Microalgas, el origen mismo de la vida...
Índice del artículo
- 1 Microalgas, el origen mismo de la vida...
- 2 Origen de las microalgas
- 3 Diminutas, pero con grandes cualidades
- 4 Extraordinaria fuente de nutrientes
- 5 Clasificación taxonómica
- 6 Características celulares de las microalgas
- 7 Crecimiento y reproducción
- 8 ¿CÓMO SE CULTIVAN LAS MICROALGAS?
- 9 Sistemas de cultivo para microalgas
- 10 Crecimiento microalgal en cultivo
- 11 Tipos de cultivos
- 12 Tecnología de cultivo
- 13 Productos y mercado para las microalgas
- 14 Cultivo de microalgas en América Latina
- 15 Costos de producción de microalgas
- 16 Desórdenes principales en el cultivo de microalgas
- 17 Biofouling en fotobiorreactores
- 18 El futuro de las microalgas en la generación de energía
- 19 Referencias Consultadas
- 20 Galería imagenes Microalgas
Las microalgas son un conjunto de microorganismos que contienen clorofila a y otros pigmentos fotosintéticos; por lo que son capaces de realizar fotosíntesis.
En su mayoría están formados por una sola célula (son unicelulares); y pueden formar cadenas, colonias o cenobios (varias células unidas sin división entre sí).
Son típicamente acuáticas y viven fijas a un sustrato, o flotando libremente en el agua, recibiendo el nombre de fitoplancton.
Estos organismos son los responsables de la mayor parte del material orgánico que se encuentra en los ecosistemas acuáticos. Así como también del 40 % de la fotosíntesis total del planeta.
El cultivo de microalgas ha sido empleado con fines diversos en diferentes industrias como; cosmetología, la purificación de aguas residuales, la producción de fármacos y de alimentos para acuicultura. Ademas de la producción de diversos pigmentos y como alternativas de alimentación para el hombre y piensos de animales.
En la acuicultura han despertado un enorme interés debido a su elevado contenido de lípidos y su rápido crecimiento. Siendo altamente valoradas en la alimentación de etapas larvales de camarones, peces y moluscos.
Existen más de 30.000 especies de microalgas. de las cuales a penas unas 100 han sido estudiadas y sólo unas 20 se explotan comercialmente con regularidad.
Actualmente casi cualquier microorganismo acuático con capacidad fotosintética puede ser considerado una microalga.
Origen de las microalgas
La primeras microalgas que se conocen, las cianobacterias, se derivaron posiblemente de bacterias primitivas sulfurosas. Estas, vivían en los efluentes de los suelos ácidos y calientes de todo el mundo.
Se han encontrado fósiles de organismos similares a las cianobacterias que datan de más de tres millones de años.
Estos microorganismos fueron responsables del cambio en la composición de la atmósfera primitiva hace unos 3500 millones de años. Aumentando el nivel de oxígeno en la atmósfera; lo que ha permitido el desarrollo de la vida tal como la conocemos.
Historia del cultivo de microalgas
El empleo de las microalgas como alimento por el hombre se remonta al siglo XVI. Cuando el pueblo azteca recolectaba masas de algas (probablemente cianobacterias) en el lago Texcoco. Estas eran usadas para la elaboración de panecillos que luego utilizaba como alimento.
La primera microalga aislada y mantenida en condiciones axénicas fue Chlorella vulgaris, en 1890. Aunque no fue sino hasta la década de 1940 cuando se iniciaron los estudios; enfocados específicamente en la fisiología y bioquímica de estos microorganismos.
La idea de producir microalgas a gran escala tuvo su origen en Alemania durante los años 40 utilizando diatomeas.
Inicio de la producción comercial
El cultivo comercial a gran escala de microalgas comenzó a principios de la década de 1960; en Japón con el cultivo de Chlorella. Seguido a principios de la década de 1970 con el establecimiento de una instalación de cosecha y cultivo de espirulina; en el lago de Texcoco, México.
En 1977, se estableció una planta comercial de espirulina en Tailandia. Y en 1980 había 46 fábricas a gran escala en Asia; estas producían más de 1000 kg de microalgas (principalmente Chlorella) por mes.
Producción comercial de Haematococcus pluvialis
La producción comercial de Dunaliella salina, como fuente de β-caroteno se convirtió en la tercera industria importante de microalgas. En 1986, se instalaron plantas de producción en Australia; y pronto fueron seguidos por otras plantas comerciales en Israel y los Estados Unidos.
Además de estas algas, comenzó la producción a gran escala de cianobacterias (anteriormente algas azul-verdes) en India. Todo esto casi en forma simultanea.
Más recientemente, varias plantas que producen Haematococcus pluvialis como fuente de astaxantina se han establecido en los EE.UU y la India.
Además, esta el empleo de las microalgas como productoras primarias de biomasa para la fabricación de biocombustibles; que ha sido campo de investigación continuado durante los últimos 30 años.
Todos estos avances indican claramente una gran expansión del cultivo de microalgas en un corto tiempo. Y otorga a esta industria un futuro cada vez más prometedor como fuente nutricional y energética.
Diminutas, pero con grandes cualidades
El primer eslabón de la cadena alimenticia en los océanos.
Importancia y usos de las microalgas
Las microalgas son un recurso importante de la naturaleza pues constituyen los productores primarios más importantes de la biosfera.
Aquellas que componen el fitoplancton; fijan varios miles de toneladas de carbono al año en las masas de agua continentales y oceánicas. Lo cual implica que la generación de oxigeno que sustenta la vida se genera principalmente por estos organismos.
Entre las aplicaciones más importantes de las microalgas se pueden nombrar:
Acuicultura
Actualmente las microalgas constituyen la principal fuente de alimento utilizada en la nutrición de organismos acuáticos en cautiverio; moluscos, rotíferos y fases larvarias de crustáceos. Siendo además utilizadas como complemento en las dietas de peces o como medio para mantener la calidad del agua.
Tratamiento de agua
Las microalgas se emplean en el tratamiento de aguas residuales. Son particularmente importantes en el control de metales pesados en aguas naturales o en aguas industrialmente contaminadas.
Actualmente se investiga el uso de las algas y microalgas en la depuración de efluentes de granjas piscícolas. Estos, están frecuentemente cargados de compuestos de nitrógeno (amonio y urea) y carbono; que al ser consumidos por las algas, reducen la eutrofización de aguas costeras.
