1 - Fundamentos de los procesos basados en microalgas.
1.6 - Aplicaciones y productos de microalgas
A continuación vamos a mencionar brevemente alguno de los productos y aplicaciones que se pueden obtener de las microalgas. No veremos casos completos, que son mucho más complejos y a menudo implican reaprovechamiento de subproductos. Estos los dejaremos para el estudio de algunos casos selectos en el Tema 8. Tampoco vamos a mencionar las técnicas de cosechado de microalgas en esta sección.
Para estructurar la información, vamos a clasificar los productos/aplicaciones en bajo valor y alto valor:
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Productos y aplicaciones de bajo valor: son aquellos que dan origen a productos baratos, a menudo commoditizados (estandarizados y con gran mercado de productores y consumidores) y que se manejan en cantidades grandes. Es difícil poner un límite pero estos productos tendrían un valor de entre unos pocos euros y una pocas decenas de euros por kilo de biomasa y se manejan por toneladas o cientos de toneladas.
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Productos y aplicaciones de alto valor: por contraposición son sustancias que se producen en poca cantidad, tiene un valor de cientos o miles de euros por kilo (algunos de miles de euros por gramo) y a menudo aparecen en la biomasa microalgal en pequeña cantidad, por lo que su recuperación y purificación incrementan su precio.
Aparte de estructurar la información, la distinción alto/bajo valor tiene sentido ya que determina el sistema de cultivo a elegir. Es obvio que un Raceway de 100 no es apropiado para un producto de muy alto valor que ha de producirse con una cepa de lento crecimiento y poco resistente a condiciones ambientales.
ALGUNOS PRODUCTOS/APLICACIONES DE BAJO VALOR
Entre los productos de bajo valor (commoditizables) se incluyen los biofertilizantes a partir de concentrados de aminoácidos, el biodiesel mediante la transesterificación de lípidos, el bioetanol por fermentación de carbohidratos y la depuración de aguas residuales integrada con la producción de biogás.
Tanque de hidrólisis para la producción de biofertilizantes.No obstante, el producto de bajo valor por excelencia es la biomasa cruda, ya sea en forma seca o congelada, que puede utilizarse directamente para la generación de calor, vapor o electricidad. Asimismo, esta biomasa es una fuente de SCP (single cell protein) para nutrición humana y animal. Por otro lado, determinadas especies poseen la capacidad de realizar la fotólisis del agua para producir hidrógeno (), un vector energético libre de carbono.
Un valor añadido transversal a todos estos procesos es la captura y fijación de atmosférico o procedente de emisiones industriales. Esta capacidad de mitigación de gases de efecto invernadero representa, en sí misma, una aplicación de alto interés ambiental y económico en el marco de una biorrefinería sostenible.
- Biofertilizantes: Concentrados de L-Aminoácidos
La producción de concentrados de aminoácidos libres representa una oportunidad estratégica para valorizar la biomasa en un esquema de biorrefinería.
Valorización de la Fracción Proteica
En cultivos de microalgas con altas tasas de crecimiento, las proteínas suelen ser el componente más abundante, representando habitualmente entre el 30% y el 60% del peso seco de la biomasa. Este proceso permite transformar esta fracción mayoritaria en un producto de alto valor agronómico.
Beneficios para las Plantas
- Ahorro energético: Al suministrar aminoácidos directamente, la planta no necesita invertir energía metabólica en reducir los nitratos o el amonio para sintetizar sus propias proteínas.
Tanque de hidrólisis para la producción de biofertilizantes.- Efecto bioestimulante: Se ha demostrado que su aplicación, ya sea foliar o directamente al suelo, tiene efectos muy favorables en el desarrollo de las estructuras vegetales.
El Proceso de Biorrefinería (Hidrólisis Enzimática)
Para obtener un producto de alta calidad, rico en aminoácidos esenciales y libre de subproductos de degradación tóxicos, se prefiere la hidrólisis enzimática bajo condiciones suaves sobre los métodos químicos. El proceso consta de los siguientes pasos:
- Disrupción Celular: Se realiza una ruptura mecánica mediante un molino de bolas durante 30 minutos para liberar las proteínas del interior de la célula,,.
