Las microalgas o algas microscópicas crecen en sistemas marinos o de agua dulce. Son productores primarios en los océanos que convierten el agua y el dióxido de carbono en biomasa y oxígeno en presencia de la luz solar. [1]
El uso más antiguo documentado de microalgas fue hace 2000 años, cuando los chinos utilizaron las cianobacterias Nostoc como fuente de alimento durante una hambruna. [2] Otro tipo de microalgas, la cianobacteria Arthrospira ( Spirulina ), era una fuente de alimento común entre las poblaciones de Chad y los aztecas de México desde el siglo XVI. [3]
Hoy en día, las microalgas cultivadas se utilizan como alimento directo para humanos y animales de granja terrestres, y como alimento para especies acuáticas cultivadas como moluscos y las primeras etapas larvarias de peces y crustáceos. [4] Es un candidato potencial para la producción de biocombustibles . [5] Las microalgas pueden crecer 20 o 30 veces más rápido que los cultivos alimentarios tradicionales y no necesitan competir por tierras cultivables. [5] [6] Dado que la producción de microalgas es fundamental para tantas aplicaciones comerciales, existe la necesidad de técnicas de producción que aumenten la productividad y sean económicamente rentables.
Especies de microalgas comúnmente cultivadas
Especies | Solicitud |
---|---|
Chaetoceros sp. [7] | Acuicultura [7] |
Chlorella vulgaris [8] | Fuente de antioxidantes naturales [8] |
Dunaliella salina [9] | Produce carotenoides ( β-caroteno ) [9] |
Haematococcus sp. [10] | Produce carotenoides ( β-caroteno ), astaxantina , cantaxantina [10] |
Phaeodactylum tricornutum [8] | Fuente de antioxidantes [8] |
Porphyridium cruentum [8] | Fuente de antioxidantes [8] |
Rhodella sp. [7] | Colorante para cosméticos [7] |
Skeletonema sp [7] | Acuicultura [7] |
Arthrospira maxima [11] | Alto contenido en proteínas - Complemento nutricional [11] |
Arthrospira platensis [11] | Alto contenido en proteínas - Complemento nutricional [11] |
Técnicas de producción en criadero
Una variedad de especies de microalgas se producen en criaderos y se utilizan de diversas formas con fines comerciales. Los estudios han estimado los factores principales del éxito de un sistema de cría de microalgas como las dimensiones del contenedor / biorreactor donde se cultivan las microalgas, la exposición a la luz / irradiación y la concentración de células dentro del reactor. [12]
Sistema de estanque abierto
Este método se ha utilizado desde la década de 1950. Hay dos ventajas principales de cultivar microalgas utilizando el sistema de estanques abiertos . [13] En primer lugar, un sistema de estanque abierto es más fácil de construir y operar. [13] En segundo lugar, los estanques abiertos son más baratos que los biorreactores cerrados porque los biorreactores cerrados requieren un sistema de enfriamiento. [13] Sin embargo, una desventaja del uso de sistemas de estanques abiertos es la disminución de la productividad de ciertas cepas comercialmente importantes como Arthrospira sp. , donde el crecimiento óptimo está limitado por la temperatura. [12] Dicho esto, es posible utilizar calor residual y CO2 de fuentes industriales para compensar esto. [14] [15] [16] [17] [18]
Método de elevación de aire
Este método se utiliza en el cultivo al aire libre y la producción de microalgas; donde el aire se mueve dentro de un sistema para hacer circular el agua donde crecen las microalgas. [13] El cultivo se cultiva en tubos transparentes que se encuentran horizontalmente en el suelo y están conectados por una red de tuberías. [13] El aire pasa a través del tubo de tal manera que el aire se escapa por el extremo que descansa dentro del reactor que contiene el cultivo y crea un efecto como agitación. [13]
Reactores cerrados
La mayor ventaja de cultivar microalgas dentro de un sistema cerrado proporciona control sobre el entorno físico, químico y biológico del cultivo. [12] Esto significa que los factores que son difíciles de controlar en los sistemas de estanques abiertos, como la evaporación, los gradientes de temperatura y la protección contra la contaminación ambiental, hacen que los reactores cerrados sean preferidos sobre los sistemas abiertos. [12] Los fotobiorreactores son el ejemplo principal de un sistema cerrado en el que se pueden controlar los factores abióticos. Hasta la fecha se han probado varios sistemas cerrados con el fin de cultivar microalgas, a continuación se mencionan algunos importantes:
Fotobiorreactores horizontales
Este sistema incluye tubos colocados en el suelo para formar una red de bucles. La mezcla del cultivo suspendido de microalgas se produce a través de una bomba que eleva el cultivo verticalmente a intervalos cronometrados hacia un fotobiorreactor . Los estudios han encontrado que la mezcla pulsada a intervalos produce mejores resultados que el uso de mezcla continua. Los fotobiorreactores también se han asociado con una mejor producción que los sistemas de estanques abiertos, ya que pueden mantener mejores gradientes de temperatura. [12] Un ejemplo observado en una mayor producción de Arthrospira sp. utilizado como suplemento dietético se atribuyó a una mayor productividad debido a un rango de temperatura más adecuado y un período de cultivo prolongado durante los meses de verano. [12]