Como bioindicadores
Por su sensibilidad ante las variaciones en los niveles de nutrientes son catalogadas como un indicador de eutrofización (enriquecimiento de nutrientes inorgánicos: nitrógeno y fósforo) en los sistemas acuáticos.
Agricultura
Se han desarrollado fertilizantes y bioestimulantes basados en extractos líquidos de algas; ya que se ha probado que aumentan la resistencia de los cultivos a las heladas y plagas. Además, estimulan el crecimiento, el volumen y la calidad de la producción vegetal.
Existen diferentes tipos de bioestimulantes utilizados en plantas elaborados a partir de microalgas, la mayoría son utilizados en la producción de plántulas.
Biomedicina y farmacología
Algunas especies son empleadas en dietas de adelgazamiento y tratamientos de heridas; pudiendo presentar actividad antibacteriana, antifúngica, antitumoral y reguladora del sistema inmune.
La espirulina es quizás el tipo de microalga más consumida por el hombre a nivel mundial. Esto de debe principalmente a un proceso relativamente fácil de producción y procesamiento.
Alimentación humana y pienso animal
Las microalgas representan una fuente importante de proteína con posibles aplicaciones en la nutrición humana. Aunque hoy día, principalmente se utiliza como complemento de piensos animales.
Industria química y alimenticia
Las microalgas permiten la biosintesis y producción de una gama muy variada de sustancias de interés comercial, tales como; vitaminas, pigmentos, aminoácidos, polisacáridos, glicerol, enzimas, promotores de crecimiento en industrias de fermentación; ceras, fosfolípidos y lecitinas, ácidos grasos esenciales y prostaglandinas.
Microalgas en biocombustibles
Las microalgas oleaginosas (dinofíceas y clorofíceas) pueden ser utilizadas para producir una amplia gama de combustibles como; bioetanol, biodiesel y biometano, debido a que almacenan la energía química en forma de aceites como lípidos o triglicéridos.
La producción masiva de biocombustibles a base de microalgas es una de las principales opciones que contempla la bioeconomía actual para la sustitución de los combustibles fóciles.
Se estima que, para cubrir la demanda global de combustibles, debería destinarse al cultivo de microalgas unos 6 millones de hectáreas; lo que supone, menos del 0,4% de la superficie cultivable. De hecho, el aumento en el cultivo de algas se debe básicamente a sus propósitos energéticos; siendo su principal uso para la obtención del biodiesel.
Extraordinaria fuente de nutrientes
Composición bioquímica
El componente cuantitativamente más importante de la biomasa algal son las proteínas. Las cuales pueden representar hasta el 50% del peso seco total.
Las proteínas junto con los lípidos y carbohidratos constituyen hasta el 90% del peso seco total. Mientras que los minerales, los ácidos nucléicos, los pigmentos y los demás componentes menores suman el 10% restante.
Ejemplo de la composición bioquímica de algunas microalgas expresado en % del peso seco total:
Especie | Proteína | Carbohidratos | Lípidos |
| Scenedesmus obliqus | 50-56 | 10-17 | 12-14 |
| Scenedesmus dimorphus | 08-18 | 21-52 | 16-40 |
| Chlamydomonas rheinhardii | 48 | 17 | 21 |
| Chlorella vulgaris | 51-58 | 12-17 | 14-22 |
| Spirulina maxima | 60-71 | 13-16 | 06-07 |
| Dunaliella salina | 57 | 32 | 9 |
| Tetraselmis suecica | 39 | 8 | 7 |
| Isochrysis galbana | 41 | 5 | 21 |
Valor nutritivo de las microalgas
Una vez procesadas, las microalgas suelen ser manejadas en forma de polvos, pelets o tabletas con relativa facilidad.
Además de poseer una composición rica en proteínas, lípidos, carbohidratos, las microalgas contienen una buena proporción de vitaminas C y E; ambas con gran poder antioxidante, un excepcional contenido en vitamina B12 y minerales como el calcio, hierro y el yodo.
También es de destacar su riqueza en ácidos grasos poli insaturados (omega 3 y omega 6); y antioxidantes de alto valor como los carotenoides, la luteína y la astaxantina. Todos ellos esenciales para combatir el estrés oxidativo y muy beneficiosos para la piel, la vista y la salud celular.
El alto contenido proteico de las microalgas y su calidad (adecuado balance de aminoácidos y bajos valores de ácidos nucléicos), hacen factible que sean consideradas una alternativa o suplemento alimenticio tanto para la nutrición humana como animal.
Como ejemplo tenemos el valor nutritivo de la microalga espirulina, considerada de gran valor en la alimentación humana.
Valor nutritivo de la espirulina
Contenido | Por 2 g % diario |
| Calorías | 7 (30 KJ) |
| Lípidos | 0,1 g |
| Colesterol | 0 mg |
| Carbohidratos | 0,7 g |
| Fibras | 0,2 g |
| Proteínas | 1,1 g |
| Vitamina A | 28 % |
| Vitamina C | 0 % |
| Calcio | 2 % |
| Hierro | 21 % |
| Vitamina E | 2 % |
| Tiamina | 5 % |
| Riboflavina | 5% |
| Vitamina B12 | 200 % |
| Magnesio | 3 % |
Clasificación taxonómica
En la actualidad las microalgas se engloban dentro del Reino Protista. Éste, comprende aquellos organismos eucariontes que no pueden clasificarse dentro de alguno de los otros tres reinos eucariotas: Fungi, Animalia o Plantae.
Son un conjunto de organismos muy diversos, todos bajo la categoría de filo. Se diferencian por los pigmentos que poseen, la sustancia de reserva que usan, y la forma de las células reproductoras.
La característica más importante para realizar la clasificación de las microalgas se basa en diferenciar entre procariotas y eucariotas.
Las células procariotas carecen de organelos con membrana; entre estos podemos encontrar al filo de las Cyanophytas o cianobacterias.
El resto de algas son eucariotas, se caracterizan por presentar una pared celular compuesta de polisacáridos; y contener organelos rodeados por una membrana.
Dentro de las microalgas eucariontas tenemos el filo Chlorophyta o Algas verdes, Cryptophyta o Algas pardas, Chrysophyta o Algasdoradas, Bacillarophyta (Diatomeas) Dinophycea, Euglenophyta y Xantophyta, entre otros.