- Reducción de Viscosidad: Se utiliza la enzima Viscozyme L (durante 30 min a pH entre 6 y 7) para romper los carbohidratos. Esto reduce la viscosidad del medio y mejora la transferencia de masa, lo que incrementa el rendimiento de la hidrólisis posterior en un 30%.
- Hidrólisis Enzimática en dos etapas: Se emplean de forma consecutiva las proteasas comerciales Alcalase (endoproteasa) y Flavourzyme (exoproteasa),. El proceso se optimiza realizando dos ciclos de reacción de 3 horas cada uno para maximizar la obtención de aminoácidos libres.
- Desactivación y Separación: Tras la reacción, las enzimas se desactivan mediante calor (75°C durante 15 min). El concentrado líquido final se separa de los restos de biomasa mediante centrifugación.
Resultados y Producto Final
- Eficiencia: El proceso permite alcanzar un grado de hidrólisis de hasta el 59% tras dos pasos de reacción,.
- Calidad del producto: El resultado es un líquido rico en aminoácidos como glutamina, serina, glicina, histidina y lisina,.
- Sostenibilidad: La biomasa residual obtenida tiene un bajo contenido de nitrógeno, lo que facilita su posterior procesamiento para obtener otros productos como biocombustibles,.
- Biodiesel de microalgas
La producción de biodiesel a partir de microalgas se basa en la obtención y conversión de sus lípidos, principalmente triglicéridos (TAG), en ésteres alquílicos de ácidos grasos. Este proceso se integra generalmente en una cadena de operaciones que incluye el cultivo, la cosecha, el secado y la extracción antes de la conversión química final.
Cultivo y acumulación de lípidos
Las microalgas se cultivan para maximizar la producción de biodiesel, se busca aumentar el contenido lipídico de la biomasa, lo cual suele inducirse mediante condiciones de estrés, siendo la limitación de nitrógeno la técnica más estudiada para estimular la acumulación de TAG.
Cosechado y secado
La biomasa se espesa mediante floculación y tal Viscozyme centrifugación o filtración. Para el procesado, la biomasa debe secarse posibilitar la transesterificación.
Extracción de lípidos
Existen dos enfoques principales para extraer los lípidos de la biomasa seca:
- Métodos mecánicos: Emplean prensas de tornillo o hidráulicas para romper la estructura celular por cizalladura. Su rendimiento suele ser moderado, entre el 60% y el 80%.
- Métodos químicos: El más común es la extracción con solventes, habitualmente hexano debido a su e"iciencia y bajo coste relativo, alcanzando rendimientos de hasta el 98%. El proceso puede potenciarse mediante asistencia por ultrasonidos o microondas para facilitar la ruptura de las paredes celulares.
Transesterificación
Los lípidos extraídos son demasiado viscosos para su uso directo en motores diesel y deben someterse a transesterificación. En esta reacción química, los triglicéridos reaccionan con un alcohol (metanol o etanol) en presencia de un catalizador para producir ésteres metílicos (FAME) o etílicos (FAEE) de ácidos grasos y glicerol como subproducto. Los catalizadores pueden ser básicos (más rápidos pero sensibles a ácidos grasos libres que forman jabones), ácidos (preferibles para lípidos de microalgas por su alto contenido en ácidos grasos libres) o enzimáticos.
Alternativa: Transesterificación in situ
Una vía para reducir etapas y costes es la transesterificación in situ o directa, donde la biomasa (seca o húmeda) reacciona directamente con el alcohol sin una extracción previa de lípidos. Este proceso suele realizarse bajo condiciones de alcohol supercrítico, lo que permite penetrar la pared celular y reaccionar con los lípidos internos de forma más rápida y sin necesidad de catalizadores externos, aunque requiere altas presiones y temperaturas.
Destilación
La mezcla de reacción ha de ser destilada/rectificada hasta conseguir un producto claro con un contenido en esteres metílicos de ácidos grasos cercano al 100% (líquido claro mostrado debajo a la derecha).
- Depuración de aguas residuales con microalgas
Aplicaciones y tipos de residuos
El tratamiento con microalgas es una tecnología aplicable a diversos tipos de efluentes, incluyendo aguas residuales urbanas, residuos agropecuarios como purines de vaca o cerdo, y residuos agrícolas como los lixiviados de vertederos de plantas y destríos. Estos vertidos se utilizan como fuentes de nutrientes para el cultivo de biomasa, permitiendo el reciclaje del agua y la reducción de costes en fertilizantes.
