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MICROALGAE: EFFICIENT
ENERGY-GENERATING
MICROORGANISMS
Desde hace cuatro mil quinientos millones de años, las
microalgas habitan en los sistemas terrestres y acuáticos del
planeta tierra siendo, junto con las plantas superiores, el soporte
de la vida y de la oxigenación de la atmósfera. En la actualidad,
estos microorganismos se postulan como una fuente de energía
renovable clave en el cumplimiento de las metas energéticas que
se han fijado en el marco europeo. En este contexto, AlgaEnergy
está considerada como empresa de referencia en el sector
internacional de la biotecnología de microalgas.
Microalgae have inhabited the terrestrial and aquatic
systems of the planet earth for four thousand five
hundred million years. Along with higher plants, they
provide the support for life and oxygenation of the
atmosphere. Now microalgae are postulated as a key
source of renewable energy for the purpose of meeting
European energy targets. In this context, AlgaEnergy
is considered a leading enterprise in the international
microalgae biotechnology sector.
AlgaEnergy: a la vanguardia de la biotecnología
de microalgas
AlgaEnergy: at the forefront of microalgae
biotechnology
AlgaEnergy, empresa de base biotecnológica fundada en el año
2.007, confía en que su amplia experiencia, tecnologías y productos derivados de las microalgas contribuyan a incrementar
el bienestar y el progreso en las diferentes regiones del mundo,
preservando el medio ambiente, la naturaleza y la vida en nuestro
planeta. En este sentido, AlgaEnergy ha desarrollado novedosos
productos derivados de las microalgas –nutricionales, agrícolas,
cosméticos y energéticos, entre otros-, además de contar con varias instalaciones propias de cultivo de microalgas, a escalas piloto e industrial, que en muchos apartados tecnológicos, constituyen primicia mundial.
AlgaEnergy, a biotechnology company founded in 2007,
is convinced that its great experience, technologies and
microalgae-derived products contribute to improving wellbeing
and progress in the different regions of the world, as well as
conserving the environment, nature and life on our planet. In
this respect, the company has developed innovative microalgaederived products, including nutritional, agricultural, cosmetic
and energy products, amongst others. Moreover, AlgaEnergy
has a number of proprietary microalgae culture facilities on
both pilot and industrial scales. In many technical areas, these
facilities are worldwide pioneers.
¿Qué son las microalgas?
What are microalgae?
Son microorganismos que, mediante la fotosíntesis oxigénica, y a
expensas de los fotones de la luz solar, sintetizan compuestos ricos
en energía a partir de sustratos oxidados con bajo contenido energético, como son el agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2), el cual
es biofijado durante el proceso fotosintético: el carbono (C) es utilizado para generar su propia materia orgánica (biomasa microalgal) y el oxígeno (O2) es liberado a la atmósfera. Por este motivo,
una de cada dos respiraciones que realizamos todos los seres vivos
del planeta, se la debemos a las microalgas y también, por ello, las
microalgas incrementarán progresivamente la calidad de vida del
hombre y del planeta.
Microalgae are microorganisms which, by means of oxygenic
photosynthesis through photons from sunlight, synthesise
energy-rich compounds from oxidised substrates with a
low energy content, such as water (H2O) and carbon dioxide
(CO2), which is bio-fixed during the process of photosynthesis:
the carbon (C) is used to generate its own organic matter
(microalgae biomass) and the oxygen (O2) is released into the
atmosphere. For this reason, living beings on the planet owe
one of every two breaths they take to microalgae. In this way,
microalgae progressively enhance the quality of life of humans
and the planet.
