueron por

medidor multifuncional (EZ-9910, Multifunction,

China).

2.6.3 Eliminación de nutrientes (nitratos y ortofos-

fato)

Las concentraciones de nitrato y ortofosfato se mi-

dieron con un espectrofotómetro DR-500 UV-Vis

(Hach, EE.UU.). La cantidad de nitrato se midió

añadiendo nitrato de aluminio en polvo (Hach,

EE.UU.) como reactivo a 10 mL de la muestra para

detectar la concentración de nitrato. Para medir la

cantidad de nitrato a 425 nm, se introdujeron 10 mL

de la solución preparada en la muestra, de forma

similar a como se añadieron y mezclaron adecuada-

mente las muestras agitando con 8 mL de solución

reactiva combinada con procedimientos convencio-

nales para el ensayo de agua y aguas residuales de

acuerdo con las proporciones dadas para el método

del ácido ascórbico (4500-P. E) para determinar la

concentración de ortofosfato (Amaral et al., 2019).

Se añadió una muestra de 10 mL de la solución a la

célula de muestreo del espectrofotómetro después

de 10 minutos, y la concentración se determinó a

880 nm.

2.6.4 Productividad de biomasa

La productividad de la biomasa se midió con un es-

pectrofotómetro UV-Vis (DR 5000, Hach, EE.UU.) a

680 nm de Hach (EE.UU.). Según la bibliografía (Le-

ﬂay et al., 2021), se evaluaron los rendimientos de la

biomasa de microalgas durante un período de cre-

cimiento de 10 días midiendo la densidad óptica.

Se utilizó biomasa seca estándar de Chlorella vulgaris

para graﬁcar la concentración conocida de biomasa

de microalgas (mg/mL) y la absorbancia a 680 nm.

2.7 Extracción de proteínas

La muestra líquida con mayor productividad de

biomasa fue seleccionada para la detección de pro-

teínas y análisis de ácidos grasos. Para la detec-

ción de proteínas, se utilizó el método estándar de

Lowry para la extracción y cuantiﬁcación de proteí-

nas. El análisis de extracción de proteínas se llevó a

cabo en el Centro de Investigación de Recursos Ma-

rinos y Alimentarios, Laboratorios PCSIR, Karachi.

2.8 Análisis de la composición de la extrac-

ción de lípidos y ácidos grasos

Se centrifugó una muestra de suspensión de mi-

croalgas cultivadas de 250 mL a 3000 rpm median-

te centrifugadora multiuso (1580 R, Lab-Tech, Ita-

lia) durante 30 minutos para separar la fase líqui-

da del contenido de biomasa orgánica. La bioma-

sa orgánica se secó a 80 ◦C durante 3 horas en un

horno (YCO-NO1, Gemmy Industrial corporation,

Taiwán), después de secar las astillas de biomasa se-

cas se pulverizaron en un mortero y el almirez. Se si-

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

guió el procedimiento de Bligh y Dyer para extraer

lípidos de la biomasa de microalgas secas según la

bibliografía, utilizando n-hexano como disolvente

orgánico de extracción (Leﬂay et al., 2021) y se mi-

dió el rendimiento de lípidos extraídos en peso uti-

lizando una balanza electrónica (AB 304-S, Mettler

Tolendo, Suiza).

3 Resultados y Discusión

3.1 Fotobiorreactor urbano fabricado

Se diseñó un fotobiorreactor urbano con dimensio-

nes altura ×anchura ×longitud (35,43 ×12,59 ×

47,63) pulgadas, con un volumen total de 350 L que

muestra una estructura innovadora adaptada para

el cultivo eﬁciente de microalgas para la mitigación

del cambio climático, como se muestra en la Figura

3.2 Análisis de parámetros de crecimiento

de microalgas

3.2.1 Irradiancia y temperatura solares

La investigación indica que las temperaturas más

altas pueden mejorar las actividades enzimáticas

involucradas en la asimilación de nutrientes y la

acumulación de lípidos, fundamental para la pro-

ducción de biocombustibles. Sin embargo, existe un

intervalo óptimo de temperaturas para cada espe-

cie de alga, ya que las temperaturas excesivamente

altas pueden dar lugar a estrés térmico, alterando

las funciones celulares e impidiendo el crecimiento.