Sistemas verticales
Estos reactores utilizan mangas verticales de polietileno que cuelgan de un marco de hierro. Alternativamente también se pueden utilizar tubos de vidrio. Las microalgas también se cultivan en paneles alveolares verticales (VAP) que son un tipo de fotobiorreactor . [12] Este fotobiorreactor se caracteriza por una baja productividad. Sin embargo, este problema puede superarse modificando la relación entre el área superficial y el volumen ; donde una relación más alta puede aumentar la productividad. [12] La mezcla y la desoxigenación son inconvenientes de este sistema y pueden solucionarse burbujeando aire continuamente a un caudal medio. Los dos tipos principales de fotobiorreactores verticales son el VAP de flujo continuo y el VAP de columna de burbujas. [12]
Reactores de placa plana
Los reactores de placa plana (FPR) se construyen utilizando paneles estrechos y se colocan horizontalmente para maximizar la entrada de luz solar al sistema. [19] El concepto detrás de FPR es aumentar la relación área de superficie a volumen de manera que la luz solar se utilice de manera eficiente. [13] [19] Este sistema de cultivo de microalgas originalmente se pensó que era caro e incapaz de hacer circular el cultivo. [19] Por lo tanto, los FPR se consideraron inviables en general para la producción comercial de microalgas. Sin embargo, un sistema FPR experimental en la década de 1980 utilizó la circulación dentro del cultivo desde una unidad de intercambio de gases a través de paneles horizontales. [19] Esto supera los problemas de circulación y proporciona la ventaja de una unidad de transferencia de gas abierta que reduce la acumulación de oxígeno. [19] Se pueden ver ejemplos de uso exitoso de FPR en la producción de Nannochloropsis sp. utilizado por sus altos niveles de astaxantina . [20]
Reactores de tipo fermentador
Los reactores de tipo fermentador (FTR) son biorreactores donde se lleva a cabo la fermentación . Los FTR no se han desarrollado mucho en el cultivo de microalgas y presentan una desventaja en la relación superficie / volumen y una menor eficiencia en la utilización de la luz solar. [13] [19] Los FTR se han desarrollado utilizando una combinación de luz solar y artificial que han llevado a reducir los costos de producción. [19] Sin embargo, la información disponible sobre contrapartes a gran escala de los sistemas a escala de laboratorio que se están desarrollando es muy limitada. [19] La principal ventaja es que se pueden controlar los factores extrínsecos, es decir, la luz y se puede mejorar la productividad, de modo que el FTR puede convertirse en una alternativa de productos para la industria farmacéutica . [19]
Aplicaciones comerciales
Uso en acuicultura
Las microalgas son una fuente importante de nutrición y se utilizan ampliamente en la acuicultura de otros organismos, ya sea directamente o como fuente adicional de nutrientes básicos. Las granjas de acuicultura que crían larvas de moluscos , equinodermos , crustáceos y peces utilizan microalgas como fuente de nutrición. La baja cantidad de bacterias y una alta biomasa de microalgas es una fuente de alimento crucial para la acuicultura de mariscos. [21]
Las microalgas pueden formar el inicio de una cadena de procesos de acuicultura adicionales. Por ejemplo, las microalgas son una importante fuente de alimento en la acuicultura del camarón de salmuera . Los camarones de salmuera producen huevos inactivos, llamados quistes , que se pueden almacenar durante largos períodos y luego incubar a pedido para proporcionar una forma conveniente de alimento vivo para la acuicultura de larvas de peces y crustáceos. [22] [23]
Otras aplicaciones de las microalgas en la acuicultura incluyen el aumento del atractivo estético de los peces criados en cautividad. [21] Un ejemplo de ello puede observarse en la acuicultura del salmón , donde se utilizan microalgas para hacer que la carne del salmón sea más rosada. [21] Esto se logra mediante la adición de pigmentos naturales que contienen carotenoides como la astaxantina producida a partir de la microalga Haematococcus a la dieta de los animales de granja. [24] Dos especies de microalgas, I. galbana y C. calcitrans están compuestas principalmente de proteínas, que se utilizan para iluminar el color del salmón y especies relacionadas. [25]
Nutrición humana
