Microalgas y combustibles

Microalgas y cianobacterias representan una alternativa para la generación de bio-combustibles. Las limitaciones en la disponibilidad de combustibles fósiles y el precio creciente de los mismos, al lado de la preocupación por la emisión de gases de efecto invernadero, fundamentalmente CO2, han aumentado el interés por la producción y uso de combustibles de carácter renovable. La fotosíntesis es capaz de generar biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos. La fotólisis del agua a cos-ta de la energía luminosa rinde oxígeno, que se libera a la atmosfera, y electrones capaces de reducir compuestos oxidados pobres en energía, como el CO2, gene-rando compuestos reducidos ricos en energía. Las fuentes actualmente utilizadas para la producción de biocombustibles son plantas superiores con uso alimentí-cio, como las oleaginosas -entre las cuales la soja, el gira-sol, la colza, el coco o la palma- y plantas que acumulan hidratos de carbono -cereales o caña de azúcar.

Microalgas y cianobacterias tienen un elevado rendimiento fotosintético y de generación de biomasa, en la cual pueden llegar a acumular como material de reserva niveles considerables de azúcares o triacilgliceroles, susceptibles de ser transformados en biocombustibles para automoción. La ausencia de estructuras de soporte (tallos, raíces, etc.), La capacidad de crecer en medio líquido (lo que facilita la operación y automatización de los sistemas de producción), así como el hecho de no constituir fuente de alimento humano augmentan el potencial de las microalgas como materia prima para la obtención de biocombustibles.

Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (CSIC-Universidad de Sevilla)

El Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis (IBVF) investiga la biología fototrófica, es decir, el estudio de los organismos que crecen gracias a la captación de la energía de la luz y de los procesos metabólicos que llevan a cabo. Entre estos estudios, la producción de compuestos de interés energético para microorganismos fotosintéticos es relevante en el ámbito de la investigación de fuentes de energía renovables.

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Hoy en día, el principal inconveniente de les microalgas reside en la limitación de conocimiento y tecnología para su adecuado cultivo masivo, especialmen-te si se compara con la agricultura tradicional. En concreto, hay escasedad de información respcto a la(s) estirpe(s) idónea(s) en que simultáneamente con-curran alta taxa de crecimiento y elevada acumulación de lípidos o carbohidra-tos, las condiciones de cultivo en que se optimice la productividad de estos compuestos, y los sistemas de producción idóneos, en los que es minimicen los costes de inversión y operación, así como el consumo energético. Los avances en estas líneas han de permitir conseguir una elevada productividad a bajo cos-te y posibilitar el escalado a nivel industrial.

Las investigaciones del grupo de Biotecnología de Microalgas del IBVF (CSIC-US) se centran en la producción per microorganismos fotosintéticos de com-puestos con interés comercial, industrial o energétic. Por eso, se investiga en primera instancia sobre organismos y condiciones de cultivo en condiciones controladas de laboratorio, procediendo posteriormente a la verificación de la viabilidad y eficiencia de los cultivos en la intemperie, en una planta piloto de experimentación. A partir del conocimiento profundo de los organismos, de los procesos implicados y de los sistemas de cultivo, se persigue aprovechar la capacidad fotosintética de microalgas y cianobacterias para generar productos de interés energético, al tiempo que se contribuye a eliminar CO2 de procesos industriales.

Quimiostados para al cultivo de microalgas en régimen contínuo. Fuente: IBVF ( CSIC-US)

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Cultivo de microalgas: fotobiorreactores

La implantación de sistemas de producción masiva de microalgas a la intempe-rie puede representar una revolución en producción vegetal. Los organismos y sistemas de cultivo empleados difieren considerablemente de los utilizados tradicionalmente en agricultura, si bién se encuentran igualmente sujetos a varia-ción estacional. De hecho, la temperatura y la radiación solar son factores que determinan en gran medida la productividad de los cultivos fototróficos de algas en el exterior.