Bioenergía | Bioenergy
MICROALGAS: EFICIENTES
MICROORGANISMOS
GENERADORES DE ENERGÍA
Of all current
emissions reduction
technology, one of
the most promising,
sustainable and
efficient is microalgae
biotechnology:
intensive cultivation
of photosynthetic
microorganisms, with
greater potential than
higher plants. Forests
have biomass yields
of between 10 and 40
Tn of biomass/Ha/a
and photosynthetic
efficiencies of
between 0.25%
and 1%, whereas
microalgae achieve
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FuturEnviro | Marzo March 2015
A worldwide
objective: lower
emissions
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Bioenergía | Bioenergy
Un objetivo mundial: reducción
de emisiones
Entre todas las tecnologías actuales de reducción de emisiones, una de las más prometedoras, sostenibles y eficientes es la biotecnología
de microalgas: cultivos intensivos de microorganismos fotosintéticos, con mayor potencial
que las plantas superiores. Los bosques cuentan con rendimientos biomásicos entre 10 y 40
Tn de biomasa/Ha·año y eficiencias fotosintéticas entre 0,25 y 1%, mientras que las microalgas
logran rendimientos biomásicos superiores a
100 Tn de biomasa/Ha·año y eficiencias fotosintéticas superiores a 2,5%.
Lo que la naturaleza, océanos y masas forestales realizan en largos periodos de tiempo y
utilizando el CO2 atmosférico (0,04 %), puede
acelerarse por medio de la inyección directa
de gases de combustión en cultivos intensivos
de microalgas. Estos cultivos se desarrollan en
reactores biológicos (fotobiorreactores), en el
interior de los cuales se introducen las corrientes de gases procedentes de focos industriales
emisores, reduciendo así la polución industrial
derivada de la quema de combustibles fósiles
y valorizando el contaminante gas CO2, dado
que por cada kilogramo de biomasa de microalgas generado, se biofijan dos kilogramos
de CO2.
Tecnologías de cultivo intensivo:
fotobiorreactores
Los fotobiorreactores son reactores biológicos diseñados y operados con el fin de obtener un producto final de interés para el hombre, que incrementan la productividad de los cultivos de microalgas.
Existen en la actualidad multitud de diseños de fotobiorreactores,
sin embargo, los más extendidos son los reactores tubulares, reactores verticales planos (flat panel) y los reactores abiertos tipo raceway u open pond.
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En el interior de los mismos, se desarrolla la división y el crecimiento
celular de los cultivos, de forma eficaz, sostenible y controlada. Por
tanto, el fotobiorreactor, como componente esencial del proceso
productivo, debe ser diseñado cumpliendo una serie de requisitos
que permitan que estas premisas se cumplan.
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biomass yields of more than 100 Tn of biomass/Ha/a and
photosynthetic efficiencies of more than 2.5%.
What nature, oceans and forest areas do over long periods
of time using atmospheric CO2 (0.04 %) can be accelerated
through the direct injection of flue gases into intensive
microalgae cultures. These cultures are developed in bioreactors
(photobioreactors), into which gas flows from industrial
emission sources are injected, thereby reducing industrial
pollution from the burning of fossil fuels and valorising the
contaminant CO2 gas, taking account of the fact that two
kilograms of CO2 are bio-fixed for every kilogram of microalgae
biomass generated.
Intensive cultivation technologies
Los principales parámetros a controlar durante el desarrollo de los
cultivos de microalgas son la luz solar, la temperatura, el pH y la
adición de nutrientes.
Photobioreactors are bioreactors designed and operated to
increase the productivity of microalgae cultures for the purpose
of obtaining an end product of interest to mankind.
La luz solar es un nutriente esencial de las microalgas puesto que,
sin ella, no tiene lugar el proceso fotosintético. La radiación óptima
directa de las zonas de cultivo deberían tener tasas entre 3.000 y
2.000 kWh/m2·año. Asimismo, la temperatura es otro factor fundamental ya que las microalgas crecen con mayores productividades
a temperaturas entre 20 y 30ºC. El pH (medida de la acidez o alcalinidad) del cultivo es también un parámetro que se debe controlar
cuando se trata de cultivos intensivos. El rango óptimo de pH está
comprendido entre 7,5 y 8,5. Este parámetro se controla mediante la
inyección de CO2 en los sistemas de cultivo toda vez que, además de
nutriente, es utilizado como compuesto acidificante, en razón a que
los cultivos de microalgas, en el desarrollo del proceso fotosintético,
tienden a alcalinizarse. Además de todo lo anterior, las microalgas
necesitan de un aporte nutricional compuesto principalmente por
There are many different photobioreactor designs, the most
common being tubular reactors, flat panel reactors and open
pond/raceway type reactors.