El poder comprender y controlar las condiciones de

temperatura resulta esencial para optimizar los sis-

temas de producción de biocombustibles basados

en algas. Los resultados del experimento # 1 mos-

traron la irradiación solar y el perﬁl de temperatura

para los 10 días de tiempo de cultivo, con valores

promedio de 22,02 ◦C y 362,5 W/m2respectivamen-

te (ver Tabla 2).

Las Tablas 3 y 4 muestran variaciones de tem-

peratura durante el período de cultivo entre 22,3 y

24,0 ◦C y entre 23,9 y 25,3 ◦C para el experimento # 2

y # 3, respectivamente. La irradiación solar prome-

dio medida para el experimento 1 y el experimento

2 fue de 391,9 y 430,4 W/m2respectivamente. La

Tabla 4 indica que el intervalo óptimo de tempera-

turas para una mayor producción de biomasa está

entre 24 y 25 ◦C, mientras que para la irradiación

solar es de 430,4 W/m2lo que produce un máximo

de 319,9 mg/L de rendimiento de biomasa de mi-

croalgas después de 10 días de período de cultivo.

Figura 2. Fotobiorreactor urbano diseñado y fabricado localmente.

3.2.2 pH, TDS, TSS y conductividad eléctrica

El crecimiento y el metabolismo de las algas se ven

inﬂuidos por el pH tanto para el comportamiento

de los fotobiorreactores como para el crecimiento de

las microalgas, y desempeña un rol fundamental en

la determinación de la disponibilidad de nutrien-

108 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

tes, la regulación de las actividades metabólicas y la

salud general de las microalgas en el medio de cul-

tivo (Shuler and Kargi, 2002). Además de depender

de la solubilidad en CO2, el valor de pH del medio

de cultivo parece estar inﬂuido por la absorción de

nitrógeno, que es necesaria para el desarrollo de las

células de las algas y el consumo posterior de ni-

trato por las microalgas (Borowitzka, 1999). El pH

del medio del experimento # 1 fue entre 7,9 y 8,3,

arrojando un promedio de 8,12 que es mayor que

el valor deseado según la literatura (APHA, 2005),

resultando en una menor productividad de la bio-

masa. Mientras que el pH medio del ciclo de cultivo

se determinó en 7,57 en los experimentos 2 y 3 y

se hallaron de acuerdo con la bibliografía anterior

(APHA, 2005).

Los niveles de conductividad eléctrica (CE) y

sólidos disueltos totales (TDS) del medio de cre-

cimiento son cruciales para controlar la disponi-

bilidad y solubilidad de los nutrientes esenciales,

incluidos el nitrógeno, el fósforo, el potasio y los

micronutrientes. Los desequilibrios en los niveles

de TDS y CE, ya sea demasiado altos o bajos, pue-

den afectar la absorción de nutrientes por las algas,

imponiendo limitaciones a su crecimiento. Además,

los niveles elevados de TDS y CE pueden someter

a las células de algas a un estrés osmótico causado

por una mayor concentración de solutos en el me-

dio de crecimiento, que diﬁere del entorno interno

de la célula y afecta al equilibrio del agua y a la sa-

lud celular en general.

La Tabla 2 mostró una conductividad eléctrica

decreciente de 1,34 a 0,98, esto se debe a que la CE

está directamente relacionada con la concentración

de iones en el medio, incluyendo nutrientes esen-

ciales como nitrógeno, fósforo y micronutrientes re-

ducidos durante el período de cultivo. Sin embargo,

la disponibilidad adecuada de nutrientes es crucial

para el crecimiento de las microalgas durante su pe-

ríodo de cultivo (Brindhadevi et al., 2021). Se obser-

vó una disminución considerable de la CE en el ex-

perimento # 2 y en el experimento # 3 entre 1,13 y

0,82 y entre 1,34 y 0,95, respectivamente (ver Tabla

3 y Tabla 4).

Tabla 2. Experimento n◦1 (proporciones utilizadas: 80% de agua y 20% de cultivo de microalgas).

