1 - Fundamentos de los procesos basados en microalgas.

1.1 - ¿Qué son las microalgas?

Las microalgas son microorganismos fotosintéticos, por lo que se reproducen fácilmente (microorganismos: no tienen necesidad de generar estructuras complejas como tallos, raices, semillas o hipotecas) y, en su gran mayoría obtienen la energía de la luz del sol (fotosintéticos).

Las microalgas, además, son autótrofas. Esto significa que obtienen su carbono de una fuente inorgánica (generalmente $\textbf{CO}_2$). Po eso se les llama también organismos fotoautotróficos, ya que obtienen su energía de la luz y su carbono de fuentes inorgánicas (al igual que las plantas superiores).

Las microalgas pueden ser también mixotróficas (fotoheterótrofas) e incluso complétamente heterótrofas. En este último caso (no necesitan luz), se diferencian poco de otros microorganismos com bacterias o microhongos y puede vd. utilizar los conocimientos adquiridos en la asignatura "Biorreactores" para diseñar sistemas de cultivo de microalgas heterotróficas.

En esta asignatura nos centraremos en desarrollar herramientas para el diseño de fotobiorreactores (abreviados como FBRs). Los fotobiorreactores son los dispositivos en los que crecen las microalgas y están destinados al cultivo de microorganismos cuyo nutriente limitante es la luz.

Cabe destacar en este contexto que las cianobacterias (procariotas) son microorganismos que también cumplen los mismas características que hemos mencionado de las microalgas (eucariotas), por lo que todo lo que digamos de fotobiorreactores para el cultivo de microalgas es aplicable a microalgas y cianobacterias.

- Características de las microalgas

Analizaremos algunas de las características de la micoalgas que más nos interesan y sus consecuencias técnicas:

• Microorganismos unicelulares fotoautotróficos
• Gran capacidad de generación de biomasa
• Biomasa de composición compleja
• Gran plasticidad metabólica
• Absorben $\text{CO}_2$, N ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_3^-$) y P ($\text{PO}_4^{3-}$) inorgánicos de efluentes agrarios o industriales
• Liberan $\text{O}_2$ (relevante en consorcios microalgas/bacterias)

- Microorganismos unicelulares fotoautotróficos

Como hemos mencionado, las microalgas convierten luz y $\text{CO}_2$ en biomasa orgánica. Adicionalmente sólo consumen agua ($\text{H}_2\text{O}$), allguna fuente de nitrógeno (inorgánica), cantidades menores de fósforo y azufre inorgánicos y trazas de otros nutrientes. El proceso se puede resumir en la siguiente figura.

Que resalta fundamentalmente que las microalgas catalizan la conversión de materia inorgánica (carbono, agua, notrógeno, fosforo, azufre ...) en materia orgánica con un mayor índice de reducción y muy rica en composición, especialmente comparada con otros microorganismos.

Además, el crecimiento es rápido. En un tiempo corto se genera mucha biomasa, en comparación con otros organismos fotoautotróficos. Esto les otorga una gran capacidad de generación de biomasa.

- Gran capacidad de generación de biomasa

La capacidad de reproducirse en poco tiempo otorga un gran potencial de generación de biomasa. Esta característica es común de la mayoría de los microorganismos y es consecuencia de su sencillez estructural (ser unicelulares). Esto se ilustra en la siguente imagen.

Esta propiedad encuentra su definición cuantitativa en conceptos como el tiempo de duplicación o la velocidad específica de crecimiento. Tiempos de ducplicación cortos, como los de las microalgas, conllevan gran capacidad de generación de biomasa. Lo contrario ocurre con organismos fotosintéticos superiores, como las plantas o las macroalgas:

De la comparación de ambas representaciones deben quedar claros los siguientes puntos:

• Microalgas: el tiempo corto de duplicación implica gran velocidad de crecimiento
• Las microalgas no necesitan suelo fértil
• Las microalgas tienen una elevada eficiencia fotosintética

Las microalgas no necesitan suelo fértil. Se pueden instalar fotobiorrectores en desiertos y terrenos rocosos, por mencionar algunas situaciones. Incluso se pueden cultivar sin suelo, flotando en el mar.