Consorcios microalgas-bacterias
La depuración y regeneración del agua se logra mediante consorcios de microalgas y bacterias. Estos sistemas consiguen eliminar las diversas especies de nitrógeno y de fósforo del agua residual, una tarea que las bacterias de forma aislada no pueden realizar con la misma eficacia.
Recuperación de nutrientes y biofertilizantes
En este proceso, los elementos contaminantes no son simplemente eliminados, sino que se recuperan al ser asimilados como constituyentes fundamentales de la biomasa microalgal. Esta biomasa, rica en nitrógeno y fósforo orgánico, puede emplearse posteriormente para fabricar biofertilizantes, logrando así cerrar el ciclo de los nutrientes.
Valorización energética y biogás
El sistema puede alcanzar una alta eficiencia mediante la integración en una biorrefinería donde los residuos de biomasa se convierten fácilmente en biogás dentro de un digestor anaeróbico. Este aprovechamiento energético del material sobrante contribuye a la sostenibilidad económica y ambiental del proceso de depuración.
- Bioetanol de microalgas
La producción de bioetanol a partir de microalgas se basa en el aprovechamiento de su fracción de carbohidratos (celulosa y almidón), la cual puede ser fermentada para obtener alcohol. Este biocombustible de tercera generación no compite con el suministro de alimentos y presenta un alto número de octano.
Cultivo y acumulación de carbohidratos
Para la producción de bioetanol se seleccionan especies con alta capacidad de almacenamiento de azúcares, como géneros de Chlorella, Dunaliella, Chlamydomonas y Scenedesmus, que pueden superar el 50% de contenido en carbohidratos. La acumulación de estos compuestos se induce mediante condiciones de estrés durante el cultivo, tales como la limitación de nutrientes (nitrógeno o fósforo), variaciones de temperatura y niveles elevados de irradiación.
Cosecha y pretratamiento
La biomasa se separa del medio mediante procesos de pre-concentración (floculación o sedimentación) y posterior espesamiento por centrifugación o filtración. Una vez cosechada, es necesario realizar un pretratamiento para romper las membranas celulares y liberar los carbohidratos internos. Los métodos químicos emplean ácidos o bases a altas temperaturas, mientras que los métodos físicos pueden incluir el uso de microondas o ultrasonidos.
Esquema de un proceso de obtención de etanol a partid de microalgas.Sacarificación y fermentación
Tras la liberación de los carbohidratos, se realiza la sacarificación para romper los polisacáridos en azúcares fermentables más simples, habitualmente mediante hidrólisis enzimática (usando amilasas o celulasas) debido a que no genera subproductos tóxicos. Los azúcares resultantes son transformados en etanol por microorganismos, generalmente levaduras como Saccharomyces cerevisiae o bacterias como Zymomonas mobilis. Este proceso puede realizarse de forma separada a la hidrólisis (SHF) o simultánea (SSF).
Destilación y purificación
El producto de la fermentación consiste en una mezcla de agua y alcohol que debe someterse a destilación para separar el bioetanol. Mediante este proceso de purificación final se puede alcanzar una pureza de hasta el 99%. En un esquema de biorrefinería, el dióxido de carbono generado durante la fermentación puede ser recirculado a la etapa de cultivo de microalgas para mejorar la sostenibilidad del sistema.
PRODUCTOS DE ALTO VALOR
Esta sección muestra la recuperación de compuestos específicos como la luteína, utilizada por sus propiedades antioxidantes y colorantes; el ácido graso omega-3 EPA (ácido eicosapentaenoico) de alta pureza; la B-ficoeritrina, empleada como sonda fluorescente en biomedicina; y las sustancias marcadas con el isótopo para el seguimiento de rutas metabólicas.
Junto a estos, destaca la producción industrial de otros compuestos de gran relevancia comercial como la astaxantina (obtenida principalmente de Haematococcus pluvialis), el beta-caroteno (de Dunaliella salina) y el ácido graso DHA (ácido docosahexaenoico). Finalmente, la fracción proteica y otras sustancias bioactivas de la biomasa permiten la elaboración de bioestimulantes vegetales, que mejoran el rendimiento de los cultivos al facilitar la asimilación de nutrientes y reducir el gasto energético de la planta.