La densidad de población y la turbulencia son también parámetros determinan-tes, habiendo sido combinado adecuadamente de acuerdo con el paso de luz (diámetro o profundidad) del sistema utilizado, a efectos de propiciar la mejor captación de luz para la suspensión celular. El diseño y rendimiento del reactor son extremadamente importantes, teniendo en cuenta estas peculiaridades. La mayoría de los sistemas de producción presentan rendimientos medios de 10 a 15 g por metro cuadrado y día (unas 30-45 ton ha-1 any-1, para 300 días de opera-ción efectiva al año), aunque lejos de los rendimientos máximos estimados.

Sistemas abiertos al aireLa mejor opción de momento la constituye el estanque horizontal poco profun-do de tipo "Raceway". Cada unidad de cultivo ocupa una área de entre diversos centenares y pocos millares de metros cuadrados que está compuesta de dos o más pistas niveladas de 2 a 10 metros de ancho y 15-30 cm de profundidad, separadas entre si por tabiques verticales, que pueden adoptar un sistema de meandros. A lo largo de estos canales -el piso y paredes suelen estar recubiertos por una capa de plástico inerte- fluye la suspensión celular a una velocidad de 0,2 a 0,5 m s-1, impulsada por la acción de paletas giratorias, hélices o bombas.

Estanques abiertos de 100 y 300 L Fuente: IBVF ( CSIC-US)

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Fotobiorreactor tubular cerrado de 55 L. Fuente: IBVF ( CSIC-US)

Sistemas de cultivo cerradosPresentan una mayor sofisticación tecnológica que dificulta la invasión por orga-nismos contaminantes, ofreciendo mejores condiciones de cultivo de la microalga y posibilitando el mantenimiento de cultivos monoalgales. Los fotobiorreactores cerrados pueden mantener valores de densidad celular más elevados que los abiertos, subministrando mayor productividad que éstos, aunque los costes de construcción, mantenimiento y operación de los sistemas cerrados son conside-rablemente mayores. Si bien con reactores planos se consiguen los mejores valo-res de productividad, la dificultad de su escalado limita su ocupación en grandes instalaciones. Los sistemas tubulares suponen de hecho la opción más práctica y extendida.

El diseño del reactor ha de te-ner en cuenta el flujo idóneo y el adecuado intercambio gaseoso, además de maximi-zar la captura de luz, al mis-mo tiempo que se minimiza la ocupación de superfície. El diámetro del tubo debe estar entre 2 y 15 cm, y el valor óp-timo de aproximadamente 10 cm. La medida de la unidad de este tipo de reactor no debe-ría de sobrepasar los 5.000 L.

El sistema se opera extrayendo la suspensión de manera intermitente y retornan-do al estaño el posible líquido sobrante, una vez recogidas las células. La concen-tración de los diferentes nutrientes se estima a intervalos regulares, corregiendo para evitar limitaciones en los mismos. El cultivo en masa de microalgas en estaños abiertos combina características típicas de los cultivos agrícolas (uso extensivo de terreno, agua y nutrientes, así como dependencia del clima y de la radiación solar), con otros que se parecen la acuicultura y, sobretodo, con aquellas propias de pro-cesos industriales para el cultivo de microorganismos, como la operación continua, aportación dosificada de nutrientes y control del proceso de producción.

Las limitaciones de los sistemas abiertos dificultan el mantenimiento en el tiempo de cultivos monoalgales y libres de predadores, por lo que su ocupación a gran escala se ha limitado a estirpes que se desarrollan adecuadamente en condicio-nes restrictivas de pH (Arthrospira) o salinidad (Dunaliella), o que se comportan como “mala hierba” (Chlorella), multiplicando activamente y restringiendo el desa-rrollo de otros organismos, lo que a veces comporta la producción de compuestos alelópáticos.