Duración del cultivo

Parámetros Día 1 Día 3 Día 5 Día 7 Día 10

Temperatura (C) 21,8 22,7 21,9 21,3 22,4

Irradiación solar (W/m2) 365,9 342,6 383 397,1 323,9

pH 8,1 8 8,3 7,9 8,3

CE (µs/cm) 1,34 1,33 1,15 1,11 0,98

TDS (mg/L) 610 600 580 550 540

TSS (mg/L) 71 82 93 98 100

Ortofosfato (mg/L) 104 100 73 60 52

Nitrato (mg/L) 10 9,5 8,8 8,2 7,8

Absorbencia (abs) 0,11 0,14 0,16 0,2 0,23

Productividad de la

biomasa (mg/L) 113,3 134,4 148,4 176,5 196,63

Se ha observado que el contenido de TDS dis-

minuye drásticamente en los tres experimentos # 1,

2 y 3 durante el período de cultivo. La absorbancia

(intensidad de la luz) es mayor en el experimento #

3 (con 300g de CO2introducidos en el fotobiorreac-

tor), oscilando entre 0,12 y 0,49 de absorbancia que

posteriormente disminuye la conductividad eléctri-

ca de las sales en el sistema. Si bien la intensidad

de la luz en sí misma no contribuye directamente

a la conductividad eléctrica, tiene un impacto en la

fotosíntesis, el crecimiento de la biomasa y las acti-

vidades metabólicas y puede conducir a cambios en

la composición iónica del medio de cultivo (Morales

et al., 2018; Nezammahalleh et al., 2016). La reduc-

ción de los niveles de TDS y CE puede interpretarse

como un resultado positivo, que indica el uso de

nutrientes por las microalgas para su crecimiento y

procesos metabólicos (Nezammahalleh et al., 2016).

El Total de Sólidos Suspendidos (TSS) mostró

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

una tendencia creciente notable, atribuida princi-

palmente a la formación de biomasa insoluble den-

tro del sistema, tal como se presenta en las tablas 2, 3

y 4. Este fenómeno contribuye a la turbidez elevada

del sistema. Es importante destacar que este aumen-

to observado en los TSS no sólo es consecuencia de

la formación de biomasa, sino también es un indi-

cador valioso para cuantiﬁcar la productividad de

la biomasa. Los crecientes niveles de TSS actúan co-

mo una medida tangible y fácilmente medible, ofre-

ciendo un medio directo para medir la eﬁcacia de la

producción de biomasa dentro del sistema de cul-

tivo del fotobiorreactor. La producción de biomasa

de microorganismos como Chlorella vulgaris durante

toda la fase de cultivo puede verse inﬂuida signiﬁ-

cativamente por los niveles de sólidos en suspen-

sión total (TSS) y sólidos disueltos totales (TDS) en

el agua. Durante el ensayo, la concentración de TSS

aumenta de 71 a 100 mg/L (experimento 1), de 74 a

105 mg/L (experimento 2) y de 81 a 110 mg/L (ex-

perimento 3), del día uno al día décimo durante el

período de cultivo. Los altos niveles de TSS pueden

afectar la penetración de la luz en el agua, reducien-

do la disponibilidad de la luz para la fotosíntesis en

las células de Chlorella vulgaris, lo que puede obsta-

culizar el crecimiento y la producción de biomasa

(Morales et al., 2018).

3.2.3 Reducción de la concentración de nutrientes

durante el tiempo de cultivo

Un suministro adecuado de nutrientes promueve el

crecimiento de algas y aumenta la productividad de

la biomasa. Se observa que una concentración de

nutrientes externos, o la concentración de nutrien-

tes en el medio de cultivo, controla la fase de creci-

miento de las microalgas.

Tabla 3. Experimento n◦2 (proporciones utilizadas: 80% de agua y 20% de cultivo con 200 g de CO2intermitentes).

Duración del cultivo

Parámetros Día 1 Día 3 Día 5 Día 7 Día 10

Temperatura (C) 23,8 22,5 22,9 22,3 24

Irradiación solar (W/m2) 412,6 377,8 410,9 390,4 367,8

pH 7,8 8 7,5 7,1 7,37

CE (µs/cm) 1,13 1,06 0,97 0,91 0,82

TDS (mg/L) 690 670 600 620 570

TSS (mg/L) 74 78 89 93 105

Ortofosfato (mg/L) 103 77 70 59 60

Nitrato (mg/L) 10 9,3 8,5 7,4 5,2

Absorbencia (abs) 0,091 0,11 0,135 0,21 0,24

Productividad de la

biomasa (mg/L) 115,3 142,4 163,1 183,5 203,43

Tabla 4. Experimento n◦3 (proporciones utilizadas: 80% de agua y 20% de cultivo con 300 g de CO2).