Cell division and growth of the cultures takes place
efficiently, sustainably and in a controlled manner within
the photobioreactor. For this reason, the photobioreactor, as
an essential component of the production process, must be
designed in accordance with a number of requirements that
enable compliance with these premises.
The main parameters to be controlled during the development
of microalgae cultures are sunlight, temperature, pH and the
addition of nutrients.
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Gracias a su excelente perfil bioquímico (lípidos, proteínas y carbohidratos) y elevadas tasas de crecimiento, las microalgas son
pequeñas biofactorías generadoras de multitud de productos, susceptibles de ser valorizados dentro de un amplio abanico de aplicaciones, incluyendo las energéticas.
La producción de biocombustibles de tercera generación, a partir
de ciertas microalgas, se presenta como la alternativa más prometedora por cuanto, su producción, en contraste con la de los biocombustibles de primera generación obtenidos a partir de cultivos
agrícolas, es mucho más elevada y sostenible, utiliza aguas residuales, salobres o marinas, no conlleva el uso de terrenos agrícolas, no compite por tanto con el alimento humano, se obtiene una
cosecha diaria y el proceso de cultivo es, además, respetuoso con el
medioambiente pues, como hemos comentado, es consumidor del
nocivo gas CO2. En este ámbito, es posible la producción de bioetanol (calor de combustión ≈ 30 kJ/g) por medio de fermentación
alcohólica de la biomasa. La biomasa también puede ser utilizada
como fuente de lípidos para obtención de biodiesel (calor de combustión ≈ 40 kJ/g), mediante transesterificación directa de la misma. Además, es posible obtener metano (calor de combustión ≈ 56
kJ/g), a partir de la biomasa de microalgas, por medio del proceso de
la digestión anaeróbica.
La biomasa de microalgas también es utilizada para obtener pigmentos (carotenoides y ficobiliproteínas), ácidos grasos esenciales
(omega 3 y omega 6), compuestos bioactivos y moléculas simples
de alto contenido energético, como son amoniaco e hidrógeno, además de los mencionados biocombustibles.
Igualmente la biomasa es utilizada para su aplicación directa en alimentación humana (cápsulas, comprimidos o fluidos líquidos), en
alimentación animal (piensos de ganadería) y en el sector acuícola
(alimentación larvaria), todo ello gracias a su elevado valor nutritivo.
Tienen, a su vez, gran potencial en el sector agrícola, ya que se obtienen bioestimulantes (concentrados de aminoácidos activadores del
crecimiento agrícola) beneficiosos para el desarrollo de los cultivos
Microalgae biomass: products and applications
Thanks to their excellent biochemical profile (lipids, proteins
and carbohydrates) and high growth rates, microalgae are little
bio-factories that generate a multitude of products that can
be valorised in a wide range of applications, including energy
applications.
The production of third generation biofuels from certain
microalgae is the most promising alternative. This is because,
compared to first generation biofuels from agricultural crops,
the production of third generation fuels is much higher and
sustainable. It uses wastewater, brackish water or seawater and
does not require the use of agricultural land, meaning that it
does not compete with human food. A daily harvest is obtained
and the culture process is also eco-friendly because, as we
have pointed out, it consumes harmful CO2. In this context,
it is possible to produce bioethanol (heat of combustion ≈ 30
kJ/g) by means of alcoholic fermentation of the biomass. The
biomass can be used as a source of lipids to obtain biodiesel
(heat of combustion ≈ 40 kJ/g) by means of transesterification.
It is also possible to obtain methane (heat of combustion
≈ 56 kJ/g) from microalgae biomass by means of anaerobic
digestion.
In addition to the aforementioned biofuels, microalgae
biomass is also used to obtain pigments (carotenoids and
phycobiliproteins), essential fatty acids (omega 3 and omega
6), bioactive compounds and simple molecules
with a high energy content, such as ammonia and
hydrogen.