Características celulares de las microalgas
Pared celular
La cobertura externa de las algas, típicamente, forma una estructura continua llamada pared celular, la cual toma diferentes nombres de acuerdo a la microalga; en euglenoides se la conoce como película, teca en dinoflagelados, periplasto en las criptomonas y frústulo en las diatomeas.
En general, la pared celular está compuesta de una estructura esquelética y una matriz amorfa. El componente esquelético más común es la celulosa; aunque también pueden estar presentes otras macromoléculas como la pectina, peptidoglicano y proteínas.
El protoplasto
El contenido interno de una célula se llama protoplasto.
En las células de algas eucariotas el protoplasto está rodeado por una membrana celular. Consiste en uno o más núcleos y un citoplasma generalmente esférico o elipsoidal.
La membrana celular está compuesta de lípidos y proteínas. Es muy delgada y elástica y selectivamente permeable, es decir; controla el paso de materiales dentro y fuera de las células.
El núcleo es un cuerpo esférico o elíptico con uno o más nucleólos, según la especie y presenta una doble membrana nuclear.
En el citoplasma se pueden encontrar orgánulos celulares como cloroplastos, mitocondrias, aparatos de Golgi, retículo endoplásmico, vacuolas y, en algunos casos, mancha ocular o estigma.
Para el caso de las células de algas procariotas (Cyanophytas), el núcleo no está limitado por ninguna membrana. En cambio, el protoplasto se diferencia en un cromoplasma periférico externo; que contiene pigmentos fotosintéticos y un centroplasma incoloro interno que representa al núcleo.
Nutrición
La mayoría de grupos de algas son fotoautótrofos, lo que quiere decir que su metabolismo depende de la luz solar y del dióxido de carbono (CO2) como fuente de energía.
Algunas especies son heterotróficas y pueden desarrollarse en ausencia de la luz, obteniendo el carbono orgánico del ambiente, ya sea tomando sustancias disueltas (osmotrofía) o engullendo bacterias y otras células como presa (fagotrofa).
Las algas auxotróficas, por el contrario; no pueden sintetizar los componentes esenciales como las vitaminas, y tienen que importarlos del medio de cultivo.
Pigmentos
Los pigmentos de las algas están localizados dentro de las células en asociación con las membranas fotosintéticas o tilacoidales de los cloroplastos.
La pigmentación de las algas se deriva de tres principales grupos de moléculas: clorofilas, carotenoides y ficobilinas.
El color verde predominante de las microalgas, dado por las clorofilas; éste, es frecuentemente modificado por la presencia de otros pigmentos.
Existen cuatro tipos de clorofilas (a, b, c y d). La clorofila a se encuentra en todas las algas como el principal pigmento fotosintético. Las otras clorofilas funcionan como pigmentos accesorios y tienen una distribución limitada en los diferentes grupos algales.
Los carotenoides pueden ser divididas en dos principales grupos: carotenos (hidrocarbonos libres de oxígeno) y las xantofilas. De los cuatro carotenos presentes en las algas, el βeta-caroteno es el que está presente en todos los grupos de algas.
Las ficobilinas son pigmentos rojos o azules solubles en agua localizados en, o dentro de las membranas fotosintéticas.
Productos de almacenamiento de las algas
Las algas contienen productos de almacenamientos para carbohidratos como el almidón y, azúcares como la sucrosa y trehalosa.
Mientras que, las reservas de proteínas como la cianoficina, producto de almacenamiento importante de nitrógeno fijado; se encuentra presente en la salgas verde-azuladas.
Los lípidos están también en las algas, y parecen estar en mayor cantidad en los dinoflagelados y diatomeas.
Crecimiento y reproducción
Las microalgas presentan dos tipos de reproducción:
Asexual
Es el modo más frecuente de reproducción de todas las especies de fitoplancton, la cual es generalmente por bipartición. Es decir, la célula se divide en dos células aproximadamente iguales. Los tiempos de duplicación suelen ser de 1 hora o menos para las procariotas (cianobacterias). Y de 8 a 24 horas para las eucariotas.
Sexual
Menos frecuente que la asexual y ocurre generalmente cuando las condiciones ambientales se tornan desfavorables. En ese momento las células vegetativas pueden producir gametos que, más tarde, se fusionan para originar una célula denominada zigoto. Esta célula puede originar nuevas células vegetativas o se convierte en estructuras de resistencia (quistes); que reanudan la vida vegetativa cuando retornen condiciones menos adversas.
La reproducción sexual de microalgas solo predomina en condiciones adversas a su reproducción asexual.
Ciclo celular
La duración del ciclo celular, desde el crecimiento y división de las células madres, a las siguientes células hijas, varía considerablemente entre especies de algas.
Bajo condiciones óptimas de crecimiento, la duración del ciclo depende principalmente del tamaño celular. Teniendo el ciclo más corto en especies tan pequeñas como Synechococcus (1-2 micras), donde el ciclo puede durar aproximadamente 2 horas.
Mientras que; el ciclo de microalgas grandes (más de 10 micras) como Chlamydomonas y Chlorella dura cerca de 6 horas. Por otro lado, el ciclo de microorganismos simples como los dinoflagelados y formas coloniales, tienen ciclos mucho más largos.
Este proceso incluye la formación de una nueva pared celular, la cual se inicia una vez que ocurre la citocinesis.
Hábitat
Los pigmentos presentes en las microalgas frecuentemente cambian el color de las aguas de conformidad con su presencia.
Las microalgas existen en casi todos los hábitats conocidos. La mayor parte son de hábitat acuáticos, tanto marinos como dulceacuícolas, aunque algunas viven en tierra.
Los mares y océanos contienen enormes cantidades de algas planctónicas, estimándose que el 90% de la fotosíntesis total de la Tierra es realizada por estos vegetales acuáticos.
Estos organismos son habitantes, no solo en cuerpos de agua estables sino también en aquellos expuestos a la desecación: sobre rocas desnudas, fuentes termales (en donde soportan altas temperaturas), nieves, glaciares.
Es común encontrarlas en lugares con poca luz, a grandes profundidades. Cuando se forma un nuevo hábitat, las primeras especies que colonizan son algas.
¿CÓMO SE CULTIVAN LAS MICROALGAS?