Duración del cultivo

Parámetros Día 1 Día 3 Día 5 Día 7 Día 10

Temperatura (C) 24,1 24,3 23,9 25,3 24

Irradiación solar (W/m2) 426,5 428,6 398,3 463,9 434,7

pH 8,5 7,7 7,5 7,6 7,1

CE (µs/cm) 1,34 1,27 1,35 0,99 0,95

TDS (mg/L) 740 720 690 60 580

TSS (mg/L) 81 87 102 99 110

Ortofosfato (mg/L) 102 89 85 65 40

Nitrato (mg/L) 10 8,1 7,3 5,8 4,2

Absorbencia (abs) 0,12 0,25 0,27 0,38 0,49

Productividad de la

biomasa (mg/L) 120,3 211,5 225,6 302,7 318,76

110 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

Las tablas 2, 3 y 4 mostraron el patrón de elimi-

nación de ortofosfato y nitrato por microalgas du-

rante su ciclo de crecimiento. Los experimentos 1,

2 y 3 mostraron que el porcentaje de eliminación

de ortofosfato del agua por microalgas fue del 50%,

41,74% y 60,78% respectivamente, mientras que la

eliminación de nitratos fue del 22%, 48% y 58%,

respectivamente durante el ciclo de crecimiento de

10 días. En el presente estudio, esta variabilidad en

el porcentaje de fósforo extraído puede deberse a

variaciones en la cantidad inicial de fósforo en los

medios de cultivo y en las condiciones de cultivo

(Barghbani et al., 2012). El contenido global de ni-

trógeno en los medios disminuye gradualmente du-

rante el proceso de crecimiento para todas las con-

centraciones de CO2. Esto podría deberse al anabo-

lismo rápido de Chlorella vulgaris en los primeros

días de la fase de cultivo (Barghbani et al., 2012).

La Chlorella vulgaris ha consumido la máxima can-

tidad de ortofosfatos, que es un nutriente esencial

para las microalgas, y es un componente crucial de

los ácidos nucleicos, ATP (trifosfato de adenosina)

y fosfolípidos, desempeñando un rol vital en varios

procesos celulares. Una disponibilidad adecuada de

fósforo favorece el crecimiento, el metabolismo y

la reproducción de las células de Chlorella vulgaris

(Sriwiriyarat and Mukhthong, 2021). Los resultados

destacan la interacción dinámica entre la disponibi-

lidad de nutrientes y el consumo de microalgas, con

una reducción sustancial de las concentraciones de

ortofosfato y nitrato que subrayan el buen uso de

estos nutrientes por parte de las microalgas, demos-

trando un aporte positivo de nutrientes que favo-

rece su crecimiento y productividad de la biomasa

(Tavares et al., 2023).

3.2.4 Tasa de productividad de biomasa

Los resultados de productividad de la biomasa pre-

sentados en las tablas 2, 3 y 4 mostraron que la pro-

ductividad de la biomasa en los dos experimentos

iniciales # 1 y 2 estaba aumentando gradualmente;

sin embargo, se observó que el experimento # 3 con

300 g de CO2intermitente estaba teniendo un pa-

trón con un aumento signiﬁcativo con respecto al

período de cultivo. El patrón de aumento de bio-

masa presentó desde el primer día de cultivo 113,3,

115,3 hasta el décimo día de cultivo 120,3 hasta

196,6, 203,4 y 318,7 mg/L respectivamente. Aunque

la productividad de la biomasa no fue demasiado,

se puede mejorar optimizando la exposición del

cultivo de microalgas a la luz solar y aumentando

el suministro de dióxido de carbono, potencialmen-

te a partir de diversas fuentes de emisión de gases

de escape. Este enfoque estratégico se alinea con

el reconocimiento de la investigación de que las

especies fotoautotróﬁcas requieren cantidades sus-

tanciales de carbono para lograr una producción

óptima de biomasa (Razzak, 2019).

