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Aprovechamiento integral de microalgas: biorrefinerías

Autores: Juan José Espada, Jovita Moreno, Universidad Rey Juan Carlos

El concepto de biorrefinería

La disminución de reservas de recursos fósiles (petróleo fundamentalmente) unida al deterioro medioambiental que provoca su uso está obligando a explorar diferentes formas de obtener productos,que tradicionalmente se producían a partir de petróleo, usando materias primas sostenibles. En este sentido, la biomasa es una opción muy atractiva, ya que su aprovechamiento integral podría suponer la obtención de una gran variedad de productos de interés así como un gran beneficio ambiental.

En la actualidad, la producción de bioproductos es un mercado en crecimiento continuo con aplicaciones en muy diversos sectores industriales. El concepto de biorrefinería aparece directamente relacionado con este mercadoya que engloba la integración de procesos y tecnologías para un uso eficaz de las materias primas logrando que las instalaciones operen de una manera sostenible con el medio ambiente, teniendo como objetivo el aprovechamiento integral de la biomasa para generar un amplio espectro de productos.

Las biomasa potencialmente utilizable como materia primas en las biorrefinerías puede ser de muy diverso tipo: agrícola (cultivos energéticos y residuos agrícolas), forestal (madera, cultivos energéticos y residuos lignocelulósicos), residuos orgánicos domésticos, microalgas etc. En función del tipo de biomasa empleada se obtendrán productos con diferentes características.

Los principales tipos de productos obtenidos en una refinería pueden ser de dos tipos: energéticos y productos de base biológica. Dentro del primer grupo se encuentran los biocombustibles que pueden ser gaseosos (biogás, gas desíntesis, hidrógeno ybiometano), líquidos (bioetanol, biodiesel, bioaceites, etc.) o sólidos (pellets, lignina,carbón vegetal, etc.). Dentro de los productos de base biológica cabe destacar los productos de laindustria química fina (productosaromáticos, aminoácidos, polialcoholes, ácidos, etc.), polímeros y resinas, productos para alimentación animal yhumanay fertilizantes.

Biorrefinerías de microalgas

Las microalgas son consideradas con una posible y prometedora materia prima para su empleo en biorrefinerías por diversos motivos: fijan CO2 durante su crecimiento, poseen un elevado contenido en lípidos por unidad de biomasa (mayor que el de otros tipos de plantas y que, además, puede ser incrementado bajo ciertas condiciones de estrés), su variedad permite la obtención de multitud de tipos de productos y, algunas de ellas, pueden desarrollarse en medios de cultivo muy baratos, incluso aprovechando aguas residuales. Los estudios existentes en el sector de la biorrefinerías de microalgas muestran queuna adecuada combinación de diferentes procesos de transformación (muchos de los cuales ya se emplean actualmente en la industria),junto con la gran variedad de productos que se pueden generar a partir de las microalgas,darían lugar a sistemas productivos altamente eficaces y sostenibles.

El diseño de estas biorrefinerías sostenibles debe incluir una adecuada integración energética y un correcto aprovechamiento de productos, subproductos y residuos, para lo cual, además, es fundamental que la instalación esté interrelacionada con otros tipos de industrias. Así, los restos de biomasa algal generados después de la extracción del aceite pueden ser empleados como alimentación animal, como materia prima para la fabricación de fertilizanteso como fuente de energía. La energía generada con este residuo puede ser empleada para producir nueva biomasa y el CO2 emitido durante dicha generación de energía serviría como fuente de carbono para más crecimiento celular. O, como alternativa, la biorrefinería puede usar como fuente de carbono el CO2 proveniente de alguna otra actividad industrial. Con respecto a otros productos no energéticos (lo denominados de base biológica), se estima que este tipo de plantas podrían suponer una importante contribución para la fabricación de pigmentos, vitaminas, diversos principios activos y otros productos de interés para la industria cosmética yfarmacéutica. La figura 1 muestra una propuesta de esquema de proceso para una biorrefinería basada en microalgas según J. Trivedi y col., 2015 (Renewable and Sustainable Energy Reviews 47 295–307).

