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Biotecnología ambiental y tratamiento de aguas

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Biotecnología ambiental y tratamiento de aguas

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Los microorganismos juegan un papel importante en todo proceso de depuración de aguas residuales.

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09 julio 2012

9 de julio de 2012

Fuente: iAgua.es

Blog de Beatriz Gil

Es de conocimiento generalizado que el crecimiento de la población y sus requerimientos, a nivel personal e industrial, hace que la demanda de agua por parte de todos sea cada vez mayor. Por tanto resulta de vital importancia hacer una correcta utilización de las aguas residuales a fin de liberar importantes volúmenes de agua limpia para el abastecimiento humano.

Los microorganismos juegan un papel importante en todo proceso de depuración de aguas residuales. De manera general, los desechos líquidos procedentes de diferentes sectores industriales (agroindustria, alimentaria, alguna petroquímica...) y de las aguas negras municipales, son tratados por vía biológica. Estos procesos biológicos que ocurren en la mayoría de los reactores, bajo unas condiciones determinadas y controladas, tienen lugar de manera natural en ríos, lagos y otros sistemas acuáticos.

La biotecnología se puede definir como "toda aplicación tecnológica que utiliza sistemas biológicos y organismos vivos o derivados, para la creación o modificación de productos o procesos para un uso específico" (Convention on Biological Diversity, Article 2. Use of Terms, United Nations. 1992). De modo que el hecho de utilizar la herramienta que nos proporcionan de manera natural los microorganismos, hace que los procesos biotecnológicos sean considerados como una tecnología cada vez más extendida en el manejo de este tipo de desechos, de manera económica y ecológica.

En el caso concreto de las aguas residuales, las técnicas desarrolladas en biotecnología en este área no sólo tienen como objetivo reducir la materia orgánica en general, sino que es utilizada para eliminar otros agentes contaminantes industriales presentes en las aguas, así como para convertir el flujo de desechos derivado del proceso de depuración en productos útiles o incluso con valor añadido para poder liberarlos al medio ambiente sin causar perjuicio (como el compost de lodos de depuradoras).

Algunos ejemplos de técnicas utilizadas son el bioprocesamiento y la bioadsorción. En el primer caso, el objetivo se basa en el empleo de cepas de microorganismos muy especializados para tratar agentes concretos, como bien podrían ser compuestos fosforosos, nitrógeno y azufre. Por otra parte, la bioadsorción puede llegar a reemplazar métodos físico-químicos como la precipitación, adsorción o el intercambio iónico en el proceso de captar iones de metales pesados, donde las algas, por ejemplo, constituyen una importante fuente de biosorbentes de estos últimos compuestos.

Actualmente el uso de plantas acuáticas, microalgas y procesos de biodegradación para el tratamiento y posterior reutilización de las aguas residuales, son algunas opciones para mejorar la calidad del agua tratada además de para aumentar la eficiencia de las plantas de tratamiento. A continuación se recoge una breve descripción de estas tres opciones citadas y lo que se hace a nivel de tratamiento de aguas.
Macrófitas acuáticas

Las macrófitas acuáticas (plantas acuáticas) son seres muy potentes biológicamente hablando que, gracias a procesos fisiológicos, son capaces de absorber los contaminantes presentes en el agua. Su uso se basa en relaciones de flujos de energía y nutrientes que tienen lugar entre éstas y los microorganismos degradadores. Las plantas incorporan los compuestos que hay en el agua de modo que disminuyen la contaminación, mejorando calidad de la misma.

Las plantas acuáticas se han usado desde hace tiempo en sistemas de tratamiento de aguas residuales. Los tipos de plantas usadas son: algas microscópicas, plantas flotantes como el jacinto de agua o las lentejas de agua, y otras plantas emergentes como el junco.
Microalgas

Se trata de microorganismos fotosintéticos que pueden encontrarse de manera natural en sistemas terrestres y en todos los cuerpos acuáticos. Se utilizan como microorganismos purificadores de aguas residuales debido al aprovechamiento de los nutrientes inorgánicos contenidos en este agua para favorecer el crecimiento de las microalgas.

Las microalgas requieren dióxido de carbono además de fósforo y nitrógeno (ambos presentes en los efluentes) para su fotosíntesis. Éstos pueden ser obtenidos por simbiosis con los microorganismos aerobios que están en los efluentes, que necesitan de ese oxigeno para oxidar y eliminar los contaminantes orgánicos, liberando CO2. La biomasa de algas que resulta además puede utilizarse en otros ámbitos, como por ejemplo en la generación de metano o biodiesel, actualmente objeto de diferentes investigaciones científicas
Biodegradación

Puede considerarse como una tecnología de limpieza que, utilizando la actividad de los microorganismos, elimina los contaminantes o disminuye su concentración hasta niveles aceptables.

En estos procesos de biodegradación se lleva a cabo la conversión de la materia orgánica en condiciones ambientalmente seguras por productos como el agua y el dióxido de carbono. Esto se logra a través de la naturaleza por protozoos, bacterias y hongos. Aunque estos microorganismos son de origen natural, existen ciertos factores externos como por ejemplo las variaciones de temperatura, oxígeno o pH (además de la presencia de productos químicos) que pueden resultar poco favorables para un crecimiento adecuado de los mismos o para que la reducción de compuestos orgánicos se lleve de manera acelerada.

Por ello se trabaja con microbios realmente fuertes y específicos que en la mayoría de los casos se han adaptado de forma selectiva a través de la bioaumentación. En primer lugar se hace una selección en el laboratorio para escalar el contenido microbiano y posteriormente se llevan a procesos de secado muy cuidadosos para proteger los microbios ya esporulados. En ocasiones también es posible incorporar mezclas de varias cepas para que se incremente la velocidad del proceso.

Tras este breve vistazo a macrófitas, microalgas y al uso de microorganismos en procesos de biodegradación, hay que resaltar la importancia que adquiere el control de la biomasa que deriva de estos sistemas mencionados. Se hace necesario dar un correcto tratamiento para que no suponga un problema al ser liberada al medio ambiente y es por esto por lo que existen muchas líneas de investigación que se ocupan también de esta cuestión. Tan fundamental es dar con técnicas cada vez más adecuadas y eficaces que permitan tratar los residuos líquidos que genera la sociedad, como darle salida a los que se derivan de los procesos de tratamiento utilizados.