Los resultados tabulados del Experimento # 1

muestran que la productividad de la biomasa au-

menta durante el tiempo de cultivo y la concentra-

ción máxima de biomasa resultó ser de 197,5 mg/L,

lo que es signiﬁcativamente menor que los resulta-

dos de los experimentos 2 y 3 utilizando inyeccio-

nes de CO2. El ensayo realizado con 200 g de CO2

mostró un aumento progresivo de la concentración

de biomasa durante la fase de cultivo. Las micro-

algas cultivadas en condiciones de medio ambiente

y enriquecimiento atmosférico de CO2(denomina-

do CO20,03% atmosférico), mostraron que la con-

centración de biomasa aumentó ligeramente. Adi-

cionalmente, con 300 g de CO2se obtuvo la máxima

concentración de biomasa, esto podría ser el resulta-

do de las microalgas cultivadas con mayor concen-

tración de CO2es decir, 300 g (Faruque et al., 2021).

3.3 Análisis estadístico de la productividad

de la biomasa

En el análisis estadístico se utilizó la prueba de me-

dias (HSD) de Tukey para determinar la signiﬁca-

ción de las diferencias entre pares de medias de pro-

ductividad de biomasa en el día 10 del período de

cultivo mediante el software Minitab (versión 17)

con un nivel de signiﬁcancia de (α=0,05). El análi-

sis estadístico se realizó entre la muestra de control

(experimento # 1) sin CO2suministrado de fuente

externa (x1), el experimento # 2 con 200 g de CO2

suministrado (x2) y el experimento # 3 con 300 g de

CO2suministrado (x3) en el sistema de cultivo del

fotobiorreactor.

La Tabla 5 mostró que el valor de p (6,306 ×

10−14) es altamente signiﬁcativo y similar con dife-

rencia entre x1 y x3, seguido por x2 y x3 en com-

paración con la muestra control (experimento # 1),

es decir, p=0,0001. Así, se puede concluir que el su-

ministro de CO2de fuente externa en el experimen-

to # 2 y experimento # 3 tiene el mismo patrón de

signiﬁcancia estadística con la co-relación entre dos

grupos de medias, teniendo un valor altamente sig-

niﬁcativo con x2 y x3.

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

Tabla 5. Declaración comparativa de la diferencia de las medias de productividad de la biomasa en la prueba de la HSD de Tukey.

Par Diferencia SE Q IC inferior IC superior Medio Crítico valor p

x1-x2 6,8 0,4679 14,5344 4,7699 8,8301 2,0301 0,0001221

x1-x3 122,5 0,4679 261,833 120,4699 124,5301 2,0301 6,306 ×10−14

x2-x3 115,7 0,4679 247,2986 113,6699 117,7301 2,0301 6,306 ×10−14

3.4 Rendimiento de la extracción de proteí-

nas y lípidos

Se recolectó la muestra de biomasa de microalgas

para la extracción de proteínas y lípidos, mostran-

do la mayor productividad de biomasa. El conte-

nido de proteína de biomasa microalgal seca del

7,98% en peso se obtuvo utilizando el método de

Lowrys, y el rendimiento lipídico de 1,87 g/ 5 g de

biomasa seca se obtuvo utilizando n-hexano en el

método de extracción con disolvente. El resultado

proteico indica un contenido proteico relativamente

menor en comparación con otros estudios realiza-

dos en el pasado. Esta divergencia en el contenido

proteico podría atribuirse a los parámetros experi-

mentales empleados en este estudio utilizando el

medio ambiente. A diferencia de la mayoría de las

investigaciones enfocadas en aguas residuales, el

método para utilizar los gases de escape de la at-

mósfera contiene cantidades importantes de óxidos

de nitrógeno. La eliminación biológica de óxidos de

nitrógeno por parte de las microalgas es un método

potencial para convertir los óxidos de nitrógeno en

proteínas (Lam and Lee, 2012).

