Cultivo de microalgas - Universidad Iberoamericana Puebla

MTRA. ROCÍO RAMÍREZ RODRÍGUEZ CULTIVO DE MICROALGAS
PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN
DE ENERGÍA Y BIOMASA La Universidad Iberoamericana de Puebla (UIAP)
cuenta con el laboratorio de “Biomasa Microalgal
y Vegetal” éste espacio cuenta con la
infraestructura para el mantenimiento de las cepas
y el cultivo en pequeña escala.
Programa de Investigación en Energía y Biomasa
CULTIVO DE MICROALGAS
Rocío Ramírez Rodríguez1 & Mónica C. Rodríguez-Palacio2
1
Laboratorio de microalgas y biomasa vegetal. Instituto de Investigaciones Interdisciplinarias en Medio
Ambiente “Xabier Gorostiaga”, Universidad Iberoamericana- Puebla.
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Laboratorio de Ficología Aplicada. Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Iztapalapa.
El cambio climático es uno de los grandes desafíos del siglo XXI, ya que sus impactos son
globales y cada vez más severos afectando la estabilidad económica, social y ambiental del
planeta (Loera-Quezada & Olguín, 2010). Por tal motivo, es necesario impulsar una
investigación más interdisciplinaria y participativa donde se pueda vincular diversos
objetivos: social, ambiental y el científico-tecnológico. Lo cual permitirá una mejor
comprensión de los fenómenos ambientales y sobre todo el aprovechamiento sustentable de
los recursos naturales.
Ante el nuevo escenario, se ha impulsado la búsqueda de nuevas fuentes de proteína y de
energía, y una de ellas es la biomasa proveniente del cultivo de algas.
Las algas constituyen un grupo muy diverso de organismos fotosintéticos que han
colonizado una amplia gama de ecosistemas acuáticos y terrestres gracias a su alta plasticidad
y diversidad metabólica (cita). Al igual que las plantas terrestres, las algas emplean la
fotosíntesis para convertir la energía solar en energía química y la almacenan en forma de
aceite, hidratos de carbono y proteínas (Demirbas & Dermirbas, 2010). Sin embargo, las
algas presentan elevadas eficiencias fotosintética (4 – 8 %), a diferencia de las plantas que
únicamente obtienen el 2%. Así mismo, las estimaciones de productividad es elevada ya que
se han reportado de 60 – 80 toneladas de peso seco/ha/año; en contraste con cultivos
convencionales de plantas superiores que producen del orden de 10 – 30 ton/año (Kojima &
Lee, 2001).
Por tal motivo, el cultivo de microalgas tiene numerosas ventajas ya que no compiten por los
terrenos cultivables con las plantas terrestres; pueden crecer en agua de mar o aguas
residuales, preservando las valiosas fuentes de agua dulce; además, por sus elevadas tasas de
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Programa de Investigación en Energía y Biomasa
crecimiento consumen más dióxido, lo cual ayuda a combatir el cambio climático global
(Dermibas & Dermibas, 2010).
Desde hace miles de años las algas han sido empleadas como alimento humano en Oriente,
y sólo en el último siglo se ha intensificado investigaciones enfocadas en la diversificación
del uso de la biomasa algal, tales como:

Ficocoloides: agar (agarosas), carragenatos, alginatos, ulvanos

Alimento animal

Biofertilizantes

Biorremediación

Metabolitos secundarios (biomedicina)

Ácidos grasos esenciales (PUFAs de cadena larga)