El tema del medio ambiente está íntimamente relacionado con los sistemas biológicos de modo que, no sólo se consideran componentes del sistema sino que como se ha expuesto, ofrecen interesantes opciones para la preservación del mismo. Dentro de este contexto y teniendo en cuenta la definición de biotecnología que se hacía al principio, la biotecnología supone una herramienta que parece ofrecer una respuesta adecuada al "problema" que plantean las aguas residuales generadas por la población y sus necesidades.
Bibliografía

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Celis Hidalgo José et al. Recientes aplicaciones de la depuración de aguas residuales con plantas acuáticas (2005).
Curt Fernández de la Mora Mª Dolores. Macrófitas de interés en fitodepuración. (Cap 7)
Pedrazaga G. Reciclaje del efluente de origen animal con tres especies de
plantas acuáticas. (1994)
Salazar González M. Aplicación e importancia de las microalgas en el tratamiento de aguas residuales. (2005)
Valderrama, Luz Teresa. Las plantas acuáticas una alternativa para el tratamiento de aguas residuales en Colombia. (1997)
Zetina Moguel Carlos Enrique, et al. Estudio sobre el uso de macrófitas sumergidas para el tratamiento de agua

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Biotecnología ambiental y tratamiento de aguas - Agua.org.mx

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9 de julio de 2012 Fuente: iAgua.es Blog de Beatriz Gil Es de conocimiento generalizado que el crecimiento de la población y sus requerimientos, a nivel personal e industrial, hace que la demanda de agua por parte de todos sea cada vez mayor. Por tanto resulta de vital importancia hacer una correcta utilización de las ...

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https://www.youtube.com/watch?v=-WfDtfkTcVs

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la biotecnología se sirve de plantas acuáticas para tratar el agua. En concreto, las macrófitas acuáticas son seres muy potentes y gracias a sus procesos fisiológicos, son ideales para absorber los contaminantes existentes en el agua.

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La biotecnología marina es la creación de productos y procesos a partir de organismos marinos a través de la aplicación de la biotecnología, la biología molecular y celular y la bioinformática. Es el campo de la ciencia que se ocupa de la exploración oceánica para el desarrollo de nuevos fármacos, productos químicos, enzimas y otros productos y procesos. También se ocupa del avance de la acuicultura y la seguridad de los mariscos, biorremediación, biocombustibles, entre otros.

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El término Biotecnología Marina hace referencia a la utilización de los organismos marinos en el desarrollo de procesos tecnológicos, productos y servicios con aplicaciones para la sociedad, sin olvidar los aspectos económicos que acompañan a esta definición y que son englobados bajo el término “Economía Azul”, de importancia estratégica para el desarrollo europeo de este siglo. En las últimas décadas, el desarrollo de las nuevas tecnologías y las técnicas genómicas que nos abren la posibilidad de manejar, cultivar y modificar los más variados micro- y macro-organismos que, en muchos casos, forman parte de la todavía inexplorada biodiversidad de los ambientes “marinos”, nos permitirán en un disponer productos para la alimentación y la mejora del medioambiente y la salud humana.

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La biotecnología animal ha experimentado un gran desarrollo en las últimas décadas. Las aplicaciones se dirigieron principalmente a sistemas diagnósticos, nuevas vacunas y drogas, fertilización de embriones in vitro, uso de hormonas de crecimiento.
En animales tenemos ejemplos de modelos desarrollados para evaluar enfermedades genéticas humanas, el uso de animales para la producción de drogas y como fuente donante de células y órganos; también el uso de animales para la producción de proteínas sanguíneas humanas o anticuerpos.

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Exploran el potencial de las células animales mediante su alteración selectiva y programada, con el objetivo de tener una mejor respuesta en todos los niveles de rendimiento.

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Es importante conocer los avances tecnológicos aplicados en la biología humana y animal, ya que son la vía para generar productos ecológicos, sustentables y renovables en pro del desarrollo humano.

-Katriona Guthrie investigadora del instituto Tecnológico de Massachusetts

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Producción de biodiésel a partir de microalgas: avances y perspectivas biotecnológicas

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El gran éxito de la biotecnología como herramienta para alcanzar exitosos avances en diversos sectores es algo que no se puede negar. Ya sea como medio para crear nuevos procesos de desarrollo o para mejorar servicios o productos, la biotecnología ha logrado desarrollar nuevos panoramas en ámbitos como la cosmética, la ciencia, la veterinaria…

Uno de los avances más esperanzadores dentro de las innumerables aplicaciones de la biotecnología al servicio de mejorar nuestro día a día, es su papel como herramienta para elaborar biocombustibles.

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Introducción

El biodiésel ha surgido como una alternativa viable para sustituir el diésel derivado del petróleo (), puesto que presenta varias ventajas por su biodegradabilidad y mínima toxicidad, además, su combustión produce menores emisiones de sulfatos, compuestos aromáticos, dióxido de carbono, monóxido de carbono, humo; hay más oxígeno libre que conduce a una combustión completa y emisiones reducidas ().

En un estudio realizado en el 2006 por la Secretaria de Energía (SENER) de México se menciona que la producción de biodiésel a escala comercial puede ser factible a mediano plazo si se llevan a cabo acciones integrales, que incluyan aspectos técnicos, económicos y medioambientales con el sector agrario y agroindustrial, conjuntando esfuerzos en investigación y desarrollo tecnológico. ) aluden que México requiere 10 plantas industriales con capacidad de 100,000 ton/año cada una, sólo para sustituir el 5% del diésel de petróleo usado cada año y recomiendan que la producción y el procesamiento se realicen con tecnologías diseñadas y construidas en el propio país. ) argumentan que el uso de biodiésel reduciría en un 45% las emisiones de hidrocarburos, 47% de CO ₂, y hasta un 66% las emisiones de partículas al ambiente.

En este sentido, los ácidos grasos de cadena larga obtenidos a partir de biomasa renovable (aceites vegetales, grasas animales y aceites de microalgas) representan la principal materia prima para la producción de biodiésel líquido obtenido en forma de alquil-ésteres de alcoholes de cadena corta como etanol y metanol (Robles-Medina et al., 2009). Los procesos más usados para la obtención de biodiésel son la pirólisis y la transesterificación, sin embargo, en el primer caso el método es caro y ofrece rendimientos bajos, mientras que el segundo se presenta como el método más viable para la obtención de biodiésel (). Este proceso de conversión de aceites a biodiésel es necesario debido a que los aceites vegetales o extraídos de microalgas presentan una alta viscosidad y baja volatilidad, causando una combustión incompleta y la disposición de depósitos de carbón ().