En este caso, el nitrógeno atmosférico se usó en

el fotobiorreactor con baja concentración, que es un

macronutriente para el crecimiento de las microal-

gas y, por lo tanto, se observó una menor produc-

ción de proteínas. Los estudios que utilizan el me-

dio sintético con la microalga verde Scenedesmus di-

morphus en BG-11 en entornos de cultivo tanto in-

teriores como exteriores muestran que S. dimorphus

puede producir biomasa celular en entornos exte-

riores con hasta un 35% de proteína y un 37% de

lípido total en condiciones de crecimiento especíﬁ-

cas. Se demostró que los mayores rendimientos de

proteínas y carbohidratos eran de 0,2 y 0,7 g/ l/

día, respectivamente, y podían obtenerse en las pri-

meras etapas del cultivo. El mayor rendimiento de

lípidos, 0,17 g/l/día, ocurrió en una etapa tardía

del cultivo. Estos resultados se obtuvieron mediante

una combinación de manipulación de la disponibi-

lidad de nitrógeno, la intensidad de la luz y la den-

sidad de inoculación celular (Çoban et al., 2021). La

cantidad de nitrógeno en un medio de cultivo de-

termina la tasa de desarrollo celular y la composi-

ción bioquímica de las microalgas. La investigación

demostró que la inanición de nitrógeno en un me-

dio de cultivo retrasa la tasa de crecimiento celular

de las microalgas y reduce la síntesis de proteínas

al aumentar el contenido de lípidos o carbohidratos

(Razzak, 2019).

Tabla 6. Principales ácidos grasos identiﬁcados en los lípidos

extraídos.

Nombre del

ácido graso

g/100g Ácidos

grasos totales

Mirístico (C14:0) 11,39

Palmítico (C16:0) 34,03

Palmitoleico (C16:1) 9,16

Esteárico (C18:0) 5,38

Oleico (C18:1n9c) 16,58

Linoleico (C18:2n6c) 4,52

g-linolénico (C18:3n6) 13,23

Eurico (C22:1n9) 5,66

3.5 Análisis de la composición de los ácidos

grasos

Se extrajeron los lípidos de las microalgas y se reali-

zó un análisis de composición de ácidos grasos pre-

sentado en la Tabla 6. Se identiﬁcó la composición

lipídica para incluir ácido mirístico (C14:0), ácido

palmítico (C16:0), ácido palmitoleico (C16:1), ácido

oleico (C18:1), ácido linoleico (C18:1) y ácido linolé-

nico (C18:3). Este perﬁl detallado de ácidos grasos

proporciona información sobre la inﬂuencia en las

propiedades del biodiesel. Se observa que todos

los principales ácidos grasos estaban presentes en

el lípido extraído, teniendo propiedades favorables

para producir biodiesel de microalgas.

La literatura destaca que la presencia de ácidos

grasos saturados y monoinsaturados de cadena lar-

ga, particularmente C18:2 y C18:3, inﬂuye signiﬁ-

cativamente en el número de cetanos de biodiesel,

112 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

la estabilidad a la oxidación y el contenido de yo-

do. Se conoce que las cualidades del biodiésel están

estrechamente relacionadas con la composición de

los ácidos grasos libres. Por ejemplo, el ácido oleico

(C18:1) mejora las propiedades del ﬂujo frío, mien-

tras que el ácido palmítico (C16:0) contribuye a una

menor concentración de yodo y a un mayor número

de cetano. Además, la presencia de ácido linoleico

(C18:2) y ácido linolénico (C18:3) se asocia con pro-

piedades de combustión mejoradas, contribuyendo

a una mejor calidad general del combustible. El va-

lor del yodo, un parámetro crítico para evaluar la

estabilidad química del biodiésel y su susceptibili-

dad a la reacción oxidativa está signiﬁcativamente

inﬂuenciado por la presencia de ácidos grasos de

doble enlace. Un mayor número de enlaces dobles

aumenta el potencial de polimerización, reduciendo

así la estabilidad a la oxidación. Esta comprensión

de la composición de los ácidos grasos proporciona

información valiosa sobre las posibles aplicaciones

y cualidades del biodiésel derivado del cultivo de

microalgas (Qie et al., 2019).

3.6 Inyección de CO2en el sistema del fo-

tobiorreactor

El CO2intermitente inyectado en el sistema del fo-

tobiorreactor con una velocidad de 25 m/s de CO2

para el Experimento # 2 y el Experimento # 3 repre-

sentó 15 seg y 25 seg respectivamente. El área de

la tubería de la manguera de alimentación se cal-

culó como 2,54 ×10−4m2y la velocidad de CO2

25m/s, y el caudal encontrado fue de 6,36 ×10−3

m3/s (utilizando Q=AV ). Ahora, este caudal (Q) se

multiplica por el tiempo de dosiﬁcación (t) utilizan-

do la ecuación V=Q×t, es decir, 15 segundos y 25

segundos para obtener el volumen de CO2gas in-

troducido en el sistema de cultivo del fotobiorreac-

tor. La masa del gas CO2introducido en el tanque

del fotobiorreactor fue de 200 g y 300 g, calculados

por (D=M/V) para el Experimento # 2 y el Experi-

mento # 3, respectivamente.