Requerimientos para un cultivo de microalgas:
A. Selección del sitio
Producción masiva e industrial de microalgas
- En el inicio de la actividad es conveniente contar con instalaciones previas, como salas para laboratorios, sistemas de bombeo, almacenamiento de agua y almacenes para reactivos, para reducir los costes en infraestructuras.
- Se debe disponer de fuentes de agua a bajo coste; zonas próximas al mar para el caso de microalgas marinas (Dunaliella).
- La zona ha de estar protegida del viento y disponer de fáciles accesos.
- Un terreno plano favorecerá los trabajos de construcción de la planta.
- Ha de ser una zona con una temperatura media anual no superior a los 30 °C y poco expuesta a zonas de sombra.
B. Equipo e instalaciones
Sala o laboratorio de cultivo
Se recomienda para fines de mantenimiento de cepas, transferencias sucesivas de cultivos; crecimiento de cultivos en pequeños y medianos volúmenes, con las siguientes características:
- Laboratorio con temperatura controlada 18–20°C.
Evaluación de microalgas en laboratorios
- Paredes y pisos de azulejo en color blanco.
- Instalaciones para el cepario y cultivo intermedios con lámparas de luz blanca fría fluorescente (20W–37W).
- Instalaciones tipo invernadero (ventanas de cristal o plástico con temperatura controlada).
Cuarto de siembra
Puede instalarse dentro del mismo laboratorio una cabina con campana de flujo laminar o bien una simple mesa de laboratorio con instalación de gas para dos mecheros para la inoculación en condiciones asépticas.
Sala de producción
Para volúmenes de 200 litros o más, se requieren recipientes de materiales plásticos no tóxicos y de preferencia transparentes.
Es recomendable el uso de la luz solar, pues el uso de la luz artificial es de muy alto costo y se requiere además, de equipo para mantener la temperatura a 18–20°C.
En zonas de clima templado para cultivos masivos se pueden desarrollar éstos a la intemperie, cubriendo los recipientes en caso de lluvia.
C. Selección de la microalga
Selección y conservación de microalgas para estudios científicos.
La elección de las especies a cultivar depende directamente de la finalidad que se le desea brindar a la biomasa resultante, es decir, si es para la obtención de pigmentos, alimento, fitorremediación, etc.
En todos los casos estas especies deben reunir una serie de condiciones que justifiquen su cultivo, tales como mantenerse en suspensión en el agua (por flagelos o vacuolas), presentar una velocidad de multiplicación rápida, que su valor nutritivo sea aceptable y que sean fáciles de cultivar.
Las especies más comúnmente utilizadas en acuicultura pertenecen a los géneros Tetraselmis, Nannochloris y Chlorella, Nannochloropsis, Chaetoceros y Rhodomonas.
Para otros usos, las especies que actualmente se cultivan a escala industrial son: Arthrospira (=Spirulina) platensis (dietética), Chlorella sp. (nutracéuticos y acuicultura), Dunaliella salina (obtención de ß-caroteno), Haematococcus pluvialis (astaxantina), Porphyridium cruentum (ficoeritrina, ácido araquidónico) y Nannochloropsis gaditana (acuicultura, ácidos grasos poliinsaturados, lípidos para obtención de biodiesel).
D. Parámetros físico-químicos
Al igual que como cualquier otro organismo vivo las condiciones físicas tienen gran influencia en el crecimiento de la microalga.
Cada especie presenta un intervalo particular de temperatura, intensidad de luz, salinidad, bióxido de carbono y oxígeno para la producción de un máximo crecimiento.
Luz
Se requiere de condiciones de luz adecuada para la multiplicación de las microalgas.
La intensidad lumínica es uno de los principales parámetros a considerar en un cultivo.
La intensidad de la luz en cultivos en laboratorio, debe variar entre 2.000-5.000 lux, según el estado y densidad de la población.
Para aumentar la eficiencia fotosintética en la población, se debe agitar constantemente con aire, o en forma manual para que las células puedan permanecer un breve tiempo expuestas a la luz
La calidad espectral de la luz, es un factor importante en las microalgas ya que sólo pueden emplear longitudes de ondas comprendidas entre 400-700 nm para realizar la fotosíntesis.
(Contreras-Flores et al. 2003 ; Richmond 2004, Martinez 2008 ; Park et al. 2011a ; Berenguel et al. 2004 ; Martinez 2008 ; Sialve et al. 2009).
Temperatura
La producción algal aumenta proporcionalmente con la temperatura hasta alcanzar la temperatura óptima de cada especie. Por encima de esta, aumenta la respiración y se reduce la productividad.
La temperatura óptima varía entre las especies, pero en general está entre 28° y 35°C.
En un sistema de cultivo cerrado, la temperatura se puede controlar por varios mecanismos, tales como rociadores de agua, reactor dentro de un invernadero, etc.
Por el contrario, en un sistema de cultivo abierto es muy difícil de controlar, aunque se pueden realizar ciertas acciones simples para disminuir el efecto, como cubrir los estanques con plásticos transparentes.
pH
Las microalgas tienen diferentes requerimientos de pH según la especie. La mayoría crece bien en un rango de pH de 6 a 8,76. Sin embargo muchas especies son sensibles a variaciones del pH y, presentan un descenso en la productividad, que afecta el crecimiento algal.
Por otra parte, un incremento de pH incrementará la salinidad del medio de cultivo, lo cual es peligroso para las células algales.
El pH puede controlarse con un sistema automatizado de inyección de CO2, o incluso, con adición de un ácido o base.
E. Medio de cultivo
El medio de cultivo para el desarrollo normal de las microalgas debe contar con nutrientes en cantidades suficientes y debe estar exento de todo microorganismo contaminante.
Los elementos fundamentales para un óptimo crecimiento microalgal son Carbón, Nitrógeno, Fósforo y Azufre. Otros minerales esenciales son el Hierro, Magnesio, oligoelementos y, en algunos casos el Silicio.
Existen otros medios que incluyen en su composición sustancias orgánicas (vitaminas, aminoácidos).
Se han desarrollado diferentes medios para el cultivo de microalgas que van desde las fórmulas para enriquecer el agua de mar natural, hasta el uso de medios artificiales con un contenido variable de nutrientes y vitaminas, según la especie cultivada.