La obtención de biodiésel a partir de microalgas lleva más de 20 años de investigación y, en la última década, este tema ha retomado vital importancia, especialmente en los sectores privados y académi cos. Actualmente, investigadores de todo el mundo han demostrado el potencial de varias especies de microalgas (p. ej. Chlorella minutissima Fott et Novakova, Thalassiosira fluviatilis (Grunow) G. Fryxell et Hasle, Thalassiosira pseudonana Hasle et Heimdal, etc.) como materia prima para producir biodiésel; no obstante, los costos de producción no han resultado competitivos en comparación con los obtenidos de recursos fósiles ($0.55 USD/L) (; ). A pesar de estos retos, las microalgas son consideradas actualmente como una de las alternativas ingenieriles para la obtención de biodiésel por a su alto contenido de lípidos y aceites (1 a 90% base seca, depen diendo de la especie y condiciones de cultivo), además de presentar una rápida producción de biomasa en comparación con otros cultivos energéticos (; ) y su huella eco lógica es mínima en un análisis de ciclo de vida (). Adicionalmente, las microalgas pueden reducir la cantidad de gases de efecto invernadero y consumir otros contaminantes (). El objetivo del presente trabajo fue revisar la situación actual del uso de microalgas para la producción de biodiésel, incluyendo métodos de procesamiento, especies más utilizadas y sus principales ventajas en comparación con otros biocombustibles. De igual manera, se hace un análisis de los avances biotecnológicos actuales en este campo.

Microalgas como fuente de biodiésel: avances y perspectivas

El empleo de microalgas para la producción de biodiésel es una alternativa viable por su elevado contenido de lípidos y su perfil idóneo para la obtención de éste. Aunado a lo anterior, otros atributos de las microalgas son su elevada eficiencia fotosintética, su capacidad de crecer tanto en aguas marinas, dulces y residuales, así como su velo cidad de crecimiento relativamente alta (). Las microalgas pueden mitigar las emisiones de CO ₂ y producir lípidos, por lo que se consideran con potencial para la obtención de biocombustibles de tercera generación ().

También se debe desarrollar un proceso sustentable de producción de biodiésel a partir de microalgas, que sea técnica y económicamente viable, donde se haya realizado la optimización de medios de cultivo, selección, manipulación de cepas y el diseño adecuado de fotobiorreactores (Arudchelvam & Nirmalakhandan, 2013). Además, se debe considerar el proceso de recuperación de biomasa, extracción de aceites, subproductos, tecnología de transesterificación, purificación y uso de subproductos ().

El uso de microalgas cultivadas para la obtención de lípidos ha demostrado un alto rendimiento 59 m ³ ha⁻¹ año⁻¹ (), lo cual la convierte en una fuente potencial para la obtención de biodiésel. La gran mayoría de las especies conocidas de microalgas acumulan sus ácidos grasos, triglicéridos y glicolípidos de forma intracelular, con excepción de Botryococcus braunii Kuetzing, esto involucra procesos de extracción de lípidos que encarecen la producción de biodiésel (). En cálculos recientes se estima que el costo de producción de biomasa de microalgas es elevado, alrededor de $5.8 USD Kg⁻¹, y a su vez también son altos los requerimientos energéticos (33 MJ Kg⁻¹ de biomasa seca) para la recuperación de los lípidos intracelulares. En contraparte, por ejemplo, el aceite de canola está disponible por un monto de $1.25 USD Kg⁻¹, lo que demuestra que actualmente los precios del aceite extraído de microalgas no son competitivos para la obtención de biodiesel (Slade & Bauen, 2013).

La selección de microalga es el primer paso en el desarrollo de un proceso de producción, éstas deben tener las características adecuadas para las condiciones de cultivo específicas, con el fin de conseguir un determinado producto (Jaimes-Duarte et al., 2012). En la Tabla 1 se presenta el porcentaje en peso de lípidos de algunas microalgas, así como su productividad en lípidos y biomasa.

En este sentido, Slade & Bauen (2013) mencionan que los costos de la producción de biomasa microalgal se pueden reducir cultivando las microalgas en lagunas abiertas, puesto que los gastos que se requieren para la operación del sistema (mantenimiento y materias primas) son menores, en comparación al cultivo en fotobiorreactores, principalmente por la inversión para la compra del sistema. Señalan que otro aspecto que reduce significativamente el precio de producción (˃50%) es bajar los costos del CO ₂, agua y nutrientes. La optimización y diseño de equipos para el procesamiento postcultivo también representa un ahorro significativo para la obtención de biodiésel a partir de microalgas. ) destacan que el proceso de secado representa hasta un 30% del costo total, por eso diseñaron un horno de secado que ahorra el 50% (0.017 kWh) de la energía generalmente usada en este proceso.

Existen otros estudios que han buscado soluciones para reducir costos en el cultivo de microalgas utilizando fuentes alternativas de carbono y otros nutrientes. En este sentido, ) infor maron que la búsqueda nuevas especies con capacidad de fijar altas concentraciones de CO ₂ (15%) o utilizar el carbono presente en las ro cas (como el mármol) representa un potencial para la obtención de biomasa microalgal útil para la formulación de biodiésel con menores costos. Rattanapoltee & Kaewkannetra (2014) apuntan que el uso de sacarosa en bajas concentraciones para la acumulación de lípidos en Chlorella vulgaris Beijerinck resulta ser el sustrato más económico en relación costo-beneficio. ) indican que el costo del ni trógeno requerido para el crecimiento microalgal debe ser considerado en los procesos de escalamiento para la producción de biodiésel. Estos autores reportaron un 66.5% de acumulación de lípidos en Isochrysis zhangjiangesis Hu et Liu y una productividad de lípidos de 3.28 g/d por cada gramo de nitrógeno alimentado al cultivo, lo cual consideran un uso eficiente del nitrógeno.