Puesto que existen muchas alternativas técnicas, la secuencia más adecuada de procesos de transformación y aprovechamiento de la biomasa algal dependerá de la especie de microalga a utilizar y del producto/s y/o sub-producto/s cuya generación se desee maximizar. Aunque se han publicado estudios sobre la mejor opción de aprovechamiento para diferentes tipos de microalgas, hay todavía bastante controversia sobre cuáles son las rutas más adecuadas en cada caso. Posiblemente, uno de los puntos más críticos de todo el proceso reside en la adecuada separación de los productos formados en cada etapade tratamiento sin dañar el resto, de forma que todas las fracciones puedan ser aprovechadas, lo que incrementa considerablemente la viabilidad económica y ambiental de la biorrefinería.

Figura 1. Propuesta de esquema de proceso para una biorrefinería basada en microalgas según J. Trivedi y col., 2015 (Renewable and Sustainable Energy Reviews 47 295–307).

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Importancia de la espirulina en la acuicultura

Ignacio Plaza Gordo (PhD student en ETSI Agronomos e Investigación en CIB-CSIC)

El consumo de pescado y marisco se remonta al origen del ser humano, y su importancia para la salud son innegables. Es un alimento con alto contenido en proteínas  y una importante fuente de Omega3 y ácidos grasos cardiosaludables.

Tradicionalmente la pesca ha sido la forma más habitual de obtener este recurso, pero en la actualidad la práctica de la acuicultura mundial aumenta una tasa media anual del 6,2 % en el período de 2000 a 2012. Según las últimas estadísticas  (FAO-2012), se  alcanzó un máximo de producción histórico de 90.4 millones de toneladas (peso vivo), de los cuales 66.6 millones corresponden a peces comestibles y 23.8 a plantas acuáticas, principalmente algas marinas.

La acuicultura resuelve varios problemas inherentes a la pesca tradicional,  ya que su explotación no depende de la estacionalidad, deslocaliza la obtención de pescado, pudiendo producirse en las zonas de consumo y es una práctica más sostenible de obtener proteína. Los peces son más eficientes trasformando el alimento en carne que las especies terrestres. Según datos de la FAO los peces tienen una eficiencia de trasformación del pienso de un 65% mientras que pollos y cerdos rondan el 20% y 12% respectivamente.

En los cultivo tipo RAS  comerciales (Sistemas de Recirculación de Agua) con altas densidades de peces, la alimentación juega un papel en el crecimiento y la salud de los peces. Los alimentos en acuicultura tienen que estar muy bien balanceados y con unos altos contenidos en proteína.

Actualmente gran parte de la proteína que se le aporta a los piensos son de origen animal procedentes de harinas de pescado, carne o sangre, pero con precios elevados o bien no se encuentran disponibles en cantidades suficientes para abastecer la demanda de mercado. En la Unión Europea además el uso de proteínas de origen animal está restringido a las harinas de pescado, por lo que es importante encontrar otras fuentes proteicas alternativas. Es destacable que estas nuevas fuentes han de tener un elevado contenido en proteína digestible para permitir sustitución de la harina de pescado.

La espirulina (Arthrospira Platensis) es un alimento natural único de alta calidad, que posee una proteína de gran calidad con un buen perfil de aminoácidos, óptima para la producción acuícola. Además no posee paredes celulares de celulosa lo que implica que no sea necesario un tratamiento previo para hacerla fácilmente digerible, como seria en el caso de la soja. Y por tanto posee una digestibilidad de la proteína de un 84% aproximadamente.

La espirulina porta más cualidades a los piensos, ya que algunos estudios en peces parecen demostrar que tiene propiedades estimuladoras del sistema inmune, así como del crecimiento. Lo que implicaría un menor uso de antibióticos y de materia prima en la producción, reduciendo costes tanto económicos como medioambientales. Entre los beneficios podemos destacar:

  • Incrementa la tasa de crecimiento
  • Mejora la calidad y coloración a la carne del pez.
  • Aumenta la supervivencia.
  • Efecto antioxidante.

Este tipo de beneficios no solo son importantes a nivel de producción industrial. En producciones pequeñas y artesanales tiene una fácil aplicación, ya que el cultivo de spirulina por los propios acuicultores es barata y fácil de implementar.

Actualmente el equipo de Inspira1-CM, está trabajando para descubrir cuáles son las causas y mecanismos que produce estos beneficios, así como las aplicaciones prácticas de esta cianobacteria en la acuicultura, tanto industrial como para autoconsumo.