F. Aireación / mezcla
La mezcla es necesaria para evitar la sedimentación de las algas, y garantizar que todas las células de la población estén igualmente expuestas a la luz y los nutrientes; para evitar la estratificación térmica y mejorar el intercambio de gases entre el medio de cultivo y el aire.
Dependiendo de la escala del sistema de cultivo, la mezcla se logra:
- Agitando diariamente a mano (tubos de ensayo, erlenmeyers).
- Aireando (bolsas, tanques).
- Usando ruedas de paletas y bombas de chorro (estanques).
Sistemas de cultivo para microalgas
En esencia solo existen dos tipos principales de sistemas de cultivo de microalgas, estos son:
- Los sistemas abiertos.
- Los sistemas cerrados.
A. Sistemas abiertos para cultivar microalgas
Los sistemas abiertos se caracterizan por no estar protegidos de los factores ambientales y por lo tanto están expuestos a la contaminación y a los factores tales como la lluvia, el polvo, las aves, los insectos, etc.
Los sistemas abiertos dificultan el mantenimiento de cultivos monoalgales y están expuestos a predadores, por lo que su empleo a gran escala se ha limitado a especies que se desarrollan adecuadamente en condiciones restrictivas de pH (Arthrospira) o salinidad (Dunaliella), o de muy rápido crecimiento (Chlorella).
La explotación de estos sistemas de cultivo puede ser intensiva o extensiva.
Sistema abierto de tipo extensivo
Utiliza grandes superficies (entre 5 y 50 ha) sin agitación mecánica, con una orientación tal que las turbulencias ocasionadas por los vientos permitan una cierta homogenización y movimiento de la masa liquida.
Sistema abierto intensivo
Los sistemas abiertos intensivos son estanques horizontales poco profundos tipo carrusel o “raceway”.
Cada unidad de cultivo ocupa un área de entre varios cientos y pocos miles de metros cuadrados, estando compuesta de dos o más pistas de 2 a 10 m de ancho y de 15 a 30 cm de profundidad, separadas entre sí por tabiques verticales.
A lo largo de estos canales, fluye la suspensión celular a una velocidad de 0,2 a 0,5 m/seg, impulsada por la acción de paletas giratorias, hélices o bombas.
Sistema tipo raceway para el cultivo de microalgas.
Sistemas de cultivo en capa fina
También se encuentran los sistemas de cultivo en capa fina que se basan en tanques inclinados en los que el cultivo circula en una delgada lámina de apenas un centímetro de espesor.
El sistema de capa fina es extremadamente productivo, pero los costes de bombeo tienden a encarecerlo de forma importante.
B. Sistemas cerrados
Los sistemas cerrados tienen protección del medio ambiente para evitar la contaminación y mejorar las condiciones ambientales, entre ellas la temperatura.
Los principales sistemas cerrados de cultivo de microalgas son los fotobiorreactores (FBR), los cuales son de diferentes tipos entre ellos:
- Tubulares.
- Planos.
- Cilindros verticales.
- Fundas o bolsas.
Los fotobiorreactores tubulares consisten esencialmente en tubos transparentes de vidrio o material plástico, conectados en serie o en paralelo para formar el colector solar, a través del cual se recircula la suspensión celular.
Reactor tubular horizontal y vertical
El uso de tuberías traslucidas ha demostrado ser altamente eficiente en proporcionar la luz y movilidad que las microalgas necesitan en el sistema.
- Los reactores planos son aquellos en los que el cultivo queda dispuesto en una lámina orientada de manera que la luz incida directamente sobre ella.
Los reactores planos exponen una mayor cantidad de microalgas a la luz por medio de su superficie.
Los FBR presentan múltiples ventajas frente a los reactores abiertos como son:
- Un uso más eficiente de la irradiancia, que conduce a la producción de cultivos más concentrados.
- La posibilidad de cultivar todo el año.
- Una disminución de las pérdidas por evaporación.
- Un mejor control de algunas variables como la temperatura.
- Mayor facilidad de operación en continuo.
Crecimiento microalgal en cultivo
En un cultivo de micro algas se pueden distinguir cinco fases o etapas de desarrollo:
a) Fase de ajuste
Las microalgas se adaptan a las nuevas condiciones de cultivo, por lo que no existe un incremento neto de la población.
b) Fase exponencial
Es la fase de crecimiento en la cual la biomasa se duplica debido a la asimilación de nutrientes desde el medio y al proceso de reproducción.
En esta fase las microalgas presentan un valor nutritivo balanceado y deseable para alimentar a invertebrados o larvas de organismos acuáticos bajo cultivo.
c) Fase de retardo
La tasa de crecimiento se reduce consecuencia de la disminución de nutrientes; por lo que el tiempo para duplicar la población aumenta. Es en esta fase donde las microalgas presentan su mayor valor nutritivo y mayor densidad poblacional.
d) Fase estacionaria
Las densidades celulares se mantienen relativamente constantes no hay un aumento neto de la población y la tasa de crecimiento se compensa con la tasa de mortandad celular. Las microalgas que presentan esta fase no son apropiadas como fuente alimenticia.
e) Fase de declinación
La tasa de crecimiento es superada por la tasa de mortalidad de la población. Las algas que presentan esta fase poseen poco valor nutritivo.
Tipos de cultivos
Independientemente del sistema empleado se pueden aplicar las siguientes metodologías de cultivo.
Cultivo continuo
En este tipo de cultivo se mantiene la población microalgal en la fase de crecimiento exponencial durante largos periodos de tiempo.
La cosecha se realiza constantemente o en periodos de tiempo muy cortos, al tiempo que se va adicionando el medio en un volumen igual al cultivo retirado.
Cultivos batch
Se caracterizan principalmente por la intermitencia del cultivo. Este se implementa de una vez y se cosecha completamente, luego que la población ha alcanzado un nivel apropiado de densidad. Generalmente la cosecha se realiza en la fase exponencial de crecimiento.
Cultivos semicontinuos
Son principalmente una combinación de los dos métodos anteriormente señalados. En ellos, se cosecha una parte del cultivo según la producción y se renueva el volumen cosechado con medio de cultivo fresco.
Tecnología de cultivo
1.- Obtención y aislamiento de las cepas de microalgas
Las cepas de microalgas que desean cultivarse pueden ser aisladas del medio natural u obtenerse de ceparios reconocidos.