3.7 Bioﬁjación de dióxido de carbono

(CO2) mediante el cultivo de microal-

gas

Las tasas de bioﬁjación de CO2(RCO2) se calculan

utilizando la ecuación 5 para los tres experimentos

realizados en días alternativos. Por lo tanto, para

calcular el RCO2, la productividad diaria de la bio-

masa se calculó utilizando la ecuación 9 de regre-

sión obtenida a partir de una curva estándar:

y=0,7015x+0,0362 R2=0,9987(9)

El% C se asumió como el 50% en peso seco de

la biomasa de algas según la literatura (Scheufele

et al., 2019), peso molecular de CO244,01 g/mol y

peso molecular del carbono 12,01 g/mol.

La Figura 3 mostró que el Experimento # 1 tiene

una tendencia lineal creciente en la tasa de bioﬁ-

jación durante los días de cultivo con el nivel más

alto a 362,07 mg/L/día. Del mismo modo, el expe-

rimento # 2 también mostró un patrón similar, pero

después del 7mo día de cultivo aumentó al nivel más

alto a 374,92mg/L/día hasta el 9no día de tiempo de

cultivo. Este aumento se debió a la introducción

de CO2intermitente (200 mg) en el fotobiorreactor

para el cultivo de microalgas. El experimento # 3

mostró una tendencia drástica al aumento del culti-

vo del 1ro al 9no día con la introducción de 300 mg

de masa de CO2en el sistema del fotobiorreactor.

El nivel más bajo y alto de la tasa de la bio-ﬁjación

fue de 220,55 y 586,48 mg/L/día en 1er día y 9no día

respectivamente.

Las altas concentraciones de dióxido de carbono

(CO2) son esenciales para la fotosíntesis y tienen

un impacto directo en las tasas de crecimiento a las

que se cultivan las microalgas. La disponibilidad de

CO2afecta signiﬁcativamente la eﬁciencia de la fo-

tosíntesis y a la productividad de la biomasa. Como

componente crítico de las reacciones fotosintéticas,

el aumento de los niveles de CO2puede mejorar la

eﬁciencia de este proceso, lo que en última instancia

conduce a tasas más altas de producción de biomasa

(Wang et al., 2013). En este estudio, se encontró que

introducir menos CO2durante un período más cor-

to de tiempo hace que se disuelva completamente

debido al proceso de absorción gas-líquido, mien-

tras que introducir más CO2durante un período

más largo de tiempo reduce su capacidad de disol-

verse completamente porque las moléculas de gas

no pueden entrar en las moléculas de agua, alcan-

zando el estado de equilibrio (Razzak et al., 2024).

LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Artículo cientíﬁco/Scientiﬁc paper

BIOTECNOLOGÍA Khan, S., Ali, A., Mustafa, A. e Iqbal, A.

Figura 3. Tasa de bioﬁjación de CO2de microalgas al tiempo de cultivo.

3.8 Modelización cinética de la capacidad

de transferencia volumétrica de masa

de CO2

La multiplicación del coeﬁciente de transferencia de

masa de oxígeno (k) por la superﬁcie del recipiente

en un fotobiorreactor permite evaluar la capacidad

del sistema para la transferencia tanto de oxígeno

como de dióxido de carbono. Este producto combi-

nado reﬂeja la velocidad a la que estos gases pueden

moverse eﬁcientemente al medio de cultivo dentro

del fotobiorreactor, necesario para apoyar las nece-

sidades metabólicas de las algas que se cultivan. La

superﬁcie de un fotobiorreactor rectangular con di-

mensiones longitud (47,63 pulgadas), anchura (12,6

pulgadas) y altura (35,43 pulgadas) se calcula como

2734,08 pulgadas2 (1,763 m2).