Owing to its high nutritional value, the biomass
is also used for direct application in human
nutrition (capsules, pills or liquid fluids), in animal
nutrition (livestock feed) and in the aquaculture
sector (larval nutrition). Microalgae biomass also
has great potential in the agricultural sector
because bio-stimulants (amino acid concentrates
that trigger agricultural growth) are obtained
and these are beneficial for the development of
terrestrial crops. This type of biomass is also used
in the cosmetics sector, owing to its beneficial
regenerative and anti-irritant properties.
A reality: microalgae culture facilities
The AlgaEnergy Strategic Plan envisages the
responsible and progressive escalation of its
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Biomasa microalgal: productos
y aplicaciones
Sunlight is an essential nutrient for microalgae because
without it, the photosynthetic process does not take place.
Optimum direct radiation rates in the culture zone should be
between 3,000 and 2,000 kWh/m2/a. Temperature is another
vital factor because microalgae grow with the greatest
productivity at temperatures of between 20º and 30º C. The
pH (measurement of acidity or alkalinity) of the culture must
also be controlled in the case of intensive cultures, with the
optimum range being between 7.5 and 8.5. This parameter
is controlled by injecting CO2 into the culture systems, as an
acidifying compound as well as a nutrient, because microalgae
cultures tend to become alkalinised during the photosynthesis
process. In addition to the foregoing, microalgae require an
additional source of nutrition, mainly composed of carbon
–supplemented in the form of CO2, nitrogen, phosphorous,
potassium- in the same way as fertilisers used in agriculture-,
and other micronutrients. Naturally, quantities and proportions
vary in accordance with the strain.
FuturEnviro | Marzo March 2015
carbono -suplementado en forma de CO2, nitrógeno, fósforo, potasio- al igual que los fertilizantes utilizados en agricultura-, y otros
micronutrientes. Todos estos nutrientes son disueltos en el agua
donde de desarrollan los cultivos. Naturalmente las cantidades y
proporciones varían según la estirpe.
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terrestres, y en el sector cosmético,
debido a sus beneficiosas propiedades regeneradoras y anti- irritantes.
Una realidad: instalaciones
de cultivo de microalgas
El Plan Estratégico de AlgaEnergy ha
previsto un responsable y progresivo escalado de sus instalaciones de
producción, toda vez que la problemática científico-tecnológica que
presentan unas y otras plantas no
sólo varía en función de parámetros
ingenieriles sino también en razón
al volumen del cultivo y fines al que
estos se destinen.
La primera instalación de cultivo, un laboratorio móvil, denominado CO2BIOCAP; con una capacidad de 240 litros –escala
ya muy superior a la habitual de laboratorio- se llevó a cabo en
2009. El objetivo principal del CO2BIOCAP es realizar análisis in
situ de gases de combustión y su almacenamiento temporal en
carbón activo. En función de la composición que en cada caso
tengan esos gases, cualquier fuente emisora puede, también en
el punto localizado de la emisión, experimentar y seleccionar el
microorganismo de captura de CO2, más eficiente, según todos
los parámetros mencionados, con el propósito final de transformar dicho gas pernicioso en biomasa valorizable, rica en compuestos de interés.
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En 2010, la compañía diseñó su Plataforma Tecnológica de Experimentación con Microalgas (PTEM), con una capacidad de cultivo de
40.000 litros, con una superficie de 1.000 m2 y cuya construcción
en el “Aeropuerto Adolfo Suárez de Madrid-Barajas” quedó completada en mayo de 2011. Desde entonces, se están realizando en
ella multitud de experimentaciones y contrastando y comparando
estirpes, tecnologías y procesos productivos, que han resultado en
protocolos de los que solo AlgaEnergy dispone, pues parten de la
I+D desarrollada durante décadas por los colaboradores científicos
de la compañía, y que han sido testados y optimizados para su aplicación a gran escala. Esta instalación tiene una capacidad productiva de 3,5 toneladas anuales de biomasa seca, la cual se destina a
fines de investigación en los diversos proyectos de I+D con los que
cuenta la compañía. La PTEM es fruto de los acuerdos de colaboración que AlgaEnergy ha suscrito con la Secretaría de Estado del
Ministerio de Fomento, IBERIA y AENA.