Toda la biomasa de un cultivo de microalgas contiene aparato fotosintético. No hay estructuras como tallos, frutos o raíces que puedan recibir parte de la luz sin absorberla fotosintéticamente.

- Tiempo de duplicación y velocidad específica de crecimiento

Como puede comprobar visualmente en las imágenes de arriba, la diferencia en el potencial de generación de biomasa radica en el tiempo en el que ambos organismos tandan en reproducirse (duplicarse, si ignoramos la velocidad de muerte para simplificar). Este tiempo, se denomina "tiempo de duplicación" ($\boldsymbol{t_d}$).

Visualmente es bastante obvio que un tiempo de duplicación corto conlleva mayor capacidad de generación de biomasa. Puesto que $\boldsymbol{t_{dm}<<t_{dp}}$, las microalgas generan biomasa más aprisa. Sin embargo, $t_d$ no es conveniente desde el punto de vista de la ingeniería. El crecimiento de biomasa está regido por la siguiente ecuación diferencial:

$$\begin{align} \frac{dC_b}{dt} = \mu \cdot C_b \tag{1} \end{align}$$

Donde $C_b$ expresa la concentración de biomasa (en ${g}/{m^3}$, por ejemplo). El tiempo es $t$ y $\mu$ es la velócidad específica de crecimiento, que tiene como unidad el inverso del tiempo ($1/h$, por ejemplo). $\mu$ depende del entorno y del microorganismo. La ecuación anterior se semara a:

$$\begin{align} \frac{dC_b}{C_b} = \mu \cdot dt \tag{2} \end{align}$$

Cuando $\mu$ es constante, la ecuación se integra a:

$$\begin{align} \frac{dC_b}{C_b} &= \mu \cdot dt \tag{3} \\[10pt] \int_{C_{b0}}^{C_b} \frac{dC_b}{C_b} &= \int_0^t \mu \cdot dt \tag{4} \\[10pt] \left[ \ln C_b \right]_{C_{b0}}^{C_b} &= \mu \cdot \left[ t \right]_0^t \tag{5} \\[10pt] \ln C_b - \ln C_{b_0} &= \mu \cdot t \tag{6} \\[10pt] \ln \frac{C_b}{C_{b0}} &= \mu \cdot t \tag{7} \\[10pt] \frac{C_b}{C_{b_0}} &= e^{\mu \cdot t} \tag{8} \\[10pt] C_b &= C_{b_0} \cdot e^{\mu \cdot t} \tag{9} \end{align}$$

En esta última ecuación se puede incluir el concepto de tiempo de dupicación ($t=t_d\Rightarrow C_b=2C_{b_0}$). Entonces:

$$\begin{align} 2C_{b0} &= C_{b0} \cdot e^{\mu \cdot t_d} \tag{10} \\[10pt] 2 &= e^{\mu \cdot t_d} \tag{11} \\[10pt] \ln 2 &= \mu \cdot t_d \tag{12} \\[10pt] \mu &= \frac{\ln 2}{t_d} \tag{13} \end{align}$$

Lo que demuestra que ambos conceptos están relacionados matemáticamente de forma precisa. Lo importante es que $\mu$ nos resulta muy útil en el diseño de fotobiorreactores (como verá vd. en el Tema 2) mientras que $t_d$ es más fácil de entender pero menos útil.

$\mu$ es fácil de correlacionar con variables del entorno, como la concentración de sustrato ($C_s$ ó [S] o como la llamase vd. en Biorreactores). En el caso de las microalgas, nos interesa correlacionar $\mu$ con la luz disponible para la fotosíntesis $\boldsymbol{I}$.