Obtención de luteína a partir de microalgas
La luteína es un compuesto xantofílico utilizado como colorante alimentario (E 161 b) y en la prevención de enfermedades degenerativas oculares, cardiovasculares y ciertos tipos de cáncer. Aunque la fuente comercial principal es la planta de caléndula (Tagetes erecta L.), microalgas como Scenedesmus almeriensis ofrecen ventajas por su mayor tasa de crecimiento y la posibilidad de cultivo continuo en biorreactores.
Disrupción celular
Debido a la dureza de la pared celular de estas microalgas, la disrupción mecánica es necesaria para liberar los carotenoides; sin este paso, el rendimiento de recuperación cae al 40%. El método más eficaz para aplicaciones industriales es el uso de un molino de perlas con alúmina como agente abrasivo en una proporción 1:1 durante 5 minutos, lo que permite alcanzar una eficiencia de recuperación del 98%.
Tratamiento alcalino (Saponificación)
La biomasa disruptada se somete a un tratamiento con hidróxido de potasio (KOH) para completar la destrucción de la pared celular y facilitar la separación de lípidos ionizables. Las condiciones óptimas se han establecido en una concentración de biomasa de 100 g/L con KOH al 4% p/v durante 5 minutos a temperatura ambiente. El uso de concentraciones de álcali más elevadas o tiempos de contacto prolongados reduce el rendimiento del proceso debido a la degradación de la luteína.
Extracción con disolvente
Para la recuperación de la luteína se utiliza hexano, solvente habitual en la industria alimentaria por su eficacia en la extracción de carotenoides. El proceso puede optimizarse mediante un sistema de extracción repetida en contracorriente para minimizar el volumen de solvente utilizado. Se alcanza una recuperación del 95% del producto tras seis etapas de extracción.
Purificación y estabilización final
Tras la extracción, el hexano se elimina mediante destilación al vacío. El extracto de carotenoides resultante se estabiliza mediante su solubilización en aceite de oliva, obteniéndose un producto final líquido con una concentración del 1% de luteína, apto para su uso directo como suplemento o en la formulación de alimentos para consumo humano o animal.
Un posible diagrama de flujo de un proceso de obteción de luteína a partir de biomasa microalgal es el siguiente:
Obtención de ácido eicosapentaenoico (EPA) de alta pureza
Las microalgas generan "de-novo" ácidos grasos poliinsaturados (más de dos insaturaciones) ω-3 de cadena larga (2o o más carbonos). Entre ellos cabe destacar el EPA (ácido eicosapentaenoico, 20:5ω3, 20 carbonos, 5 insaturaciones) y DHA (docosahexaenoico, 22:6ω3). Ambos son muy similares, por lo que es difícil separarlos. A continuación se comenta un proceso de recuperación de EPA a partir de biomasa de microalgas.
El proceso para la recuperación de ésteres de ácido eicosapentaenoico (EPA) a partir de microalgas se basa en una ruta de tres etapas principales que permite alcanzar purezas superiores al 90% con rendimientos de recuperación de EPA por encima del 70%.
Esquema de un proceso de obtención de EPA (ester) a partir de microalgas.Extracción y transesterificación simultánea
La primera etapa consiste en la conversión directa de los lípidos de la biomasa en ésteres de ácidos grasos mediante un proceso de un solo paso. Para ello, se mezcla la biomasa (húmeda o liofilizada) con metanol, hexano y cloruro de acetilo. Esta técnica elimina operaciones intermedias y es especialmente efectiva con biomasa húmeda de la diatomea Phaeodactylum tricornutum, lo que supone una ventaja económica al evitar el costoso secado del material.
Fraccionamiento mediante cromatografía de sílice argentada
Los ésteres grasos crudos se separan utilizando cromatografía en columna con gel de sílice impregnado con nitrato de plata (fase estacionaria argentada). La separación ocurre por la formación de complejos de transferencia de carga entre los iones de plata y los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados. El EPA, al ser altamente insaturado, se retiene con más fuerza que los ésteres saturados o monoinsaturados, permitiendo su aislamiento selectivo mediante una elución con gradientes de acetona en hexano. La carga máxima aceptable de la mezcla de ésteres sobre el soporte es del 4% (p/p) para mantener la resolución.