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production facilities
because the scientifictechnological problems
of plants not only
varies in accordance
with engineering
parameters but also
depending on the
volume of cultures and
the purpose for which
they are used.
The first culture facility,
a mobile laboratory
called CO2BIOCAP,
with a capacity of
240 litres –much
larger than normal
for a laboratory-scale facility- was completed in 2009. The
main objective of CO2BIOCAP is to carry out on-site analysis
of flue gases and their temporary storage in activated carbon.
Depending on the composition of these gases in each case, any
emission source can, at the point of emission, experiment with
and select the most efficient microorganism for CO2 capture,
in accordance with all the parameters mentioned, for the final
purpose of converting this harmful gas into valorisable biomass
that is rich in compounds of interest.
In 2010, the company designed the Technology Platform for
Microalgae Experimentation (PTEM), with a culture capacity
of 40,000 litres and a surface area of 1,000 m2. This plant was
built at the Adolfo Suárez Madrid-Barajas Airport and was
completed in May 2011. Since then, a multitude of experiments
have been carried out and strains, technologies and production
processes have been compared and contrasted. This work has
resulted in protocols unique to AlgaEnergy that have their
origin in decades of R&D carried out by scientists cooperating
with the company, and these protocols have been tested
and optimised for large-scale application. This facility has a
production capacity of 3.5 tonnes per annum of dry biomass,
which is used for research purposes in the different R&D
projects currently being undertaken by the company. The
PTEM is the result of cooperation agreements entered into
by AlgaEnergy with the Secretariat of State of the Spanish
Ministry of Development, IBERIA and AENA.
The following stage of the AlgaEnergy Strategic Plan was the
design and construction of a production plant with a capacity
La siguiente fase del Plan Estratégico de AlgaEnergy fue el diseño y
of 1,000,000 litres in Arcos de la Frontera (Cadiz). This plant
la construcción de una planta de producción, con una capacidad de
has a surface area of 10,000 m2 and an estimated output
1.000.000 de litros en Arcos de la Frontera (Cádiz), sobre una superof 100 tonnes of dried microalgae biomass per annum. The
ficie de 10.000 m2 y con una producción estimada de 100 toneladas
facility forms part of the CO2ALGAEFIX project (co-funded by
de biomasa microalgal seca por año. Esta instalación, enmarcada
the LIFE+ Unit of the European Commission) and was built on
en el proyecto CO2ALGAEFIX (cofinanciado por la Unidad LIFE+ de
the grounds of Spain’s largest combined cycle power plant,
la Comisión Europea), se ha construido en terrenos de la mayor
owned by Iberdrola, an AlgaEnergy shareholder and technology
Central de Ciclo Combinado de España, propiedad de Iberdrola,
partner. The main nutrient for the culture, CO2, is taken
accionista y socio tecnológico de AlgaEnergy. El principal nutriendirectly from the flues of the generator sets, the first time this
te del cultivo, -el CO2-, se toma directamente de las chimeneas de
has ever been done worldwide. The facility is equipped with
los grupos de generación, lo que constituye una primicia mundial.
different culture technology, along with optimised systems for
La instalación cuenta con distintas tecnologías de cultivo, además
harvesting and obtaining concentrated biomass suitable for
de con optimizados sistemas
direct application
de cosechado y obtención de
in many different
biomasa concentrada apta
sectors, such
María Segura Fornieles
para su aplicación directa en
as aquaculture,
Chemical and Industrial Engineer Engineering Manager. AlgaEnergy
diversos sectores, como son,
agriculture,
Chemical and Industrial Engineer, Engineering Manager. AlgaEnergy
acuícola, agrícola, nutricionutrition, energy
nal, energético o cosmético,
and cosmetics,
entre otros.
amongst others.
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