Exopolisacáridos

Antioxidantes

Pigmentos

Moléculas simples de elevado contenido energético: amoniaco, metano, hidrógeno y
alcoholes
El inicio de la producción de microalgas comenzó hace unos 30 años, con unas 500 toneladas
a escala mundial. Actualmente, la producción mundial es de aproximadamente 10,000
toneladas anuales, las algas más cultivadas son: Haematococcus, Dunaliella, Chlorella,
Arthrospira, Isochrysis y Botryococcus; principalmente para obtención de proteínas,
astaxantinas, β-caroteno, glicerol, lípidos y materia prima para la elaboración de
biocombustibles (Vanthoor-Koopmans et al., 2014; Raja et al., 2007; Fig. 1).
Aunque el grupo de las algas es muy diverso y cuenta con aproximadamente 100,000 especies
(Van den Hoeck et al., 1995), únicamente se han reportado 493 especies como posibles
alternativas de alimentación para el hombre y otros animales, el resto está aún por valorar
(Medina et al., 2012). Así que para tener un mejor aprovechamiento de este recurso es
necesario la obtención de nuevas y mejores especies de algas.
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Programa de Investigación en Energía y Biomasa
Figura 1. Complementos alimenticios a partir de Arthrospira máxima (espirulina).
Mundialmente existen bancos de algas dedicados al aislamiento, identificación,
caracterización, conservación y suministro de algas. Entre los ceparios más importantes, se
reporta a Estados Unidos la colección de la Universidad de Texas (Starr, 2010) y el centro
Provasoli-Guillard National Center for Culture of Marine Phytoplankton (CCMP). Australia
cuenta con la Colección Nacional de Cultivos de Algas (ANACC-CSIRO); en Portugal la
Algoteca de la Universidad de Coimbra (Santos, 2008); Francia cuenta con el cepario de
cianobacterias del Instituto Pasteur (Morales –Avedaño et al., 2013) y en España el Banco
Español de Algas (BEA).
Latinoamérica cuenta con la colección de la Universidad Nacional de la Patagonia “San Juan
Bosco” en Argentina (Albarracín, et al 2009); Chile con la Colección de microalgas de la
Universidad de Concepción (González et al., 2008); en Ecuador con la colección del
laboratorio de Ficología de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador (PUCE; Morales
- Avedaño et al., 2013).
En México sobresalen dos colecciones: la del Centro de Investigaciones Biológicas del
Noroeste CIBNOR, enfocada principalmente en especies tóxicas y nocivas y la Universidad
Autónoma Metropolitana (UAM-I), donde se cuenta con especies de algas aisladas de
diferentes ambientes y lugares de la República Mexicana.
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Programa de Investigación en Energía y Biomasa
Aunque las cepas para fines comerciales se obtienen de bancos ya establecidas, es de suma
importancia contar con una colección de especies locales ya que es un reservorio de la
diversidad autóctona y además están más adaptadas a las condiciones ambientales
dominantes y por lo tanto la eficiencia de los cultivos será mayor (Band; 2007).
Hoy en día el cultivo de microalgas ha recibido gran interés por parte de universidades,
centros de investigación e industrias. Sin embargo, gran parte de estas actividades son
aisladas y a veces sin repercusión en la sociedad ni en beneficio de la naturaleza. Por
consiguiente, es necesario promover una investigación más humanista, más social donde las
comunidades más vulnerables ante el cambio climático encuentren una alternativa para
beneficiarse económicamente con la transferencia de tecnología, o así como mejorar su dieta
mediante el consumo de proteína proveniente de la biomasa algal. Todo esto sin olvidar la
una producción más limpia y sostenible.
Para potenciar el cultivo de algas es necesario la obtención de mejores especies de algas, la
mejora de las tecnologías de cultivo, aumento de producción, reducir costos de producción,
optimizar la obtención de cosecha y el procesos de secado.
La Universidad Iberoamericana de Puebla (UIAP) cuenta con el laboratorio de “Biomasa
Microalgal y Vegetal” éste espacio cuenta con la infraestructura para el mantenimiento de