Eliminación de pigmentos
La fracción de EPA recuperada de la columna argentada suele presentar trazas de clorofilas. Para eliminarlas, se realiza una segunda etapa cromatográfica utilizando gel de sílice no argentado. El extracto se eluye con una mezcla de hexano y acetona, obteniéndose un producto final de color amarillo pálido libre de pigmentos contaminantes.
Calidad y estabilidad del producto
- Pureza: En el caso de P. tricornutum, se alcanzan purezas de hasta el 96%.
- Contaminación: La presencia de plata lixiviada en el producto final es insignificante, con valores inferiores a 210 ppb.
- Estabilidad: El EPA en forma de éster es más estable que como ácido graso libre. Su vida útil se prolonga significativamente si se almacena disuelto en hexano o si se añaden mezclas de antioxidantes para prevenir la degradación oxidativa.
Obtención de B-ficoeritrina a partir de microalgas
La B-ficoeritrina (B-PE) es un pigmento de la familia de las ficobiliproteinas presente en microalgas rojas como Porphyridium cruentum. Se utiliza ampliamente como sonda fluorescente en biomedicina y como colorante natural en alimentos y cosméticos debido a su intenso color rosado y alta fluorescencia.
Extracción inicial
El proceso comienza con la liberación de las ficobiliproteinas de la biomasa fresca o congelada mediante un choque osmótico, utilizando habitualmente una solución tampón de ácido acético-acetato de sodio. Este método permite recuperar más del 90% de la ficoeritrina presente en las células.
Esquema de un proceso de obtención de ficocianina/ficoeritrina a partir de microalgas.Purificación mediante adsorción en lecho expandido (EBA)
Para simplificar el proceso y evitar pasos tediosos de centrifugación y precipitación, se emplea la cromatografía de adsorción en lecho expandido con una matriz aniónica (Streamline-DEAE).
- Adsorción: El extracto crudo se bombea en flujo ascendente a través de la columna, donde la ficoeritrina se une selectivamente a la matriz mientras los restos celulares y proteínas no deseadas pasan de largo.
Purificación de ficocianina/ficoeritrina en cromatografía de lecho expandido.- Lavado y elución: Tras el lavado, se permite que el lecho se asiente y se eluye el producto en flujo descendente utilizando un tampón con mayor fuerza iónica. Este paso actúa simultáneamente como método de clarificación y concentración.
Purificación final por intercambio iónico
La solución enriquecida obtenida del lecho expandido se somete a una etapa final de cromatografía de intercambio iónico convencional en columna de lecho empaquetado (DEAE-celulosa). Mediante una elución con gradiente discontinuo, se separan otros pigmentos como la R-ficocianina y proteínas incoloras residuales.
Calidad y rendimiento
- Rendimiento: El proceso permite alcanzar una recuperación global del 66% de la B-ficoeritrina inicial.
- Pureza: El producto final presenta una pureza muy elevada, verificada por una relación de absorbancia y mediante electroforesis SDS-PAGE, que confirma la presencia de sus subunidades características ().
Producción de ácidos grasos etiquetados con Carbono-13
La obtención de ácidos grasos poliinsaturados etiquetados con el isótopo estable (y cualquier otra molécula orgánica con carbono en general) se realiza mediante el cultivo autotrófico de microalgas en un sistema diseñado para maximizar la eficiencia de asimilación del carbono. Este proceso permite producir trazadores biológicos seguros para estudios metabólicos en medicina e investigación.
En principio, el proceso podría hacerse también con plantas superiores, sin embargo los cultivos de microalgas resultan especialmente adecuados para este proceso ya que permiten eliminar el del medio y controlar que solo entre el sistema , asegurando así la pureza de los productos.
Esquema de un proceso de obtención de ficocianina/ficoeritrina a partir de microalgas.Sistema de cultivo y recirculación de gases
El núcleo del proceso es un fotobiorreactor de columna de burbujas que opera en circuito cerrado para evitar pérdidas gaseosas del isótopo. Los gases de escape del reactor se recogen y se reintroducen en el cultivo mediante un compresor de baja presión. El suministro de carbono se realiza mediante la inyección controlada de , el cual sirve simultáneamente para regular el pH del medio.