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Los fotobiorreactores tubulares consisten esencialmente en tubos transparentes de vidrio o material plástico, conectados en serie o en paralelo para formar el co-lector solar, a través del cual se recircula la suspensión celular mediante bombas mecánicas o sistemas "airlift", en que el flujo de aire sustenta el movimiento de la masa líquida. Los sistemas tubulares con circulación impulsada por "airlift" son robustos y menos susceptibles a la contaminación que los basados en bomba me-cánica. El “airlift” cumple la doble función de bomba y de intercambiador de gases, eliminandot el exceso de oxígeno generado fotosintéticamente, que acumula el cultivo en su recorrido por el colector solar.

La mayor planta en operación basada en reactores tubulares (de disposi-ción vertical) se troba en Klötze, Alemania, (600.000 L) y se dedica a la producción de biomasa microalgal (Chlorella) para consumo humano.

Sistemas semiabiertosActualmente, se presta también atención al diseño y verificación de eficiencia de reactores planes simples, de bajo coste de construcción y operación, que consis-ten esencialmente en una bolsa de plástico transparente que contiene entre 100 y 1000 L de suspensión celular, mantenida entre soportes metálicos verticales simples de unos dos metros de altura, siendo el ancho del reactor parecido al diámetro de los sistemas tubulares. La agitación se consigue insuflando aire y el sistema puede termostatizarse mediante un intercambiador de calor colocado en su interior. A estos sistemas planos "semiabiertos", con propiedades híbridas de estaños y sistemas cerrados, presentan interesante potencial para el uso en aproximaciones masivas, como serían aquellas dirigidas al aprovechamiento de las microalgas para la captura de CO2 y/o la generación de biomasa para su uso como materia prima de biocombustibles.

Fotobiorreactor vertical plano de 350L. Fuente: IBVF ( CSIC-US)

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Cianobacterias y ingeniería metabólica

El creciente interés de la sociedad por los recursos de la tierra, y la preocupación sobre las consecuencias que el uso de los mismos pueda comportar, está incidien-do en la investigación de nuevas aproximaciones que permitan obtener fuentes de energía que presenten una menor incidencia en la viabilidad futura de la Tierra, en especial en todo lo que pueda afectar al cambio climático, como el aumento del CO2 atmosférico. Las cianobacterias, que llevan a cabo la fotosíntesis oxigénica fixando el CO2 atmosférico, son capaces de adaptar a diferentes condiciones am-bientales para su elevada plasticidad metabólica. El estudio de su metabolismo per-mitirá su aplicación en la obtención de biocombustibles partiendo de compuestos abundantes y sencillos como son el agua, la energía solar y el CO2.

La alteración del metabolismo de las cianobacterias mediante el uso de técnicas de ingeniería genética permite redirigir el flujo de carbono, desde el CO2 hasta productos con alto valor energético, destacando entre estos la producción de al-coholes como el etanol o el butanol, la producción de ácidos grasos precursores del biodiésel o de alcanos precursores de gasolinas y queroseno. La cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803 es un modelo experimental adecuado a causa del conocimiento de su genoma completo y a la disponibilidad de herramientas que permiten su manipulación genética.

El grupo Expresión Génica y Transducción de Señales en organismos fotosintéti-cos del IBVF está realizando trabajos encaminados a la construcción de estirpes de Synechocystis capaces de producir etanol o que incrementen su contenido en ácidos grasos. Para eso se necesitan controlar diversas rutas metabólicas y en algunos casos la introducción de genes de otros organismos que permitan completar la vía metabólica para la producción de los compuestos energéticos de interés.

El esquema muestra la produc-ción fotosintética de etanol por Synechocystis, para el que ha sido necesaria la introducción del gen pdc (piruvato de carboxi-lasa) de la bacteria Zymomonas mobilis. La actividad enzimática alcohol deshidrogenasa (ADH) es la endógena de esta cianobac-teria.

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www.ibvf.csic.es/

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