Biosíntesis de ácidos grasos saturados, insaturados y triglicéridos en microalgas

Las rutas metabólicas sobre la biosíntesis de lípidos de microalgas son un campo todavía por explorar en comparación con el metabolismo de las plantas. Sin embargo, se cree que las rutas metabólicas seguidas son similares (). La síntesis de ácidos grasos en las algas se realiza en los cloroplastos y generalmente se producen cadenas de ácidos grasos de 16C y 18C, los cuales son usados por la célula para la síntesis de membranas, triglicéridos, almacenamiento de lípidos neu tros y cloroplastos. Específicamente, la biosíntesis de ácidos grasos se inicia con la conversión del Acetil-CoA a Malonil-CoA catalizada por la enzima Acetil-CoA Carboxilasa (ACCasa). La molécula de Malonil-CoA es la donadora de carbono para la síntesis de nuevos ácidos grasos, donde es transferida de la CoA a un cofactor proteico (ACP) para la ob tención del Malonil-ACP, el cual participa en una serie de reacciones de condensación con los aceptores acil-ACP y acetil-CoA. El ciclo termina cuando el grupo acil es removido del sitio ACP por la acil-ACP tioestera sa y una vez sintetizados los ácidos grasos libres son trasportados del ACP al glicerol-3-fosfato o al monoacilglicerol-3-fosfato (Ohlrogge & Browse, 1995). La ruta metabólica se muestra en la Figura 1.

Así mismo, la producción de ácidos grasos poliinsaturados (PUFAs) a base de microalgas marinas o de agua dulce es de vital importancia para la elaboración de biodiésel o como aditivos alimentarios. Las microalgas tienen mayor capacidad para sinterizar y almacenar PU FAs de cadena larga ˃18C (ácido eicosapentanoico (EPA), C20:5ω3, ácido docosahexanoico (DHA), C22:6 ω3 y ácido araquidónico, C20:4 ω6) (Harwood & Guschina, 2009). De igual forma, Guschina & Harwood (2006) mencionan que existen principalmente dos rutas metabólicas para la síntesis de EPA denominadas ω-3 y ω-6 aunque la ω-6 es la ruta más usada. En la ruta ω-6 el ácido linoleico es desaturado para la obtención de ácido γ-linolénico, después es elongado para conseguir el ácido dihomo-γ-linolénico y su posterior desaturación para producir el ácido araquidónico y finalmente el EPA. En la ruta ω-3 el ácido linoleico es desaturado, lo que resulta en el ácido α-linolénico, para enseguida ser desaturado y generar el ácido estearidónico, a continuación, se realiza una elongación y se obtiene el ácido eicosatetranoico y finalmente su conversión a EPA. Las rutas biosintéticas para el resto de los ácidos grasos se muestran en la Figura 2, ahí las desaturaciones se abreviaron con D y el número adjunto muestra el sitio de reacción (E, elogación; PKS policétido sintasa). Las líneas punteadas indican reacciones que no han sido descritas completamente.

Los triglicéridos son comúnmente encontrados como grasas almace nadas o aceites y pueden ser neutros. Están constituidos de tres ácidos grasos esterificados vía grupos hidroxilos de un grupo glicerol. En la síntesis de triglicéridos las microalgas usan la ruta directa de glice rol (ver Figura 3) (). Específicamente, los ácidos grasos producidos en los cloroplastos secuencialmente son transferidos por la CoA a la posición 1 y 2 del glicerol-3-fosfato, obteniendo el ácido fosfatídico (PA) como metabolito central. La desfosforilación del PA catalizado por la fosfatasa libera diacilglicerol y finalmente un tercer ácido graso es unido a la posición 3 libre del DGA mediante la enzima diacilglicerol aciltranferasa. Además, las moléculas PA y DGA pueden ser usadas directamente en la síntesis de lípidos polares como la fos fatidilcolina (PC) y galactolípidos ().

Técnicas para la obtención de biodiésel a partir de microalgas

Etapa 1: métodos para aumentar la biomasa y lípidos. Reciente mente se han desarrollado nuevas estrategias apoyadas con técnicas biotecnológicas con el fin de mejorar los rendimientos y reducir conta minantes (p. ej. fitorremediación, biopelículas para filtración, bioadsor bentes). Sin embargo, el alto costo del carbono heterotrófico (p. ej. glu cosa) usado como sustrato representa la principal barrera económica para la producción de lípidos a partir de microalgas (). En este sentido, ) señalaron que con el uso del bagazo hidrolizado de caña de azúcar para el cultivo de Chlorella protothecoi des (Krueger) Kalina et M. Puncoch en condiciones heterotróficas se alcanzó una concentración de biomasa de 24.01 g/L y una productivi dad lipídica de 1.19 g/L/d, y suponen que la xilosa y la arabinosa invo lucradas en el ciclo de las pentosas fosfato pueden estar predominando sobre la ruta de la glucólisis mejorando la acumulación de lípidos. De igual forma, ) observaron que el uso de mioinositol en medios de cultivo a una concentración de 500 mg/L aumentó un 48% la producción de biomasa y un 30% la acumulación de lípidos en Dunalie lla salina Ben-Amotz et Avron, también se incrementó la producción de ácido linoleico, linolénico y linolelaídico. Por otro lado, ) aplicaron un tratamiento de hidrólisis ácida a los residuos lignocelulósicos de la planta Glycyrrhiza uralensis con el objetivo de generar un sustrato para el cultivo heterotrófico de Chlorella protothecoides, lo que incrementó en un 62% el rendimiento de lípidos y biomasa.

Se ha demostrado que mantener a la microalga bajo condiciones de estrés incrementa la acumulación de lípidos, por lo que se han utilizado métodos como limitación de nitrógeno y adición de iones metálicos y sales como EDTA, para inducir las condiciones de estrés (; ). En este sentido, ) refieren que mediante una continua limitación de nitrógeno en condi ciones fotoautótrofas en cultivo por lote, C. vulgaris logra un rendimien to máximo de lípidos de 305.71 mg/L/d y una biomasa de 4.61 g/L. Morales-Sánchez et al. (2014) reportan que bajo limitación de nitró geno en condiciones heterotróficas de lote post-alimentado Neochloris oleoabundans (S.Chantanachat et H.C.Bold) J. Komarek acumula hasta un 53.8% de lípidos, con una concentración de biomasa de 20.9 g/L y una productividad de 1020 mg/L/d de lípidos. Por su parte, ) evaluaron el efecto de la adición de metales y sales, con lo que lograron un incremento del 28.2% de lípidos, 29.7% (275.7 mg/L/d) en la productividad y 3.49 g/L de biomasa bajo condiciones heterotróficas y mediante la adicción de Fe ³⁺, Mg ²⁺ y Ca ²⁺ y EDTA en Scenedesmus sp. De manera general, se considera que la limitación de nitrógeno y el uso de lote alimentado bajo condiciones de estrés nutricional de nitrógeno ofrecen los mejores rendimientos de acumulación de lípidos y biomasa en cultivos de microalgas, esto debido a que la falta de nitrógeno redu ce la síntesis de proteínas y estimula la formación de lípidos.

