Ingenieria de Procesos aplicada a la Biotecnología de Microalgas
1.1 - Microalgas - definicion y caracteristicas
Las microalgas y las cianobaterias son microorganismos uniceluláres que tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis. Esto es, son capaces de generar biomasa orgánica a partir de CO2 y luz, usando al agua como dador de electrones, oxidandola a O2.
Microalgas y cianobacterias difieren en muchos aspectos, especialmente en que lan primeras son eucariotas y las segundas son procariotas, pero desde el punto de vista de la ingeniería de procesos, lo relevante es que crecen usando luz como energia y CO2 como fuente de carbono. Por supuesto, tienen requerimientos nutricionales distintas, especialmente teniendo en cuenta que muchas cianobacterias pueden fijar N2 atmosférico, mientras que las microalgas necesitan especies nitrogenadas como nitrato, amonio o aminoácidos.
Sin embargo, como nuestro objetivo es hacerlas crecer a la máxima velocidad y productividad, diseñaremos los sistemas para que siempre están saturados de nutrientes inorgánicos y crezcan limitadas por luz, que es el recurso escaso y caro. Por tanto, diseñaremos de la misma forma los ftobiorreactores tanto para microalgas como para cianobacterias.
¿Qué son las microalgas?
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Microalgas y cianobacterias son fotoautótrofos:
Autótrofos: utilizan una fuente inorgánica de carbono, el CO2
Fotótrofos: usan la luz como fuente de energía
Existen microalgas heterótrofas que se pueden tratar como cualquier otro microorganismo. No necesitan un fotobiorreacttor para crecer.
Identificación de las microalgas
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Las microalgas se clasifican por reino, división, clase, orden, familia, género y especie. Básicamente cuando vd ve un nombre de dos palabras tal como "Nannochloropsis gaditana" está usted viendo el género y la especie. Esta es la información necesaria para poder averiguar las necesidades nutricionales de una microalga de manera que podamos fabricarle un medio adecuado tal y como veremos en el apartado correspondiente.
Todas las microalgas de la misma especie son esencialmente la misma en casi todos sus aspectos bioquímicos. Sin embargo, incluso entre la misma especie pueden darse diferencias de la misma forma que observams diferencias entre familiares cercanos, como primos. Cuando es necesario distinguir entre microalgas de la misma especie, se habla de "cepas" (strains). Cada año nos atacan diferentes cepas del mismo virus de la gripe, lo que le da una idea de que incluso entre la misma especie puede haber cepas sustancialmente diferentes.
A la izquierda se muestra un recorte de la Wikipedia que recoge la información sobre la microalga Chlorella y muestra 4 de sus especies, minutissima, pyrenoidosa, variabilis y vulgaris. La información es útil porque está presentada de forma sencilla. Sine embargo, a la hora de buscar información sobre microalgas, es mucho más útil acudir a la bibliografia especializada o, mejor aún, a las páginas web de la colecciones de microorganismos que desde hace tiempo se encuentran accesibles en internet.
Sirva de ejemplo la página de la CCAP: www.ccap.ac.uk
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La página de la CCAP da 106 resultados para Chlorella, lo que demuestra que la información es mucho más completa. Y lo que es más importante: ofrece información sobre condiciones de cultivo y da una receta del medio apropiado. Y, por supuesto, puede comprar inóculo para poner en marcha un cutivo.
Debajo se muestra una imagen de Chlorella emersonni poporcionada por la CCAP.
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Otra cuestión más complicada es identificar una microalga desconocida. Para ello pueden emplearse datos conocidos de composición y morfología, sin embargo desde hace tiempo la identificación considerada fiable es el análisis de ADN. En cualquier caso, es una labor de espacialistas y cae fuera del ámbito de esta asignatura.
Las microalgas, como organismos fotosintéticos, son imprescindibles en el mantenimmiento de la vida en La Tierraya que proporcionan compuestos orgánicos reducidos y oxígeno para soportar al resto de la vida del planeta. La microalgas son la principal fuente de producción fotosintética del planeta.
Como organismos unicelularesn que son, tienen una capacidad de crecimiento y de generación de biomasa mucho mayor que las plantas superiores, ya que no necesitan arraigar o generar estructuras reproductoras, lo que les permite duplicarse en cuestión de horas.
Las microalgas tienen una composición bioquímica compleja debida a la presencia del aparatofotosintético, que le da una gran riqueza en pigmentos y componentes como citocromos y ácidos poliinsaturados de cadena larga (PUFAs). Esto resulta en un elevado contenido en productos de alto valor, como los carotenoides luteína y astaxantina o los PUFAs DHA y EPA. Como captadoras de CO2 y asimiladoras del nitrógeno, son ademas una fuente sostenible de biocombustibles y biofertilizantes.
Aplicaciones de las microalgas.
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Finalmente, decir que las microalgas son capaces de ajustar su composición bioquímica a las condiciones de cultivo. Bajos niveles de N inducen la acumulación de grasas. Elevados niveles de luz aumentan la acumulación de algunos carotenoides y la adición de amonio incrementa el contenido en ficobiliproteínas en Spirulina platensis.
Esta "plasticidad metabólica" no solo favorece la adaptación de la microalags a los sistemas de cultivo, si no que puede ser explotada para incrementar el contenido en una determinada sustancia y así incrementar la productividad del sistema.
Cuestiones
- Encuentre la clasificación de Haematococcus pluvialis y de Phaeodatylum tricornutum.
- Encuentre recetas de medio adecuadas para las dos especies anteriores.
- Encuentre alguna microalga que contenga ácido eicosapentaenoico (EPA).
- ¿Que caracteristica destacaría del género "Anabaena sp."? ¿Qué significa eso de "sp."?
- Averigue qué factores inducen la acumulación de astaxantina en Haematococcus pluvialis.
- Busque información sobre Dunaliella salina ¿Por que se la clasifica como halotolerante? ¿Que pigmento produce?
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1.0 - Microalgas: definición y características
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Probablemente, la característica más importante de las microalgas es que crecen rápidamente y tienen el potencial de generar una gran cantidad de biomasa en un tiempo relativamente corto.
Como muestra la ilustración de la derecha, un tiempo de duplicación corto permite una rápida genetación de biomasa. De hecho, la comparación de la ilustración infraestima la capacidad de generación de biomasa las microalgas ya que la biomasa microalgal puede duplicarse mucho más de 2 ó 3 veces más rápidamente (que es lo que muestra la ilustración) que las plantas superiores.
El tiempo de duplicación (a menudo representado por t2) está relacionado con la velócidad específica de crecimiento (µ), como veremos en el apartado 1.4.
Características de los cultivos de microalgas.
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Se pueden resumir las caracteristicas de los cultivos de microalgas en los siguientes puntos:
- Elevada capacidad de generación de biomasa
- Generación de biomasa homogenea
- Gran variedad de productos y biomoléculas
- No necesitan tierra cultivable
- Nutrientes simples
- Aprovechamiento de la luz del
- Retirada de CO2 de la atmósfera
- Eficiencia fotosintética alta comparada con las plantas