Los métodos habitualmente empleados en el aislamiento de cepas son:
- Inoculación en placas de Petri que contengan medio sólido enriquecido (agar más medio de cultivo).
- Disoluciones sucesivas y múltiples.
- Tratamiento con antibióticos.
- Aplicación de salinidades o temperaturas favorables o adversas a las especies a separar.
2.- Evaluación del crecimiento de las microalgas
El crecimiento de las microalgas, debe ser evaluado con regularidad, para comprobar su composición específica, la salud de las mismas y otros aspectos cualitativos como cuantitativos. Para esto se utilizan métodos directos e indirectos.
Método directo
Se caracteriza porque utiliza técnicas que examinan y cuantifican el número de microalgas presentes por unidad de volumen.
Se requiere de un microscopio y de cámaras de conteo especializadas como la cámara de Neubauer y de Palmer – Maloney, que determinan la cantidad de células por mililitro.
Cámara de Neubauer para cuantificar microalgas.
Método indirecto
Las técnicas que utiliza este método son prácticas y rápidas, sin embargo, son más caras y necesitan ser calibradas inicialmente mediante una de las técnicas directas.
Las técnicas más empleadas son las siguientes:
- Determinación cualitativa y cuantitativa de clorofilas por espectrofotometría.
- Medición de la densidad microalgal a través de discos de Secchi.
- Determinación de la densidad óptica mediante un espectrofotómetro, nefelómetro o colorímetro con una longitud de onda de 678 nm.
- Conteo electrónico y automático de células mediante un contador de partículas.
- Determinación de peso seco mediante la filtración de un volumen dado de cultivo.
- Uso de determinación volumétrica mediante la centrifugación de una muestra en tubos con extremo cónico calibrados.
3.- Flujo de producción de las microalgas
a. Cultivos stock
Durante esta etapa, la cepa de microalgas o stock, es mantenida en recipientes de 250 ml con medio de cultivo y en placas de agar.
Esta etapa requiere el máximo de cuidado, para evitar toda contaminación posible de los cultivos.
La luz necesaria para esta etapa, es proporcionada por tubos fluorescentes de 20 watts, en intensidades que varían entre 500-1000 lux. La temperatura se mantiene constante (15ºC) en un incubador.
b. Cultivos iniciales
Durante esta etapa se utilizan Erlenmeyers de pirex de 300 ml de capacidad, donde se colocan 100 o 200 ml de medio de cultivo.
Se requiere de una alícuota de 1 – 5 ml de cultivo stock como inóculo para estos cultivos. La transferencia debe ser en condiciones asépticas, cerca de un mechero y bajo una campana de luz UV.
La intensidad de luz de 1500 lux es conveniente para cultivos iniciales. La agitación debe ser periódica y puede ser suministrada manualmente o bien mediante un sistema de agitación eléctrico (shaker).
c. Cultivos de Producción intermedia
En esta etapa, se transfieren los cultivos iniciales (después de 4-7 días) a recipientes de mayor volumen con medio fresco y estéril.
El nuevo recipiente, de 1000-2000 ml, es agitado con aire filtrado por filtros de 0,45 micras.
La temperatura se mantiene igual que las condiciones anteriormente señaladas y la intensidad luminosa se ajusta entre 2000-2500 lux.
d. Cultivos de producción masiva
Son cultivos de mayor volumen (10, 20, 500, 1000 litros). Hay diversas alternativas en este método de cultivo, pero pueden ser resumidas en cultivos de 10 – 20 litros y cultivos en tanques.
e. Cultivos de 10-20 lt
Se utilizan botellones (carboys) de pirex de 10 o 20 litros de volumen.
Los inóculos utilizados en este cultivo pertenecen a los cultivos intermedios y el medio nutritivo es frecuentemente agua de mar enriquecida, luego de ser filtrada y esterilizada con luz UV.
La aireación utilizada debe ser previamente filtrada. La intensidad lumínica varía entre 2500 – 5000 lux y la temperatura se mantiene en el rango óptimo de crecimiento de la especie en cultivo o bien, puede mantenerse a 20 ± 2°C.
f. Cultivos en tanques
Cuando los cultivos de 10 – 20 litros han alcanzado su fase exponencial, son utilizados como inóculos para la fase final del cultivo en tanques.
Estos tanques pueden ser cilíndricos, cónicos o rectangulares y pueden estar hechos de un plástico tipo polímero o construidos de madera y cubiertos con fibra de vidrio.
También se utilizan tanques de policarbonato de forma cilíndrica y rectangular, pero usualmente son costosos.
Las bolsas de plástico pueden ser utilizadas para el cultivo masivo de microalgas, sin embargo, ellas deben de estar suspendidas y, por consiguiente, están sujetas a derramamientos debido a un goteo constante.
La iluminación en los tanques es usualmente constante y es suministrada por un conjunto de tubos fluorescentes suspendidos directamente sobre el tanque.
La intensidad lumínica varía entre 4000 – 5000 lux y el sistema de aireación debe proveer una adecuada circulación para el dispersamiento de los nutrientes, así como de las microalgas.
4.- Cosecha de cultivos
Para extraer las microalgas de los cultivos se utilizan varios métodos. La selección del más idóneo dependerá del uso que tendrá la microalga, del costo y de la eficiencia del proceso.
a. Centrifugación
Este procedimiento se basa en el hecho de que existe una ligera diferencia entre la densidad del alga y la del medio líquido, lo cual permite la extracción del 80 - 90% de la materia vegetal cuando se somete a centrifugación.
b. Floculación Química
Debido a la carga negativa que presenta la superficie de las microalgas, al añadir una sustancia cargada positivamente, las algas se unen unas con otras y precipitan haciendo más fácil su extracción del medio de cultivo.
Se han utilizado como agentes floculantes, el sulfato de aluminio, cloruro férrico, cal y ciertos polielectrolitos, en diversas concentraciones.
c. Filtración
Se han utilizado satisfactoriamente muchos tipos de filtros. La fuerza a aplicar para realizar el filtrado, y por tanto, el consumo energético, aumenta conforme disminuye el tamaño de poro. La microfiltración (0,1-10 micras) es el método más adecuado para todas las especies.
d. Ultrasónica
Formación de agregados inducida por la aplicación de ultrasonidos.
e. Flotación o DAF
Proveniente del inglés Dissolved Air Flotation, consiste en la inyección a presión de una corriente de aire en el cultivo favoreciendo la formación de micro burbujas en el fondo del reactor. Éstas en su recorrido hacia la parte superior del reactor arrastran la biomasa adherida a ellas.