El uso de técnicas modernas enfocadas en modificaciones gené ticas o la selección de cepas mutadas son algunas de las alternativas para aumentar los rendimientos de lípidos en microalgas y abaratar los costos de producción de biodiésel (; ). Investigaciones previas demostraron que las mutaciones de los 3 tipos de genes homólogos DGATs tipo-2 (Acil-CoA: diacilglice rol aciltransferasa) asociados con la producción de triacilgleceridos no presentan un aumento significativo en la acumulación de lípidos, ade más, provocan alteraciones en el perfil de los ácidos grasos en Chla mydomonas reinhardtii P. A. Dangeard (). Por su parte, ) realizaron una modificación genética en Phaeo dactylum tricornutum Bohlin para mejorar la acumulación de lípidos neutros. La modificación se realizó en la enzima málica, involucrada en el metabolismo del piruvato y fijación de carbono. Los resultados mostraron un incremento del 57.8% en la producción de lípidos, man teniéndose una tasa de crecimiento celular similar a la cepa silvestre. En otra investigación, ) bloquearon la enzima β-1-3 gluconasa, con el producto comercial Micafungin, inhibiendo la for mación decrisolaminarina y así fomentar la acumulación de lípidos en Isochrysis zhangjiangensis. Con esto lograron obtener un 50% más en el rendimiento de lípidos y una disminución del 10% de carbohidratos.

Etapa 2: técnicas de extracción de lípidos. No obstante el potencial biotecnológico que representan las microalgas en la producción de lí pidos útiles para generar biodiesel, actualmente no existen métodos a escala industrial factibles para la extracción de lípidos y solamente se han reportado nuevos métodos para su uso a escala laboratorio (). Entre los métodos más utilizados para la extracción de lípidos de microalgas están el uso de solventes, fluidos supercríticos, campo eléctrico de pulso, microondas y ultrasonicación (; ). En este sentido, el enfoque actual es desarrollar o mejorar los métodos de disrupción celular para disminuir el uso de sol ventes, producir menos residuos, aumentar los rendimientos y mejorar la calidad del producto final (preservar los PUFAs) ().

La sonicación asistida es uno de los métodos físicos más atractivos para romper células y facilitar la extracción de lípidos de microalgas. Una investigación realizada por Suarsini y Subandi (2011) indica que la ultrasonicación presenta mejores rendimientos de extracción en com paración con el método de soxhlet y maceración y aparte reduce los tiempos. ), por su parte, notificaron que la ultraso nicación asistida logra una extracción de lípidos del 40.3 y 39.5% en Thalassiosiria fluviatilis y Thalassiosiria pseudonana, respectivamente. Otro de los métodos recientemente más estudiados es el uso de fluidos supercríticos, donde en investigaciones como la de ) emplean fluidos supercríticos para la extracción de lípidos y pigmen tos de Nannochloropsis sp. En su investigación señalan que el uso de etanol como cosolvente y CO ₂ supercrítico mejora los rendimientos de extracción, alcanzando los 45 glípidos/100 gbiomasa seca de lípidos y 70% de los pigmentos, también demostraron que la masa remanente puede uti lizarse para la producción de biohidrógeno mediante una fermentación con Enterobacter aerogenes Hormaeche et Edwards. Esta tecnología también ha sido aplicada en la extracción de ácidos grasos esenciales a partir de C. protothecoides, Scenedesmus obliquus (Turpin) Hegewald et Hanagata y Nannochloropsis salina D. J. Hibberd, logrando la re cuperación selectiva del ácido α-linolénico y ácidos grasos ω-3 en proporciones similares para las tres microalgas, con rendimientos de extracción de lípidos del orden del 18.15% ().

En relación con el uso de solventes, investigaciones actuales se han enfocado en disminuir su uso y aumentar el rendimiento de ex tracción. ) resaltan que es de vital importancia optimizar la extracción de ácidos grasos esterificados porque son los únicos que se usan para la producción de biodiésel a partir de mi croalgas. En este sentido, mencionan que la relación 2:1 de solventes cloroformo: metanol durante 2 h muestran los mejores rendimientos de extracción de ácidos grasos esterificados, sin la necesidad de apli car procesos de ruptura celular cuando se trabaja con S. obliquus. Recomiendan un tratamiento previo con agua caliente por 5 min para inactivar las lipasas y aumentar hasta un 13.7% los rendimientos de extracción de ácidos grasos esterificados. De igual forma, ) mejoraron la extracción de lípidos de S. obliquus mediante la optimización de mezclas de solventes y tiempos de extracción aunados a un proceso de ruptura celular. Los resultados muestran que la rela ción óptima de solventes cloroformo: metanol fue 2:1 con un tiempo de extracción de 2 h sin necesidad de realizar lisis celular para la recupe ración de los ácidos grasos esterificados. En otro estudio, ) ensayaron con mezclas de solventes polares y no polares para la extracción de lípidos esterificables de B. braunii demostrando que la mezcla cloroformo-metanol (75 % v/v metanol) fue la más eficiente, con un 98.9% de rendimiento de extracción de lípidos.

Una de las tecnologías emergentes prometedoras para la extrac ción de compuestos debido a su bajo costo y bajas temperaturas de operación, es la extracción por presurización cíclica. En esta técnica se utilizan presiones moderadas (˂1013 kPa), lo que reduce los costos en comparación con fluidos supercríticos, por ejemplo, e incluso menores que el uso de microondas o sonicación asistida (; ). ) aplicaron esta tecnología para la extracción de lípidos de Chlorella pyrenoidosa H.Chick, demostrando que con bajos ciclos de presurización (300 s a 91.4 kPa + 300 s a 200 kPa por ciclo) por un tiempo de 7 h, en medio etanólico se alcanza un 72% de remoción de lípidos, con un rendimiento de 11.3% de biomasa. De forma similar, ) realizaron la extracción del ácido eicosapentaenoico (EPA) de Nannochloropsis oculata Droop con fluidos presurizados y los resultados mostraron que el metanol fue el mejor solvente, comparado con el n-hexano, obteniendo un rendimiento del 16.7 ± 6% y 3.7 ± 0.1% de ácidos grasos totales y EPA, respectiva mente.