las cepas y el cultivo en pequeña escala: bioreactores de 14 L y fotobioreactores verticales
de acrílico de 28 L. Además, la UIAP tiene una de las primeras plantas piloto demostrativas
de investigación de Microalgas en México y Latinoamérica. La cual consiste de cuatro
fotobioreactores verticales de 70 L (construcción casera), tres tanques tipo raceway de 300
L y cuatro de 3,000 L.
En la actualidad, el laboratorio mantiene cultivos semicontinuos de cuatro cepas de algas:
Arthrospira máxima (espirulina), Neochloris oleoabundans, Dunaliella salina y Verrucosum
sp. las cuales se han escalado en reactores de 14 L, fotobioreactores verticales 28 y 70 L y
tanques raceway de 300 y 3,000 L (Fig 2).
De manera cotidiana estas cepas se aíslan para mantener los cultivos puros y así mismo se
aíslan algas provenientes de lagos cercanos con el fin de contar con un reservorio de algas
locales para posteriormente estudiarlas, escalarlas y reconocer sus metabolitos.
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Programa de Investigación en Energía y Biomasa
El laboratorio cuenta con dos proyectos internos apoyados por la UIAP: a) Investigación de
microalgas para el desarrollo de complementos alimenticios, obtención de materia prima para
la elaboración de biocombustibles y
b) Lactosuero como medio de cultivo para el
crecimiento de Arthrospira máxima. En los cuales se trabaja de manera conjunta con el
Departamento de Ingenierías, el Instituto de Diseño e Innovación Tecnológica (IDIT) y el
laboratorio de Ficología de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM-I).
Así mismo, el laboratorio brinda apoyo y asesoría a los alumnos de la UIAP para desarrollar
sus proyectos de Área de Síntesis y Evaluación (ASE), servicio becario y prácticas
profesionales.
Este espacio cuenta con el apoyo del laboratorio de Ficología Aplicada UAM-I, el cual
brinda asesoría técnica y la aportación de cepas para la UIAP. El laboratorio de Ficología
contiene una colección de 60 cepas dulceacuícolas, 38 marinas, 15 de aguas residuales y 10
de ambientes salinos (Fig. 2). Así mismo tiene espacio para establecer biorreactores de 14
litros y así mismo ha desarrollado y aplicado la metodología para el análisis de calidad de la
biomasa algal.
Figura 2: a) Banco de microalgas del laboratorio de Ficologia Aplicada, UAM-I; b)
bioreactor de 14 L; c) Tanques tipo raceway de 300 L; d) raceway de 3,000 L y e)
fotobioreactores verticales (caseros) de 60 L y f) planta piloto de cultivo de microalgas en la
UIAP.
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Programa de Investigación en Energía y Biomasa
Bibliografía
Albarracín, I., Cravero, M., Salomón, R., Pío, G., Otaño, S., Morizon, S., Parra, A & Prósperi,
C. 2009. Desarrollo del laboratorio de microalgas en Patagonia Argentina. Facultad de
Ciencias Naturales. UNPSJB Trelew-Chubut. Argentina.
Arredondo, B. 1997. Colección de Microalgas. Centro de investigaciones Biológicas del
Noreste, S. C (CIBNOR) 22-23. CONACyT. México D.F. México.
Band, C. 2007. Aislamiento, purificación y mantenimiento de cepas de microalgas. En:
Métodos y herramientas analíticas en la evaluación de la biomasa microalgal. Arredondo,
B & Voltolina, D (Ed.). Centro de investigaciones biológicas del Noroeste, S.C. La Paz. 97
pp.
González, M., Cifuentes, A., Inostroza, I & Gómez, P. 2008. Colección de microalgas.
Departamento de Botánica, Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas, Universidad
de Concepción, Concepción, Chile.
Loera-Quezada, M & Olguín, E. 2010. Las microalgas oleaginosas como fuente de biodiesel:
retos y oportunidades. Rev Latinoam Biotecnol Amb algal 1: 91-116.
Medina, A., Piña, P., Nieves, M., Arzola, J & Guerrero, M. 2012. La importancia de las
microalgas. CONABIO. Biodiversitas, 103: 1-5.
Morales-Avedaño, E., Luna, V., Navarro, L., Santana, V., Gordillo, A & Arévalo, A. 2013.
Diversidad de microalgas y cianobacterias en muestras provenientes de diferentes provincias
del Ecuador, destinadas a una colección de cultivos. Revista Ecuatoriana de Medicina y
Ciencias Biológicas 1 y 2: 129-150.