Fuente:INSPIRA1-CM 2015

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Modificación genética de la espirulina

Amaya Blanco-Rivero (Dpto. Bioquímica y Biología Molecular, UCM)

Las cianobacterias, anteriormente conocidas como algas verde-azuladas, son una de las formas de vida más antiguas de las que tenemos registro fósil. Una de sus características más importante es que, a pesar de ser bacterias son capaces de realizar fotosíntesis tal y como la que realizan  las plantas y las algas. Esto es lo que precisamente las hace tan especiales, puesto que fueron los organismos que la “inventaron” y gracias a ella se produjo la liberación de oxígeno que dio lugar a la formación de nuestra atmósfera  y a la capa de ozono que permite albergar la vida en la Tierra tal y como la conocemos hoy en día.

Estos microorganismos poseen  una gran variedad morfológica, encontrándose especies unicelulares, filamentosas y coloniales; son cosmopolitas, se encuentran en todos los ambientes desde los polos a los trópicos, de los océanos a los desiertos, donde muy a menudo son los únicos seres vivos.

Han resultado ser de enorme importancia para el medioambiente, ya que tienen el potencial para contrarrestar el grave problema de la acumulación de las emisiones de CO2, y su crecimiento se puede acoplar también al tratamiento de aguas residuales.

En el caso concreto de la cianobacteria Arthrospira platensis, conocida coloquialmente como “espirulina”, posee un enorme potencial para su uso en diferentes aplicaciones industriales. En la actualidad tiene gran importancia ya que se cultiva a gran escala para alimentación humana y animal por a su alto valor nutricional. Además la espirulina, como el resto de cianobacterias,  es capaz de sintetizar una gran cantidad de compuestos de gran importancia para el sector nutracéutico y farmacéutico, como por ejemplo antivirales, antibióticos, antioxidantes, inmunoestimulantes o anticancerígenos.

Pero estos microorganismos también pueden ser utilizados en el sector de la bioenergía, ya sea para usos térmicos, eléctricos o para la producción de biocarburantes, por lo que pueden ser consideradas como una fuente de energía renovable.

Este enorme potencial industrial hace de la espirulina una candidata muy atractiva para la manipulación genética (introducción de genes de otros organismos para conferirle nuevas características) con el fin de poder desarrollar nuevas aplicaciones prácticas. Sin embargo, a pesar de su uso extensivo, aún no se han desarrollado herramientas moleculares precisas para su mejora genética, lo que permitiría llevar a cabo  un aumento de la productividad y la eficiencia de cultivos industriales.

Este hecho se debe probablemente a que las cianobacterias, y por tanto también la espirulina, poseen lo que se denomina sistemas de restricción-modificación (RM) que hacen difícil su transformación con ADN “extraño”.

Los sistemas RM son de varios tipos distintos, pero en general reconocen secuencias específicas del ADN propio que están modificadas (metiladas gracias a la acción de enzimas metiltransferasas) en determinados puntos por los mismos sistemas. Cuando un ADN “extraño” entra dentro de la célula, los sistemas RM reconocen la secuencia de ADN y al no presentar el patrón de metilación propio lo degradan (por la acción de endonucleasas de restricción).  Esto evita la infección mediante la destrucción de manera efectiva del ADN extraño introducido por ejemplo por un agente infeccioso. De esta manera, cuando se intentara introducir ADN exógeno a espirulina con el fin de conferirla nuevas características interesantes, los sistemas RM lo reconocerían como si fuera una infección y lo degradarían. Según la literatura científica, A. platensis posee más de 10 sistemas de restricción-modificación que hacen difícil su transformación con DNA exógeno (Fujisawa et al., 2010; Shiraishi y Tabuse, 2013).

Sin embargo, estos sistemas RM pueden ser “engañados”. De hecho ya se ha hecho anteriormente en otras cianobacterias como es el caso de Nostoc sp. PCC 7120. La táctica consiste en clonar las enzimas metiltranferasas en plásmidos que una vez empiezan a replicarse, producen las enzimas que metilarían el  ADN “extraño”  y lo protegería de la degradación ya que la célula lo reconocería como ADN propio.

De esta manera se abre un gran abanico de posibilidades que permitiría  que la espirulina posea nuevas características e incrementar así el interés  para sus aplicaciones biotecnológicas.