5.- Procesado de la biomasa
Una vez obtenido el concentrado celular o pastase efectúa el procesado de la biomasa. En la acuicultura, se puede trabajar con biomasa no procesada, biomasa congelada o refrigerada.
Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones comerciales de la biomasa procedente de las microalgas requieren diferentes tratamientos.
- Deshidratación
El sistema más usado es el de secado por atomización, aunque también han mostrado buenos resultados el secado por liofilización y con secadores de tambor. Para la conservación, tanto de la pasta como del producto deshidratado, es fundamental disponer de equipos de envasado al vacío y de congelación y refrigeración.
- Homogenización y ruptura celular
Se han empleado diferentes técnicas de homogenización y ruptura celular como las de ultrasonido, pero las que mejores resultados han arrojado han sido los tratamientos por medio de homogenizadores de alta presión.
Estas técnicas mejoran la digestibilidad de la biomasa y simplifican los procesos de extracción de metabolitos como los pigmentos
- Extracción de metabolitos
Se utiliza la extracción directa por medio de aceite o con solventes como el hexano. La alta solubilidad de los lípidos en disolventes orgánicos provoca la destrucción de la pared celular y la extracción del aceite contenido en las microalgas.
Productos y mercado para las microalgas
El mercado mundial de las microalgas (como producción primaria) tiene un volumen de aproximadamente 35.000 toneladas/año de materia seca de microalgas, y genera una facturación total de aproximadamente 1.200-1.700 millones de dólares estadounidenses al año (MUSD/año).
Sin embargo, son muy pocas las especies de microalgas cuyo cultivo ha llegado al nivel de industrialización con fines comerciales.
El número se reduce a unas 15-20 especies empleadas en la actualidad, con otras 15 o 20 en estudio para determinar su potencial a mediano-largo plazo.
Biomasa completa de microalgas
El mayor mercado para los productos obtenidos a partir de las microalgas corresponde a la biomasa de la microalga empleada en alimentos dietéticos, donde se incorpora en forma de polvo, cápsulas, pastillas o tabletas, para la elaboración de pastas, galletas, pan, caramelos, yogures o refrescos.
Los géneros más empleados para este fin son Spirulina y Chlorella, y los principales países productores de estas especies son los países del sudeste asiático (liderados por China), India, Estados Unidos, Japón e Israel.
En términos cuantitativos, el mercado de Spirulina se estima en más de 12.000 ton/año, con un valor a granel de 8.000 dólares estadounidenses por tonelada (USD/ton). El de Chlorella se estima en 5.000 ton/año, a valores de 10.000 USD/ton.
Ácidos grasos omega-3.
Especial pujanza comienza a experimentarla producción de ácidos grasos poli-insaturados de cadena larga omega 3y omega 6 para consumo humano a partir de microalgas, como una alternativa al aceite de pescado como fuente tradicional de lípidos.
Los principales países productores de omega-3 a partir de microalgas son Estados Unidos, China, Portugal y Australia, con un énfasis particular en las especies Crypthecodinium cohnii o Schizochytrium limacinum.
El volumen del mercado del omega-3 obtenido a partir de microalgas es actualmente de unas 3.000 ton/año, con una sensible alza interanual. El precio de venta a granel del “aceite de microalga con DHA (40%)” es de 140 USD/kg.
Otros productos
En menor medida se comercializan los pigmentos antioxidantes como el betacaroteno, astaxantina y ficocianina con propósitos nutracéticos, farmacéticos y cosmetológicos, con producciones que aportan de 40-70 Ton/año.
Las principales especies demandadas son Dunaliella salina (betacaroteno), Haematococcus pluvialis (astaxantina) y Spirulina (ficocianina).
La producción a gran escala de aceites de microalgas con destino a la obtención de biodiesel ha resultado en importantes avances científicos y tecnológicos, cientos de Patentes de Invención, y creación de numerosas fuentes de empleo, sin embargo, a la fecha, ninguna de ellas ha logrado el éxito en su escalado a nivel económico-financiero.
Otros productos que se encuentran en fase de desarrollo avanzado, o en las primeras etapas de su comercialización son:
- Polihidroxialcanoatos (PHA) y otros biopolímeros.
- Aceites modificados para uso industrial – (lubricantes, aislantes térmicos y dieléctricos, refrigerantes, solventes, etc.)
- Producción de compuestos relacionados a la industria biomédica (anticuerpos, vacunas, coadyuvantes, enzimas, etc.)
- Otros compuestos con actividades de interés cosmético o nutracéutico (luteína, fucoxantina, terpenoides, ficoeritrina, betaglucanos, polisacáridos extracelulares, ceras, resinas, etc.).
Cultivo de microalgas en América Latina
Aunque las exportaciones de productos a bases de microalgas se encuentran lideradas por empresas asiáticas, en América Latina existen empresas que comercializan la biomasa y bioproductos de microalgas en varias presentaciones, polvo, cápsulas y comprimidos para ser utilizados como alimentos y suplementos alimenticios.
Algunas de estas empresas se ubican en México, Brasil, Cuba y Chile, sus productos son desarrollados tanto para el consumo interno de la población como para la exportación, siendo Brasil el país que lidera en cuanto al número de mercados.
El sistema de cultivo predominante es el cultivo abierto, el cual podría estar relacionado con las condiciones climatológicas favorables de la región para el cultivo de estos organismos, así como el menor costo de procesos que este conduce.
La microalga más común en los productos comerciales de las diversas empresas corresponde al género Spirulina, debido a su elevado porcentaje de proteínas, bajos niveles en lípidos y su riqueza en vitaminas y minerales, además de su fácil cultivo que evita contaminación por ser una especie adaptada a pH básicos.
Productividad de las microalgas
La productividad de los cultivos de microalgas es muy diversa y depende de las especies y de los sistemas de cultivo.
La producción de biomasa por área en un fotobiorreactor tubular es dos veces, y en un panel plano es más de tres veces, al de un estanque abierto.