Santos, L. 2008. Algoteca de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad de
Coimbria (FCTUC). Portugal.
Star, R. 2010. The culture Collection of Algae at the Univeristy of Texas at Austin (UTEX).
Hoeck, C. van den; Mann, D & Jahns, H. 1995. Algae. An Introduction to Phycology.
Cambridge University Press. New York. 623 pp.
Vanthoor-Koopmans, M., Córdova, Matson, M., Arredondo-Vega, B., Lozano-Ramírez, C.,
García-Trejo, J & Rodríguez-Palacio, M. 2014. Microalgae and Cyanobacteria production
for feed and foof supplements. Págs: 253 – 275 En: Biosystems engineering: biofactories for
food production in the century XXI. Guevara-González, R & Torres-Pacheco, I (Ed.).
Springer International Publishing Switzerland.
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2015 PLAN DE PROYECTOS PROGRAMA DE
INVESTIGACIÓN DE
ENERGÍA Y BIOMASA Programa de Investigación de Energía y Biomasa
PROYECTOS 2015
PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN DE ENERGÍA Y BIOMASA
I. DATOS INFORMATIVOS
1.1.
Institución:
Universidad Iberoamericana Puebla
1.2.
Nivel:
Investigación, Docencia (Licenciatura y Posgrado) y Vinculación
1.3.
Responsable: M. en C. Rocío Ramírez Rodríguez
II. JUSTIFICACIÓN
Ante el nuevo escenario de cambio climático, se ha impulsado la búsqueda de nuevas fuentes de proteína y de
energía, y una de ellas es la biomasa proveniente del cultivo de algas.
Las algas constituyen un grupo muy diverso de organismos fotosintéticos que han colonizado una amplia gama
de ecosistemas acuáticos y terrestres gracias a su alta plasticidad y diversidad metabólica (González, 1987). Al
igual que las plantas terrestres, las algas emplean la fotosíntesis para convertir la energía solar en energía química
y la almacenan en forma de aceite, hidratos de carbono y proteínas (Demirbas & Dermirbas, 2010). Sin embargo,
las algas presentan elevadas eficiencias fotosintética (4 – 8 %), a diferencia de las plantas que únicamente obtienen
el 2%. Así mismo, las estimaciones de productividad es elevada ya que se han reportado de 60 – 80 toneladas de
peso seco/ha/año; en contraste con cultivos convencionales de plantas superiores que producen del orden de 10 –
30 ton/año (Kojima & Lee, 2001).
El inicio de la industria del cultivo de algas comenzó hace unos 30 años, con unas 500 toneladas a escala mundial.
Actualmente, la producción mundial es de aproximadamente 10,000 toneladas anuales, las algas más cultivadas
son: Haematococcus, Dunaliella, Chlorella, Arthrospira, Isochrysis y Botryococcus; principalmente para
obtención de proteínas, astaxantinas, β-caroteno, glicerol, lípidos y materia prima para la elaboración de
biocombustibles (Vanthoor-Koopmans et al., 2014; Raja et al., 2007)
En los últimos años se han logrado investigaciones importantes en la diversificación del uso de la biomasa algal,
para la obtención de:
•
Ficocoloides: agar (agarosas), carragenatos, alginatos, ulvanos
•
Alimento animal
1 Programa de Investigación de Energía y Biomasa
•
Biofertilizantes
•
Biorremediación
•
Metabolitos secundarios (biomedicina)
•
Ácidos grasos esenciales (PUFAs de cadena larga)
•
Exopolisacáridos
•
Antioxidantes
•
Pigmentos
•
Moléculas simples de elevado contenido energético: amoniaco, metano, hidrógeno y alcoholes
Por lo tanto la biomasa algal es una fuente de energía renovable, clave en la diversificación energética y
disminución de la dependencia energética externa, así como el ahorro energético de las emisiones de gases de
efecto invernadero. Los aspectos decisivos en el desarrollo de esta fuente de energía dependen de la mejora en la
tecnología, eficiencia energética, reducción de costos de producción, desarrollo e implantación de criterios de
sostenibilidad.
Actualmente el cultivo de microalgas es un sector con gran potencial y ha recibido ha recibido gran interés por
parte de universidades, centros de investigación e industrias.
Se estima que hay de 30,000 a 100, 000 especies de microalgas que incluyen tanto representantes eucarióticos
como procarióticos. Hasta el momento se han reportado 493 especies de algas que podrían ser empleadas en la