Generación de biomasa y productividad

Esta realidad se puede concretar matemáticamente. Observando la evolución de $C_b$ para microalgas (o plantas o cualquier organismo) en ausencia de limitación, se observa una relación como la siguiente:

Es decir, que una $\mu$ superior implica una mayor capacidad de producción de biomasa. Esta capacidad de producción se denomina PRODUCTIVIDAD y se representa por $\boldsymbol{P_b}$. La productividad tiene dimensiones de g/($m^3 \cdot h$), por ejemplo. La definición de la producividad es la siguiente:

$$\begin{align} P_b =\frac{dC_b}{dt}\tag{14} \end{align}$$

Despejando de la ecuación (1):

$$\begin{align} \mu = \frac{1}{C_b} \cdot \frac{dC_b}{dt} \tag{15} \end{align}$$

Podemos ver que la productividad es:

$$\begin{align} P_b =\mu \cdot C_b \tag{16} \end{align}$$

Es decir, que para conseguir una productividad alta, deben coexistir una alta concentración de biomasa y una elevada velocidad específica de crecimiento. En el cultivo de microorganismos no fotosintéticos se pueden maximizar ambas variables $\mu$ y $C_b$ por separado, ya que la concentración de sustrato ($C_s$ ó [S]), que es el parámetro que suele controlar $\mu$, se puede ajustar por separado. Sin embargo, en el culivo de microalgas, alta $\mu$ y alta $C_b$ entran en conflicto por lo siguiente:

• Para obtener $\mu$ elevada se requiere una alta $I$ (disponibilidad de luz fotosintética).
• Para obtener una alta $I$ se requiere que $C_b$ sea baja ya que la biomasa impide la entrada de luz y por tanto $C_b$ elevada implica baja $I$.
• Es imposible tener a la vez alta $\mu$ y alta $C_b$.

Por lo que para obtimizar $P_b$ en un fotobiorreactor hay que encontrar un punto intermedio en el que el producto $\mu \cdot C_b$ sea máximo. Esto es lo que nos ocupará durante buena parte de la asignatura.

- Obtención de biomasa y productos de medio y alto valos

Aunque la preocupación principal del diseño de fotobiorreactores es maximizar la productividad de biomasa, es necesario reconocer que las microalgas contienen una gran cantidad de biomoléculas de interés (en general, porque son caras) y conviene conocer qué condiciones maximizar el contenido de la biomasa microalgal en estas sustancias, con el objeto de maximizar la producción. De igual forma, otras aplicaciones, como la depuración de aguas, pueden requerir algo más que la producción máxima de biomasa.

Por ello, debemos conocer las aplicaciones potenciales de las microalgas. A modo de ilustración y sin ánimo de ser exhaustivos, podemos relacionar las siguientes:

• Producción de proteínas (SCP)
• Biomasa para acuicultura
• Alimentación humana y piensos para ganado
• Capacidad quelante: biorremediación
• Ácidos grasos poliinsaturados
• Pigmentos: clorofilas, carotenoides, ficobiliproteínas
• Compuestos bioactivos: antifúngicos, insecticidas, fitoestimulantes
• Absorbedoras de $CO_2$ de gases de escape
• Depuración de aguas residuales, industriales y residuos de invernadero
• Producción de biofertilizantes
• Biofueles y biogas
• Moléculas marcadas con $C^{13}$ y $N^{15}$
• Economía circular

Existe una ámplia variedad de microalgas adecuadas pra producir diferentes sustancias. Por ejemplo, Haematococcus pluvialis bajo condiciones de estrés (deprivación de fuente de nitrógeno y alta irradiancia, acumula hasta un 5% en peso del carotenoide astaxantina. Scenedesmus almeriensis produce el carotenoide luteína mientras que Spirulina platensis (una cianobacteria), es productora de los pigmentos fluorescentes ficocianina y ficoeritrina.

Además, muchas microalgas muestran PLASTICIDAD METABÓLICA: capacidad de adaptar su composición ante variaciones del entorno. Algunos ejemplos de platicidad metabólica son:

• Acumulación de carotenoides ante situaciones de estrés lumínico
• Incremento del ocntenido en lípidos ante la deprivación de nitrógeno.
• Excreción de exopolosacáridos al medio ante estrés hidrodinámico
• Acumulación de clorofilas en situaciones de baja iluminación

La consecuencia es que se puede incremanra de forma muy importante la productividad de un producto determinado eligiendo adecuadamente las condiciones de cultivo, incluso en el caso de que rebajen un poco la productividad de biomasa respecto al óptimo.

- Microalgas, procesos sostenibles y economía circular.