3.8.1 Capacidad volumétrica de transferencia de

masa (k) para el oxígeno:

El coeﬁciente de difusión de oxígeno en el agua

(DO2) fue de 2×10−9m2/s y el grosor de la capa

límite (δen el caso de las pruebas de oxígeno) es de

0,02 metros.

kO2=2×10−9×1,763

0,02 =1,763 ×10−7m3/s (10)

3.8.2 Capacidad volumétrica de transferencia de

masa (k) para el dióxido de carbono:

El coeﬁciente de difusión del dióxido de carbono en

el agua (DCO2) es de 1,9×10−9m2/s y el grosor de

la capa límite (en la sección de aguas) es de 0,02 m.

kCO2=1,9×10−9×1,763

0,02 =1,676×10−7m3/s (11)

Las velocidades a las que las moléculas de oxí-

geno y dióxido de carbono pueden pasar de la fase

gaseosa a la fase líquida de la interfaz gas-líquido

están representadas por la capacidad de transferen-

cia volumétrica de masa calculada. Un valor mayor

denota una tasa de transferencia de gas más rápi-

da y una mayor cantidad de transferencia de gas, lo

que es necesario para mantener el metabolismo de

las algas, incluida la fotosíntesis.

4 Conclusiones

La investigación desarrollada incluyó el diseño y fa-

bricación de un fotobiorreactor urbano operado por

el sistema de energía solar para cultivar especies de

microalgas de Chlorella vulgaris para la eliminación

de nutrientes, producción de biomasa, producción

de proteínas y secuestro de CO2. La investigación

incluyó el seguimiento de los parámetros de cul-

tivo durante un período de cultivo de 10 días. Se

114 LAGRANJA:Revista de Ciencias de la Vida 41(1) 2025:100-117.

Fotobiorreactor urbano para el secuestro de CO2y la producción de biomasa microalgal

compararon tres condiciones experimentales, y se

encontró que el experimento #3 tuvo una mayor

productividad de biomasa de 318,76 mg/L al intro-

ducir 300 g de CO2intermitente en el sistema de

cultivo y las eﬁciencias de eliminación de nutrien-

tes fueron de 60,78% (ortofosfato) y 58% (nitrato).

El análisis estadístico encontró que la introducción

de CO2de una fuente externa en experimentos #2 y

#3 resultó en el mismo patrón de signiﬁcancia esta-

dística, con una co-relación entre dos conjuntos de

medias (valor p = 6,306 ×10−14). Los rendimientos

de proteínas y lípidos fueron del 7,98% y 37,4% en

peso respectivamente. Las capacidades volumétri-

cas de transferencia de masa de O2y CO2para KO2

y KCO2fueron de 1,763×10−7m3/s y 1,676×10−7

m3/s respectivamente.

La capacidad media de transferencia de O2y

CO2se ve mejorada por la agitación continua en

un fotobiorreactor, esencial para mantener condi-

ciones óptimas para el cultivo de microalgas. Los

lípidos extraídos contenían calidades favorables de

ácidos grasos para la producción de microalgas bio-

diésel, mirístico (C14:0), palmítico (C16:0), palmito-

leico (C16:1), oleico (C18:1), linoleico (C18:1) y lino-

lénico (C18:3). Un fotobiorreactor urbano de micro-

algas es una estrategia respetuosa con el medio am-

biente que puede hacer mejorar en gran medida la

economía basada en la biotecnología y disminuir los

efectos perjudiciales del CO2producido por la que-

ma convencional de combustibles fósiles en el me-

dio ambiente.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad de Ingenie-

ría y Tecnología de la Universidad NED, Karachi,

por proporcionar las instalaciones de laboratorio y

los fondos para este estudio de investigación. Es-

te trabajo fue apoyado a través de una subvención

ﬁnanciera proporcionada por la Junta de Estudios

Avanzados e Investigación de la Universidad de In-

geniería y Tecnología de NED [Número de referen-

cia: Acad /50 (48) /4168].

Conﬂicto de intereses

Los autores declaran que no tienen ningún conﬂicto

de intereses. Todos los coautores han examinado la

obra y están de acuerdo con su contenido. Además,

los autores aﬁrman que la presentación es su trabajo

original.

Contribución de los autores

S.K.: Investigación, metodología y redacción del bo-

rrador original. M.A.: Conceptualización, supervi-

sión, obtención de fondos, análisis formal y edición.

A.M.: Redacción - revisión y edición. A.I.: Escritura

y procesamiento de datos.

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