Otro de los métodos novedosos es el uso de pulsos eléctricos para la lisis celular y realizar extracciones in situ. ) probaron un prototipo de generador de pulsos para la extracción de lípidos de microalgas y reportan un 22% de extracción de lípidos. Sin embargo, atribuyen que los rendimientos son bajos debido a problemas de recu peración y cuantificación de lípidos, ya que la ruptura celular se realizó directamente en el reactor. En otras investigaciones similares, como la de ) desarrollaron un método para romper la célula y extraer los lípidos usando UV en conjunto con la reacción de Fenton lo grando una eficiencia de remoción del 85% con bajas concentraciones de H ₂O ₂ (0.3%).

Etapa 3: métodos químicos usados en la reacción de transesterificación. La reacción de transesterificación es uno de los métodos más estudiados y por lo tanto más utilizados en la producción de biodiésel. En este proceso se da la transferencia de un grupo acilo, que puede suceder entre un éster y un ácido (acidólisis), un éster y otro éster (interesterificación) o entre un éster y un alcohol (alcohólisis) () (ver Figura 4).

El desarrollo de nuevos catalizadores que mejoren las condiciones de los procesos de esterificación, reduciendo los impactos ambienta les y la corrosión que causa el uso de catalizadores convencionales (NaOH, KOH y H ₂SO ₄), representa un reto para la sustentabilidad de los procesos de esterificación (). En este sentido, ) probaron el metóxido de calcio (Ca(OCH ₃) ₂) como cata lizador en presencia de metanol y lípidos recuperados de N. oculata y señalaron un rendimiento del 92% a 60 °C, siendo este 22% superior al registrado con el catalizador de Mg-Zr. En otro análisis, ) formularon un catalizador mixto de óxido de calcio y magnesio (CaMgO) soportado en alúmina (Al ₂O ₃) con el cual se alcanzaron rendi mientos del 85.3% de transesterificación y un soporte estable y reusa ble. Macías-Sánchez et al. (2015) aplicaron un método de transesterifi cación directa de Nannochloropsis gaditana L. M. Lubin. El proceso de catálisis lo realizaron con metanol usando como catalizador cloruro de acetilo al 5% a 100 °C durante 105 min, y consiguieron una pureza del 82.7% de ácidos grasos metil-esterificados. De igual forma, ) mencionan que el H ₂SO ₄ al 3.5% por 2.4 h en presencia de metanol logra los mejores rendimientos para la reacción de metil-esterificación (60%), utilizado Chlorella sp. BDUG 91771.

Métodos biotecnológicos. Actualmente las lipasas usadas para la pro ducción de biodiésel son obtenidas principalmente de hongos (levadu ras y hongos filamentosos) y algunas se encuentran disponibles en el mercado (Novozym 435, Lyposime RM IM, Lypozime TL IM) (). Estas lipasas presentan diversas ventajas, como el poco reque rimiento energético, la alta calidad de biodiésel producido y la casi nula generación de residuos (). ) sostie nen que es posible aplicar procesos biotecnológicos para realizar una biocatálisis utilizando lipasas de levaduras como Candida antarctica (Goto, Sugiyama & Iizuka) Q. M. Wang, Begerow, F. Y. Bai & Boekhout, C. rugosa (H.W. Anderson) Diddens & Lodder, Crytococcus sp., Trichospo rum asahii Akagi ex Sugita, A. Nishikawa & Shinoda y Yarrowia lypolitica (Wick., Kurtzman et Herman) Van der Walt et Arx alcanzado rendimien tos de hasta 96% con bajas temperaturas. Por su parte, ) reportan la obtención de lipasas para la producción de bio diésel de hongos filamentosos como Rhizomucor miehei (Cooney et R. Emers.) Schipper, Rhizopus oryzae Went et Prins. Geerl., Thermomyces lanuginosus Tsikl, Aspergillus niger Tiegh y Penicillium expansum Link, y señalan que otra alternativa viable es utilizar las células completas para la biocatálisis.

) proponen la obtención de biodiésel utilizando lipasas de A. niger como biocatalizadores alcanzando, un porcentaje de conversión del 53.76% a 35 °C en presencia de metanol. Sin embargo, estos rendimientos pueden considerarse bajos en comparación con los obtenidos con enzimas comerciales como Novozym 435. En virtud de ello, Navarro-López et al. (2015) dieron a conocer la elaboración de biodiésel a partir de Nannochlorpsis gaditina L. M. Lubin empleando la enzima comercial Novozym 435 a partir de 4 lipasas. La conversión alcanzada en este caso fue de 94.7% de ácidos grasos metil-esterifi cados (biodiésel), en un proceso de reacción de 48 h con 10 mL alcohol t-butanol/g de lípidos saponificables (LS), y una relación molar 11:1 metanol/LS. De igual forma, Castillo-López et al. (2015), utilizaron No vozym 435 con lipasas de C. antartica logrando un 92.6% de grado de esterificación, produciendo un biodiésel con 83% en peso de pureza a partir de N. gaditana. Las condiciones óptimas previamente expuestas se alcanzaron con una relación 1.5:1(metanol/ácidos grasos libres) y 15:1 (Novozym 435/ácidos grasos libres) a 25 °C durante 4 h. Es po sible deducir que la eficiencia de las enzimas comerciales Novozym 435 es similar (mayor al 90%) aun cuando se trabaja con diferentes especies de microalgas y bajo diferentes condiciones de extracción.

A pesar de los altos rendimientos de conversión de biodiésel usan do enzimas comerciales, se considera que la producción enzimática de biodiésel a base de microalgas no es factible debido al elevado costo de los procesos de aislamiento, purificación, inmovilización y a la baja estabilidad de las lipasas en medio etanólico (), de modo que se ha trabajado en el desarrollo de métodos libres de solventes, lo cual evita riesgos de flamabilidad, toxicidad y reduce el costo por el uso de solventes y procesos de separación, además del desarrollo de soportes para enzimas económicos y biosustentables, que mejoren el rendimiento de producción de biodiésel ().