Los procesos basados en microalgas, y en realidad cualquier otro proceso hoy día, ya no se diseñan para la obtención de una sola sustancia (por ejemplo, luteína, astaxantina o algún ácido graso). Estas sustancias pueden estar en cantidades de un 1-5%, por lo que vedrían acompañadas de una gran cantidad de subprodcutos de desecho que, en los procesos modernos, deben ser aprovechados. Estas consideraciones dan lugar concepto de procesos integrados y de biorefinería.

• Biorrefinería procesamiento integral, sostenible y sinérgico de la biomasa para su transformación en un espectro de bioproductos comercializables (alimentos, piensos, productos químicos, materiales) y bioenergía (biocombustibles, electricidad y calor térmico).

Otra categoría especialmente adecuada para las microalgas, son los procesos de valorización de residuos, que utilizan como materia prima residuos tales como aguas residuales urbanas o efluentes agrarios o industriales, y los convierten en productos como biomasa, biofertilizantes o biogas.

• La valorización de residuos es el conjunto de operaciones operativas, industriales, químicas o biológicas cuyo objetivo principal es conferir a un residuo un nuevo valor económico o utilidad funcional, transformándolo en un recurso secundario que sustituye a materias primas vírgenes o fuentes de energía convencionales.

Finalmente, cabe comentar que las microalgas son una pieza clave en la economía circular. La economía circular es un modelo de producción y consumo diseñado para minimizar la extracción de materias primas y la generación de residuos. Su objetivo principal es mantener los materiales, productos y recursos dentro del ciclo económico durante el mayor tiempo posible, extendiendo su vida útil y creando un valor añadido continuo.

Como ejemplo, las microalgas pueden ser cultivadas usando como medio de cultivo purines o aguas residuales urbanas. De esta forma, el nitrógeno y fósforo presentes, que normalmente se perderían como desnitrificación o serían vertidos, se recuperan incorporándose a la biomasa microalgal.

En contraste, la economía lineal (el modelo tradicional) sigue el patrón de "extraer, fabricar, usar y tirar" y se basa en la premisa (insostenible a largo plazo) de que tenemos recursos infinitos, baratos y fáciles de conseguir.

Por lo que el uso de estas prácticas permite ahorrar fertilizantes nitrogenados y con ello la inmensa cantidad de energía que consume el proceso Haber. También es posible recuperar gran parte del fósforo (P), que es un problema inclus mayor que el nitrógeno (N), ya que el fósforo proviene de recursos mineros (roca fosfórica) finitos y bajo intensa explotación.

Más aún, las microalgas proporcionan $O_2$ a las bacterias que degradan la materia orgánica y recaptan el $CO_2$ que liberan las bacterias como materia orgánica. De esta forma, el $CO_2$, en vez de volver a la atmósfera, queda en forma de biomasa que, además de biofertilizantes, puede ser convertida en biofueles (biodiesel o bioetanol) o biogas.

- Resumen

Las microalgas son microorganismos unicelulares fotoautotróficos que convierten luz y $\text{CO}_2$ en biomasa orgánica. Su simplicidad estructural les otorga tiempos de duplicación muy cortos (alta velocidad específica de crecimiento $\mu$), lo que se traduce en gran capacidad de generación de biomasa.

La productividad ($P_b = \mu \cdot C_b$) depende del balance entre velocidad de crecimiento y concentración de biomasa. En fotobiorreactores existe un conflicto inherente: alta $\mu$ requiere alta irradiancia $I$ (baja $C_b$), mientras que alta $C_b$ reduce $I$. Optimizar $P_b$ requiere encontrar el punto donde $\mu \cdot C_b$ es máximo.

Las microalgas presentan plasticidad metabólica: adaptan su composición ante cambios ambientales (acumulación de lípidos, carotenoides, polisacáridos), permitiendo maximizar la producción de compuestos de alto valor mediante control de condiciones de cultivo.

Son clave en economía circular y biorrefinerías: valorizan residuos (aguas residuales, efluentes agrarios), recuperan nutrientes (N, P), aportan $\text{O}_2$ a consorcios bacterianos, recaptan $\text{CO}_2$, y generan múltiples productos (proteínas, pigmentos, lípidos, biofertilizantes, biocombustibles).