alimentación del hombre y animales, la obtención de biodiesel, bioetanol. En países como Chile, Alemania, India,
Japón, España, Estados Unidos (Hawai) están en la vanguardia en el cultivo de microalgas. Un ejemplo a
mencionar es el Banco Español de Algas (BEA), en el cual se aísla, identifica, caracteriza, conserva y suministra
de microalgas y cianobacterias. Además se encarga en el desarrollo del nuevo sector bioindustrial basado en el
cultivo y aplicaciones de las microalgas y cianobacterias.
III. OBJETIVOS
3.1. Objetivo General
Impulsar la investigación para la búsqueda de alternativas energéticas y alimenticias, además de promover la
economía a través de la transferencia de tecnologías.
2 Programa de Investigación de Energía y Biomasa
3.2. Objetivos Específicos
a) Fomentar la investigación y desarrollo mediante la colaboración conjunta de científicos de diferentes áreas
(ingeniería, ciencias ambientales y nutrición), así como las empresas involucradas en el sector.
b) Obtención de mejores especies de algas para la bioindustria. Para lo cual se pretende el muestreo en
cuerpos de agua del estado de Puebla y zonas aledañas, aislar, identificar y caracterización del potencial
para diferentes aplicaciones (alimenticio, medicina, biorremediación, energía alternativa)
c) Establecimiento de un cepario de microalgas provenientes de los cuerpos de agua del Estado de Puebla y
zonas cercanas.
d) Asesoría a los alumnos de la Universidad Iberoamericana para el desarrollo de servicio social, prácticas
profesionales y ASE.
e) Difusión de actividades, eventos demostrativos de la planta piloto.
f) Formación y capacitación de recursos humanos mediante cursos, seminarios, reuniones científicas,
dirección de becarios y formación de posgrado.
IV. ACTIVIDADES
4.1. Investigación
-
Desarrollo de Proyectos de investigación
-
Servicios internos y externos
-
Incorporación de estudiantes de licenciatura (becarios, prácticas profesionales, servicios sociales,
estancias.)
-
Estudiantes de Posgrado (Asesoría y dirección de tesis, estancias)
4.2. Metas de Infraestructura
-
Mantenimiento y funcionamiento del Invernadero de Microalgas
-
Construcción del secador solar
-
Construcción y funcionamiento de fotobioreactores verticales de 28L en condiciones de laboratorio Transferencia de tecnología de cultivo de espirulina en una microgranja
-
Equipo de cosecha de biomasa
-
Equipo para el análisis de calidad de biomasa
3 Programa de Investigación de Energía y Biomasa
V. PROGRAMACIÓN DE ACTIVIDADES
Nº
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2
3
4
5
6
7
8
9
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12
13
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PROYECTOS/ACTIVIDADES
2015
E F M A M J J A S O N D
Mantenimiento de las cepas de: Artrhospira
máxima, Neochloris oleobundans, Verrucosum sp.
Escalamiento de las cepas Artrhospira máxima,
Neochloris oleobundans, Verrucosum sp. en el
laboratorio
Aislamiento de cepas de microalgas de los cuerpos
de agua del estado de Puebla
Mantenimiento y limpieza del invernadero de
Microalgas
Escalamiento de los cultivos en el invernadero de
microalgas
Cosecha de la biomasa en condiciones de
invernadero
Análisis bromatológico de la biomasa (lípidos,
carbohidratos, pigmentos, aceites)
Pruebas para la cuantificación de aceites en el
HPLC y cromatografía de gases en la biomasa
Cultivo de espirulina en lactosuero
Capacitación cromatografía de gases
Extracción de aceite en el cromatógrafo de gases
Análisis de resultados y redacción del trabajo para
el congreso SOLABIA “obtención de lípidos a
partir de la microalga Chollestrella”
Participación al IV congreso Latinoamericano de
Biotecnología SOLABIA, Florianópolis, Brasil.
Redacción del artículo “Bioindicadores de la
calidad de agua en ríos de Valle de Bravo,
Amanalco, Edo Mex.
Asesoría a alumnos de ASE
Promoción de la carrera de ciencias Ambientales
Obtención del título de la especialidad de
biotecnología en la UAM- I
Superación académica: capacitación para el uso del
cromatógrafo de gases
4

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