) desarrollaron un método para la obten ción de biodiésel a partir de Chlorella salina inmovilizando la levadura Rhodotorula mucilaginosa (A. Jorg.) F. C. Harrison 'MTCC9737' en un soporte a base del gabazo de la caña de azúcar en medio no alcohó lico. Los resultados mostraron un 85.2% de rendimiento de biodiésel con una relación 1:12 acetato de metilo/aceite a 40 °C durante 60 h. ), por su parte, diseñaron un soporte mediante nanopartículas magnéticas para la extracción y conversión directa de biodiésel a partir de los ácidos grasos obtenidos de C. salina Butcher. El método implementó la inmovilización de celulasas y lipasas con un rendimiento máximo de 93.56% con una eficiencia hasta por 10 ciclos, alcanzando resultados similares a los obtenidos con sistemas comer ciales.

Cultivo de microalgas. En general, las microalgas dependen para su crecimiento de un suministro de carbono y de una fuente de luz para realizar la fotosíntesis. Sin embargo, como respuesta a los cambios en las condiciones ambientales, pueden poner en funcionamiento diversos tipos de metabolismo (fotoautotrófico, heterotrófico, mixotrófico, foto heterotrófico). Al considerar el empleo de microalgas para la produc ción de biodiésel, es importante definir cuantitativamente la influencia de factores que intervienen en su crecimiento y que favorecen la pro ducción de lípidos, así como su interrelación para poder manipularlos en la obtención de biomasa con las características deseadas ().

En la actualidad, la producción fotoautotrófica es la única técnica económicamente viable a gran escala para la producción de bioma sa (Borowitzka, 1997). Los dos sistemas más ampliamente utilizados son las lagunas abiertas y los fotobiorreactores cerrados (Borowitzka, 1999). La viabilidad técnica de cada uno de estos sistemas se ve in fluenciada por las propiedades intrínsecas de la cepa seleccionada, así como las condiciones climáticas y los costos por espacio y agua (Bo rowitzka, 1992).

Un fotobiorreactor es un reactor en el que células de plantas o algas fotótrofas se cultivan o se utilizan para llevar a cabo una reacción fotobiológica. Los sistemas de cultivo abierto son normalmente menos caros de construir y operar, más duraderos que los grandes reacto res cerrados y con gran capacidad de producción en comparación con los sistemas cerrados (). En la Tabla 2 se muestran las ventajas y desventajas de los fotobiorreactores y las lagunas abiertas.

*La letra que aparece como superíndice relaciona la referencia citada con la respectiva ventaja o desventaja.

Biorrefinería: sistemas de doble propósito para el cultivo de microalgas

El costo de producir biodiésel puede ser teóricamente compensado por los ingresos generados por otros coproductos de la biomasa (Vo nortas & Papayannakos, 2014). Las microalgas contienen cantidades significativas de proteínas y carbohidratos, así como pequeñas cantida des de compuestos funcionales de alto valor, por ejemplo, astaxantina, carotenos, clorofila, ácidos grasos libres y ácido linoleico (). Cada uno de éstos puede ser utilizado para generar produc tos de interés industrial en una biorrefinería. Estudios recientes han concluido que la producción de biodiésel a escala industrial puede ser económicamente sostenible si la estrategia de la refinería se basara en la producción de biomasa ().

En una biorrefinería, los lípidos crudos son fraccionados en com puestos de alto valor agregado y lípidos para biodiésel (acilgliceroles) (). Si las especies de microalgas contienen un alto nivel de proteínas, la biomasa residual de la producción de biodiésel puede ser utilizada como alimentación de ganado. Si la especie contiene altos niveles de carbohidratos, la biomasa residual puede ser fermentada para producir bioetanol ().

Por otro lado, en los últimos años se ha conceptualizado el tér mino "sistemas de doble propósito" para describir al conjunto de procesos encaminados en la reincorporación de nutrientes presentes en efluentes residuales en la producción de biomasa (Olguín, 2012; Robles-Pliego et al., 2015). La biomasa generada, de acuerdo con sus características, puede ser empleada para la obtención de productos de alto valor agregado y biocombustibles, principalmente, en el contexto de una biorrefinería.

Específicamente, en el desarrollo de sistemas de doble propósito en el contexto de biorrefinerías de microalgas, se puede optar por un diseño modular en donde se establezcan procesos y operaciones uni tarias bien definidas ( Figura 5). Para lo anterior, deben considerarse módulos de biorremediación y obtención de biogás, como los módulos de pretratamiento de efluentes residuales y el de digestión anaerobia de residuos con elevada carga orgánica; un módulo por etapas de cul tivos monoalgales o en consorcios microalga-bacteria; un módulo de recuperación de biomasa mediante métodos mecánicos, así como asis tidos por procesos fisicoquímicos, como la inducción de floculación; y el módulo de obtención de productos de interés, en donde se llevan a cabo procesos de extracción o reacción y purificación.

En lo que respecta al módulo de cultivo de microalgas por etapas, en la Figura 6 se muestra un ejemplo de las etapas en el cultivo de microalgas. La primera etapa consiste en la preservación de cepas, la producción y propagación del inóculo en fotobiorreactores. La producción del inóculo se realiza bajo condiciones controladas de crecimiento en medios de cultivo minerales sintéticos y estériles, lo que significa bajos volúmenes de producción. Por su parte, la propagación del inóculo se puede realizar en condiciones asépticas o en medios no estériles y con medios sintéticos o alternativos, como diluciones de efluentes residuales con agua corriente. Sin embargo, esto último lleva consigo la posible contaminación del inóculo y la competencia por nutrientes con otros microorganismos presentes en los medios alternativos no estériles ().

En los cultivos fotoautotróficos la fuente de carbono es inorgánica, regularmente CO ₂, proporcionada mediante una mezcla aire-CO ₂, en donde la concentración de CO ₂ regularmente no rebasa el 10% (v/v) y la energía lumínica para las funciones fotosintéticas de las microalgas es suplementada por luz natural o artificial. En el caso de luz natural el fotoperiodo estará definido por la posición geográfica y estación del año, mientras que en caso de luz artificial los cultivos se pueden operar inclusive bajo luz continua.