Control del oxígeno disuelto y descarbonatación
Para evitar que la acumulación de oxígeno generado por la fotosíntesis inhiba el crecimiento en el sistema cerrado, el gas recirculante se burbujea a través de una solución de bisulfito sódico antes de volver al reactor. Este compuesto químico reduce el oxígeno a hidróxido, permitiendo mantener niveles seguros de oxígeno disuelto.
Previo a la inoculación, el medio de cultivo se descarbonata para eliminar el residual y asegurar la pureza isotópica del producto final.
Sistema de cultivo y recirculación de gases
El núcleo del proceso es un fotobiorreactor de columna de burbujas que opera en circuito cerrado para evitar pérdidas gaseosas del isótopo. Los gases de escape del reactor se recogen y se reintroducen en el cultivo mediante un compresor de baja presión. El suministro de carbono se realiza mediante la inyección controlada de , el cual sirve simultáneamente para regular el pH del medio.
Control del oxígeno disuelto y descarbonatación
Para evitar que la acumulación de oxígeno generado por la fotosíntesis inhiba el crecimiento en el sistema cerrado, el gas recirculante se burbujea a través de una solución de bisulfito sódico antes de volver al reactor. Este compuesto químico reduce el oxígeno a hidróxido, permitiendo mantener niveles seguros de oxígeno disuelto. Previo a la inoculación, el medio de cultivo se descarbonata para eliminar el residual y asegurar la pureza isotópica del producto final.
Eficiencia de asimilación y calidad del producto
El proceso alcanza una eficiencia de fijación del carbono del 59,5% en la biomasa, mientras que un 33% permanece en el sobrenadante de la cultura y solo un 7,5% se pierde en el sistema. La biomasa resultante presenta un contenido de ácidos grasos del 10% sobre el peso seco, con una fracción de ácido eicosapentaenoico (EPA) del 2,5%. El análisis por cromatografía de gases y espectrometría de masas confirma que más del 90% del carbono en estos ácidos grasos es .
Sustancias marcadas con
También es posible obtener sustancias marcadas con de manera similar a la descrita para el . Para ello se puede usar un medio de cultivo basado en o . Por la naturaleza de los ciltivos de microalgas, es mucho más fácil usar esto microorganismos que plantas o algas superiores.
Resumen 1.6 - Aplicaciones y productos de microalgas
Clasificación general
Bajo valor: productos commoditizados, pocos euros/decenas de euros por kg, escala de toneladas (biofertilizantes, biodiesel, bioetanol, depuración de aguas, biomasa cruda como SCP).
Alto valor: sustancias en pequeña cantidad, cientos/miles de euros por kg, requieren recuperación y purificación costosas.
Productos de bajo valor
Biofertilizantes (concentrados de aminoácidos) - hidrólisis enzimática (molino de bolas → Viscozyme → Alcalase/Flavourzyme → centrifugación). Grado de hidrólisis hasta 59%.
Biodiesel - acumulación de lípidos (estrés por N), extracción (mecánica o con hexano, hasta 98%), transesterificación con alcohol y catalizador. Alternativa: transesterificación in situ.
Depuración de aguas residuales - consorcios microalgas-bacterias, recuperan N y P como biomasa, integrable con producción de biogás.
Bioetanol - fermentación de carbohidratos (Chlorella, Dunaliella, etc.), pretratamiento, sacarificación enzimática, fermentación con levaduras, destilación hasta 99% pureza.
Productos de alto valor
Luteína (Scenedesmus almeriensis) - disrupción con molino de perlas (98% eficiencia), saponificación con KOH, extracción con hexano (95% recuperación), purificación y estabilización en aceite de oliva.
EPA de alta pureza (Phaeodactylum tricornutum) - extracción/transesterificación simultánea, cromatografía argentada (separa por insaturación), eliminación de pigmentos, pureza hasta 96%.
B-ficoeritrina (Porphyridium cruentum) - choque osmótico, cromatografía de adsorción en lecho expandido (EBA), purificación final por intercambio iónico. Rendimiento 66%, alta pureza (A545/A280 > 4.6).
Ácidos grasos marcados con ¹³C - cultivo en circuito cerrado con ¹³CO₂, control de O₂ disuelto con bisulfito sódico, descarbonatación previa. Eficiencia de fijación 59.5%, >90% del C es ¹³C. También aplicable a marcaje con ¹⁵N.