Las diferencias en la producción entre los sistemas pueden ser atribuidas a las diferencias en la eficiencia fotosintética de la luz durante el día.
Los máximos rendimientos en los sistemas raceway descritos hasta la actualidad corresponden al cultivo de Chlorella, con una productividad que osciló entre los 25 y los 30 gramos de biomasa seca por metro cuadrado y día.
Esta especie es una de las primeras en ser cultivada a gran escala y sobre la que más estudios se han publicado. Chlorella constituye por tanto un óptimo referente para una evaluación comparada de costes y rendimientos potenciales.
Costos de producción de microalgas
El precio de costo para la biomasa de algas producidas en una escala básica es mucho menor en los fotobiorreactores que en los estanques abiertos, principalmente debido a los menores costos de bienes de capital y mano de obra.
Los precios de costo son de 35,92 EUROS para el cultivo en estanques, 19,07 EUROS para el fotobiorreactor tubular y 12,52 EUROS para el fotobiorreactor en panel plano.
Desórdenes principales en el cultivo de microalgas
Uno de los factores determinantes en la estabilidad viabilidad de un monocultivo de microalga o cianobacteria es el riesgo de contaminación.
La contaminación de los cultivos de microalgas puede ser biológica, química o física o ser una combinación de estos tres tipos.
Los tipos más comunes de contaminación biológica son excesivos niveles de bacterias otras microalgas protozoarios o macroalgas.
Si un cultivo después de 3 ó 7 días cambia de color y eventualmente se aclara, la causa más común es la presencia de protozoarios.
Un excesivo crecimiento de bacterias se manifiesta como agua turbia bajo crecimiento y colapso del cultivo.
Microalga infectada con el hongo Dynomices
La contaminación química
La contaminación química se detecta a pocas horas de haberse sembrado la microalga. En este caso hay una disminución drástica del número celular conservando su color natural. Esto puede deberse probablemente al cloro residual u otros químicos presentes en el agua.
Si el cultivo conserva un color claro después de 3 ó 4 días observando poco crecimiento se puede deber a que la fuente de luz es poca o existe un desbalance en los nutrientes
Cultivos viejos de 15 o más días de cultivo que se enfrentan a una deficiencia en nutrientes, generalmente se toman turbios y algunos otros levemente claros. Esfuerzos por recobrar estos cultivos ya carentes de nutrientes son inútiles.
Por otra parte, los cultivos de microalgas son susceptibles al pastoreo por algunos grupos zooplantónicos, tales como copépodos, rotíferos o nemátodos, sobre todo en sistemas abiertos.
La presión por predación es tal, que en pocos días pueden reducir la productividad entre un 90 a 99%.
Prevención y medidas correctivas
El agua que abastece a la instalación de cultivo debe ser tratada con anterioridad a su uso. Si la calidad es buena, esto es, carga biológica reducida y baja concentración de sólidos en suspensión, es suficiente un tratamiento con ozono.
Si, por el contrario, la calidad del agua no es adecuada, es necesaria la implementación de otros sistemas, como la instalación de filtros de luz ultravioleta.
Adicionalmente a estas medidas, se recomienda la instalación de filtros de aire en todas las conducciones que abastecen de gases a los fotobiorreactores.
Si los problemas de contaminación persisten se puede recurrir a un tratamiento químico, con hipoclorito sódico, tanto del agua como de los nutrientes disueltos en los depósitos de mezcla, previos a la preparación del medio de cultivo.
Estos tratamientos aseguran el suministro de agua y aire limpios que garantizan la estabilidad de los cultivos.
¿Cómo eliminar la presencia de zooplancton?
Para eliminar la presencia de zooplancton invasor se puede tratar el agua mediante medios físicos, tales como filtración, centrifugación, y tratamientos químicos, como aplicación de hormonas contra invertebrados, aumento de pH y concentración de amonio libre.
No se debe permitir que los cultivos a cualquier nivel pasen del tiempo estricto de cultivo, para evitar que una vez que los cultivos estén viejos sean propensos a bacterias.
Para evitar cualquier contaminación externa los usuarios que estén trabajando en el laboratorio deben utilizar botas de hule, de manera tal que pueda introducir los pies en un recipiente con cloro diluido colocado a las entradas del laboratorio de cultivo.
Se hace necesario el mantenimiento y limpieza de las mangueras utilizadas para cosecha de tal forma que estas no sean fuente de contaminación. Se deberán enjuagar con agua dulce y secar antes de guardarlas.
También se recomienda después de las cosechas o de haber trabajado en el área que esta sea enjuagada con agua dulce y secada con un trapeador limpio; en algunos casos se hará necesaria la limpieza con cloro.
Biofouling en fotobiorreactores
Otro problema habitual detectado en la planta de cultivos el biofouling o adhesión de células vivas o muertas de las propias microalgas o de bacterias contaminantes en las paredes internas de los fotobiorreactores.
Se trata de un problema importante que compromete la productividad de los cultivos al reducir la disponibilidad de luz y ocurre por la liberación de compuestos extracelulares por parte de la microalga.
Esto hace difícil evitar su aparición aunque se puede minimizar manteniendo el cultivo en fase exponencial mediante diluciones periódicas y asegurando una agitación suficiente que mantenga las células en suspensión.
Adicionalmente se recomienda establecer protocolos de limpieza particularizados para cada tipo de fotobiorreactor, modo de cultivo y cepa.
El futuro de las microalgas en la generación de energía
El fuerte impulso al cultivo de microalgas en las últimas décadas ha sido provocado por la necesidad de obtener fuentes alternativas de energía más sostenibles.
El biodiésel es el biocombustible más estudiado ya que las microalgas son la mejor alternativa para obtener triglicéridos destinados a producir biodiésel, aunque también se pueden obtener otros biocombustibles como bioetanol, biometano y biohidrógeno.
Sin embargo, la tecnología necesaria para obtenerlos todavía no está disponible a escala industrial.
Es necesario centrar los esfuerzos de investigación en la búsqueda y desarrollo de microalgas más adecuadas para cada posible uso, la mejora de los sistemas de cultivo para maximizar la productividad y reducir costes, el uso eficiente del CO2 procedente de los gases de combustión y el desarrollo de procesos que permitan un aprovechamiento integral de la biomasa.
Compiladora
MSc. en Ciencias Marinas. Trinidad Urbano