Las principales especies de microalgas que se cultivan como alimentos saludables son la clorella y la espirulina ( Arthrospira platensis ). Las principales formas de producción se dan en estanques de pequeña escala con mezcladores artificiales. [9] Arthrospira platensis es una microalga azul verdosa con una larga historia como fuente de alimento en el este de África y el México precolonial. La espirulina es rica en proteínas y otros nutrientes, por lo que se utiliza como complemento alimenticio y para la desnutrición. Prospera en sistemas abiertos y los cultivadores comerciales lo han encontrado muy adecuado para el cultivo. Uno de los sitios de producción más grandes es el lago Texcoco en el centro de México. [26] Las plantas producen una variedad de nutrientes y grandes cantidades de proteínas , y a menudo se utilizan comercialmente como suplemento nutricional. [27] [28] La chlorella tiene una nutrición similar a la espirulina y es muy popular en Japón . También se utiliza como complemento nutricional , con posibles efectos sobre la tasa metabólica . [29]
La producción de ácidos grasos omega-3 de cadena larga importantes para la dieta humana también se puede cultivar a través de sistemas de incubación de microalgas . [30]
Los científicos australianos de la Universidad Flinders en Adelaide han estado experimentando con el uso de microalgas marinas para producir proteínas para el consumo humano, creando productos como " caviar ", hamburguesas veganas , carne falsa , mermeladas y otros alimentos para untar . Al manipular microalgas en un laboratorio , se podría aumentar el contenido de proteínas y otros nutrientes y cambiar los sabores para hacerlas más apetecibles. Estos alimentos dejan una huella de carbono mucho más ligera que otras formas de proteínas, ya que las microalgas absorben en lugar de producir dióxido de carbono , que contribuye a los gases de efecto invernadero . [31]
Producción de biocombustible
Para satisfacer las demandas de combustibles fósiles , se están investigando medios alternativos de combustibles. El biodiésel y el bioetanol son biocombustibles renovables con mucho potencial que son importantes en la investigación actual. Sin embargo, los combustibles renovables basados en la agricultura pueden no ser completamente sostenibles y, por lo tanto, es posible que no puedan reemplazar a los combustibles fósiles. Las microalgas pueden ser notablemente ricas en aceites (hasta un 80% en peso seco de biomasa ) adecuados para la conversión en combustible. Además, las microalgas son más productivas que los cultivos agrícolas terrestres y, por lo tanto, podrían ser más sostenibles a largo plazo. Las microalgas para la producción de biocombustibles se producen principalmente mediante fotobiorreactores tubulares . [1]
Productos farmacéuticos y cosméticos
Se pueden aislar nuevos compuestos químicos bioactivos de microalgas como polisacáridos sulfatados . Estos compuestos incluyen fucoidanos , carragenanos y ulvanos que se utilizan por sus propiedades beneficiosas. Estas propiedades son anticoagulantes , antioxidantes , agentes anticancerígenos que se están probando en la investigación médica. [32]
Las microalgas rojas se caracterizan por pigmentos llamados ficobiliproteínas que contienen colorantes naturales utilizados en productos farmacéuticos y / o cosméticos . [33]
Biofertilizante
El alga verde azul se utilizó por primera vez como un medio para fijar nitrógeno al permitir que las cianobacterias se multipliquen en el suelo, actuando como un biofertilizante . La fijación de nitrógeno es importante como un medio para permitir que los compuestos inorgánicos como el nitrógeno se conviertan en formas orgánicas que luego puedan ser utilizadas por las plantas. [34] El uso de cianobacterias es un método económicamente racional y respetuoso con el medio ambiente para aumentar la productividad. [35] Este método se ha utilizado para la producción de arroz en la India e Irán, utilizando las propiedades de fijación de nitrógeno de las cianobacterias de vida libre para complementar el contenido de nitrógeno en los suelos. [34] [35]
Otros usos
Las microalgas son una fuente de moléculas valiosas como isótopos, es decir, variantes químicas de un elemento que contiene diferentes neutrones. Las microalgas pueden incorporar de forma eficaz isótopos de carbono ( 13 C), nitrógeno ( 15 N) e hidrógeno ( 2 H) en su biomasa. [36] 13 C y 15 N se utilizan para rastrear el flujo de carbono entre diferentes niveles tróficos / redes tróficas. [37] Los isótopos de carbono, nitrógeno y azufre también se pueden utilizar para determinar las perturbaciones en las comunidades que habitan en el fondo que de otro modo serían difíciles de estudiar. [37]
Asuntos
La fragilidad celular es el mayor problema que limita la productividad de los fotobiorreactores cerrados . [38] El daño a las células puede atribuirse al flujo turbulento dentro del biorreactor que se requiere para crear una mezcla de modo que la luz esté disponible para todas las células. [38]
Ver también
- Combustible de algas
- Microcombustibles
Referencias
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