En cultivos heterotróficos la fuente de carbono es orgánica, como glucosa, glicerol, algún ácido graso de bajo peso molecular (AGV) o en algunos casos se han utilizado residuos industriales ricos en glucosa como la melaza (, ). Estos cultivos se realizan en fermentadores de gran capacidad bajo condiciones contro ladas de pH, temperatura, agitación y sin fuente de energía luminosa. La operatividad de estos procesos resulta costosa; sin embargo, las mayores densidades celulares en el cultivo de microalgas se alcanzan en este tipo de cultivos y en condiciones asépticas, por lo que son am pliamente utilizados para la obtención de nutracéuticos y productos de consumo humano ().

En los cultivos mixotróficos se tienen ambas fuentes de carbono, orgánica e inorgánica, además de una fuente de luz, de manera que la microalga puede aprovechar ambas fuentes de carbono para su creci miento (). En sistemas de doble propósito la fuente orgánica de estos cultivos regularmente proviene de carbono de efluen tes con elevada carga orgánica (digestato) y el carbono inorgánico de mezcla de gases de combustión y aire (; ). En algunos casos también se ha optado por sales de carbonato como fuente inorgánica de carbono (; ).

Ya que en la segunda etapa del módulo de cultivo de microalgas el principal objetivo es maximizar la producción de biomasa, en la Figura 6 se sugiere que los cultivos sean operados como lote alimentado, de esta manera se ha observado que se obtienen altas densidades celu lares incluso en cultivos en continuo (Cheirsilp & Torpee, 2012; ). Bajo operación de lote alimentado los nutrientes que son rápidamente consumidos son repuestos periódicamente, de manera que la densidad no disminuya por la falta de nutrientes. En cultivos mixotróficos, donde los nutrientes provienen de efluentes residuales, la operación por lote alimentado puede no ser la más apropiada, ya que agregar periódicamente efluente residual al cultivo incrementa la turbidez y limita el paso de luz inhibiendo los procesos fotosintéticos de las microalgas. Ante esto, para la operación de lote alimentado en estos cultivos se puede optar por agregar sales minerales de bajo costo únicamente de los macronutrientes más importantes, como NH ₄HCO ₃, que cumple la doble función de ser fuente tanto de nitrógeno como de carbono ().

El objetivo de la tercera etapa es la inducción de acumulación de productos de interés. Estos pueden ser lípidos o metabolitos secunda rios, como pigmentos o carotenoides, que ante condiciones de estrés la microalga utiliza como mecanismos de defensa (; Le moine & Schoefs, 2010; ). En el caso de los lípidos, se considera que ante estrés nutricional o fotoinhibitorio, las microalgas acumulan estos en organelos que sirven como depósitos de reserva de energía (Wijffels & Barbosa, 2010; ). La falta o limita ción de nitrógeno en los medios de cultivo de microalgas se considera como el principal estrés nutricional involucrado en la acumulación de lípidos y de metabolitos secundarios (Gouveia & Oliveira, 2009).

La etapa de estrés puede realizarse en los mismos fotobiorreac tores de la segunda etapa sin la adición de nutrientes y alargando el tiempo de residencia, hasta obtener la máxima acumulación de meta bolitos de interés sin que se presente una disminución significativa de su densidad celular. Durante la operación de esta etapa no se aconseja la dilución del medio de cultivo para disminuir la concentración de nu trientes, ya que esto a su vez diluye la densidad celular y dificulta aún más la recuperación de biomasa.

Con un enfoque sustentable de sistemas de doble propósito, la Figura 7 muestra el diagrama de bloques para obtención de productos de alto valor agregado y biocombustibles a partir del cultivo de microalgas en dos procesos interconectados en el concepto de una biorrefinería. En el Proceso I, para la obtención de pigmentos y nutracéuticos, el cul tivo supone condiciones de crecimiento controladas y medios de cultivo estériles. Mientras que en el Proceso II, el cultivo de las microalgas o consorcio microalgas-bacterias se realiza en condiciones exteriores a grandes volúmenes y bajos costos de operación.

Conclusiones

La necesidad de desarrollar combustibles renovables y ecológicos es cada vez más evidente. El uso de microalgas para la obtención de biodiésel representa una alternativa viable por su alto contenido lipídico y su perfil de ácidos grasos, sin embargo, hace falta el desarrollo de tecnologías que reduzcan el costo de producción. La transesterificación en la actualidad resulta ser el método más barato para la producción de biodiésel. Sin embargo, actualmente no se han logrado precios competitivos frente a los producidos a partir de recursos fósiles. Los principales factores que incrementan los precios de obtención de biodiésel son los métodos de cultivo, la extracción de lípidos ( downstream) y los procesos de bioconversión.

El uso de campos eléctricos, extracción por presurización cíclica, microondas y sonicación se perfilan como métodos novedosos para la recuperación de lípidos intracelulares. Actualmente, el proceso de transesterificación puede realizarse mediante el uso de lipasas comer ciales o mediante la catálisis directa, utilizando microorganismos como levaduras y hongos filamentosos. Los sistemas de cultivo de doble propósito son un proceso novedoso que podría disminuir los costos, debido a que permite incrementar la biomasa reincorporando los nutrientes presentes en efluentes residuales. En este trabajo, además, se propone un diseño modular para sistemas de doble propósito y se describen detalladamente diferentes etapas de este diseño, principalmente enfocadas en el módulo de cultivo de microalgas que es la parte nodal de esta investigación.

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Producción de biodiésel a partir de microalgas: avances y perspectivas biotecnológicas

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Introducción El biodiésel ha surgido como una alternativa viable para sustituir el diésel derivado del petróleo (), puesto que presenta varias ventajas por su biodegradabilidad y mínima toxicidad, además, su combustión produce menores emisiones de sulfatos, compuestos aromáticos, dióxido de carbono, monóxido de carbono, humo; hay más oxígeno libre que conduce a una combustión completa y emisiones reducidas ().

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Aplicaciones de la biotecnología y ciencias de la vida en la agricultura y la alimentación
Según Javier Paz-Ares, del Departamento de Genética Molecular de Plantas en el Centro Nacional de Biotecnología-CSIC, la manipulación genética de la biotecnología agrícola actual “permite una agricultura sostenible y compatible con el medioambiente, a la vez que mejora la calidad de los alimentos”.