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Curso “Biotecnología de microalgas: Aplicaciones industriales”

El próximo 26 de noviembre realizaremos en las instalaciones del CIB-CSIC el curso “Biotecnología de microalgas: Aplicaciones industriales”. En él participarán investigadores de diferentes centros y universidades, además de empresas y plataformas tecnológicas especializadas en el sector de las microalgas.

El curso está dirigido a estudiantes y profesionales del sector de la biotecnología de microalgas, y sus aplicaciones en las áreas de acuicultura, nutracéutica, farmacéutica, medioambiente y bioenergía, donde se expondrán cuestiones generales a nivel científico, así como identificar los casos de éxito más relevantes a nivel nacional.

El programa consta de una SESIÓN CIENTÍFICA donde se abordarán cuestiones relacionadas con la biología de algas, a nivel microbiológico y bioquímico (diversidad, estructura celular, propiedades fisiológicas, metabolismo, etc.), además de conocer cuáles son las aplicaciones biotecnológicas más habituales y su uso potencial en el mercado.

En la sesión de APLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS se expondrán casos prácticos de iniciativas enfocadas a la obtención de productos de alto valor añadido, sistemas de cultivo, biorremediación de aguas, captura y uso de CO2 residual, acuicultura y valorización energética de biomasa (biocarburantes o biogás)

Finalmente se realizará una MESA REDONDA donde debatiremos sobre el “mercado actual de las microalgas y sus expectativas a medio-largo plazo”. Para ello contaremos con responsables de empresas, centros de investigación públicos y privados, universidades y plataformas tecnológicas del sector de la biotecnología, bioenergía y bioquímica.

El curso se enmarca dentro de los objetivos del programa “INSPIRA1-CM”, financiado por la Comunidad de Madrid,  que  tiene como objetivo principal el desarrollo de herramientas biotecnológicas para la mejora genética de la cianobacteria espirulina (Arthrospira Platensis), que  permitirá optimizar la producción de biomasa y su posterior uso en diferentes aplicaciones industriales.

Más información:

http://inspira-cm.org/CURSOS-Y-WORKSHOPS/

Tríptico

 

 

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Nace el Blog “Espirulina”

El nuevo blog de divulgación científica “ESPIRULINA” pretende ser un espacio de interés social y tecnológico donde poder encontrar información sobre la biotecnología de la cianobacteria espirulina y otros tipos de microorganismos fotosintéticos como las microalgas.

En este foro se tratarán temas relacionados con la biología de estos microorganismos, así como sus posibles mejoras genéticas para su uso en diferentes aplicaciones industriales, tales como la producción de piensos para alimentación de peces y la obtención de productos de alto valor añadido para el consumo humano (nutracéutica y farmacéutica).

Hablaremos de forma práctica sobre las diferentes tecnologías de cultivos existentes, economías de escala y métodos de cosechado y procesado, integrados en el concepto de biorefinería.

Además, se abordarán otros aspectos de interés tales como la depuración de aguas contaminadas, captación y uso de CO2, valorización energética de la biomasa o la producción de biofertilizantes. Así mismo se analizarán las diferentes iniciativas de I+D que se estén desarrollando a nivel nacional e internacional.

El blog ESPIRULINA se enmarca dentro del programa “INSPIRA1-CM“, (financiado por la Comunidad de Madrid y fondos FEDER), y será gestionado por el grupo de biotecnología medioambiental del Centro de Investigaciones Biológicas (CIB-CSIC), donde también participarán los diferentes grupos de investigaciones y laboratorios pertenecientes al proyecto, así como otros especialistas del sector de las cianobacterias y las microalgas.

Esperamos poder contribuir de forma didáctica a este sector de gran potencial social y científico, aportando nuestra experiencia y grado de conocimiento.

 

EL PROGRAMA INSPIRA-1 ESTA FINANCIADO POR LA COMUNIDAD DE MADRID Y COFINANCIADO CON FONDOS ESTRUCTURALES DE LA UNIÓN EUROPEA (FONDO SOCIAL EUROPEO Y FONDO EUROPEO DE DESARROLLO REGIONAL)

- PROGRAMAS DE ACTIVIDADES DE I+D DE LA COMUNIDAD DE MADRID: TECNOLOGÍA 2013-

Ref: S2013/ABI2783 (INSPIRA1-CM): APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA ESPIRULINA

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