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Cultivo de algas

Una granja de algas marinas en Uroa , Zanzíbar. Algacultura en el Kibbutz Ketura , Israel La algacultura es una forma de acuicultura que implica el cultivo de especies de algas ...

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Una granja de algas marinas en Uroa , Zanzíbar.
Algacultura en el Kibbutz Ketura , Israel

La algacultura es una forma de acuicultura que implica el cultivo de especies de algas . [ 1 ]

La mayoría de las algas que se cultivan intencionalmente pertenecen a la categoría de microalgas (también conocidas como fitoplancton , microfitas o algas planctónicas ). Las macroalgas , comúnmente conocidas como algas marinas , también tienen muchos usos comerciales e industriales, pero debido a su tamaño y a los requisitos específicos del entorno en el que necesitan crecer, no se prestan tan fácilmente al cultivo (sin embargo, esto podría cambiar con la llegada de nuevos cultivadores de algas marinas, que son básicamente depuradores de algas que utilizan burbujas de aire ascendentes en pequeños recipientes, conocidos como cultivo por volteo). [ 2 ]

El cultivo comercial e industrial de algas tiene numerosos usos, incluyendo la producción de nutracéuticos como ácidos grasos omega-3 (como aceite de algas) [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] o colorantes y tintes alimentarios naturales , alimentos , fertilizantes , bioplásticos , materia prima química, alimento para animales/ acuicultura rico en proteínas , productos farmacéuticos y combustible de algas , [ 6 ] y también puede utilizarse como medio de control de la contaminación y secuestro natural de carbono . [ 7 ]

La producción mundial de plantas acuáticas cultivadas, dominada abrumadoramente por las algas marinas, aumentó su volumen de producción de 13,5 millones de toneladas en 1995 a poco más de 30 millones de toneladas en 2016, 37,8 millones de toneladas en 2022 y 40 millones de toneladas en 2024. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Este aumento fue resultado de la expansión de la producción liderada por China, seguida de Malasia, Filipinas, la República Unida de Tanzania y la Federación Rusa. [ 9 ]

Las microalgas cultivadas ya contribuyen a una amplia gama de sectores en la bioeconomía emergente . [ 11 ] La investigación sugiere que existen grandes potenciales y beneficios de la algacultura para el desarrollo de un futuro sistema alimentario saludable y sostenible . [ 12 ] [ 7 ]

Usos de las algas

Alimento

El dulse es una de las muchas algas comestibles.
El cultivo de algas puede convertirse en una parte importante de un sistema alimentario saludable y sostenible [ 12 ].

Varias especies de algas se cultivan para consumo humano. Si bien las algas poseen cualidades de fuente de alimento sostenible, ya que producen proteínas, lípidos y carbohidratos altamente digestibles, y son ricas en ácidos grasos esenciales, vitaminas y minerales, además de tener una alta productividad proteica por hectárea, existen diversos desafíos entre la producción actual de biomasa y la producción económica de algas a gran escala para el mercado alimentario. [ 7 ]

Manipulación de laboratorio

Científicos australianos de la Universidad Flinders en Adelaida han estado experimentando con el uso de microalgas marinas para producir proteínas para el consumo humano, creando productos como " caviar ", hamburguesas veganas , sustitutos de la carne , mermeladas y otros untables . Al manipular las microalgas en un laboratorio , se puede aumentar el contenido de proteínas y otros nutrientes , y modificar los sabores para hacerlos más apetecibles. Estos alimentos dejan una huella de carbono mucho menor que otras formas de proteína, ya que las microalgas absorben dióxido de carbono en lugar de producirlo , lo que contribuye a los gases de efecto invernadero . [ 26 ]

Agar

Tanto las microalgas como las macroalgas se utilizan para hacer agar . [ 24 ] [ 27 ] [ 25 ]

Fertilizante

Durante siglos, las algas marinas se han utilizado como fertilizante . También son una excelente fuente de potasio para la fabricación de potasa y nitrato de potasio . Algunos tipos de microalgas también pueden utilizarse de esta manera. [ 28 ]

Control de la contaminación

Ante la preocupación por el calentamiento global , se buscan nuevos métodos para la captura completa y eficiente de CO₂ . El dióxido de carbono que produce una planta de combustión de combustibles fósiles puede utilizarse en sistemas de algas abiertos o cerrados, fijando el CO₂ y acelerando el crecimiento de las algas. Las aguas residuales sin tratar pueden aportar nutrientes adicionales, convirtiendo así dos contaminantes en recursos valiosos. [ 29 ]

El CO2 residual de alta pureza, así como el carbono secuestrado de la atmósfera, pueden utilizarse con beneficios potenciales significativos para la mitigación del cambio climático . [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]

El cultivo de algas está siendo estudiado para la captura de uranio/plutonio y la purificación de los residuos de fertilizantes.

Producción de energía

Empresas, instituciones académicas y gobiernos están explorando la posibilidad de utilizar algas para producir gasolina, biodiésel, biogás y otros combustibles. Las algas mismas pueden utilizarse como biocombustible y, además, para generar hidrógeno.

También se investigan las microalgas para la producción de hidrógeno , por ejemplo, mediante microgotas para células de algas o reactores microbianos esferoidales multicelulares sinérgicos de algas y bacterias capaces de producir oxígeno e hidrógeno mediante fotosíntesis a la luz del día en presencia de aire. [ 33 ] [ 34 ]

Microgeneración

La Casa del Cociente Biointeligente (BIQ) en Hamburgo

La Casa BIQ, construida en 2013 [ 35 ] [ 36 ] en Alemania, es una casa biónica experimental que utiliza paneles de fachada de vidrio para el cultivo de microalgas . [ 37 ] Una vez que los paneles se calientan, también se puede extraer energía térmica a través de un intercambiador de calor para suministrar agua caliente al edificio. [ 37 ] La ​​tecnología aún se encuentra en una etapa temprana y todavía no es apta para un uso más amplio.

La Green Power House en Montana, Estados Unidos, utilizó una tecnología de acuicultura de algas de reciente desarrollo dentro de un sistema que utiliza la luz solar y los residuos de madera de un aserradero para proporcionar nutrientes a ocho estanques de algas del AACT que cubren su piso. [ 38 ] Los desafíos identificados de las fachadas de algas incluyen la durabilidad de los paneles de microalgas, la necesidad de mantenimiento y los costos de construcción y mantenimiento [ 39 ]

En 2022, los medios de comunicación informaron sobre el desarrollo de biopaneles de algas por parte de una empresa para la generación de energía sostenible, cuya viabilidad no estaba clara. [ 40 ] [ 41 ]

secuestro de carbono

Bosque de algas
pradera de pastos marinos

Las algas marinas crecen en zonas costeras y poco profundas, y capturan cantidades significativas de carbono que pueden ser transportadas a las profundidades del océano por mecanismos oceánicos; las algas marinas que llegan a las profundidades del océano secuestran carbono y evitan su intercambio con la atmósfera durante milenios. [ 42 ] Se ha sugerido cultivar algas marinas en alta mar con el propósito de hundirlas en las profundidades del mar para secuestrar carbono. [ 43 ] Además, las algas marinas crecen muy rápido y teóricamente pueden cosecharse y procesarse para generar biometano , mediante digestión anaeróbica para generar electricidad, mediante cogeneración/CHP o como sustituto del gas natural . Un estudio sugirió que si las granjas de algas marinas cubrieran el 9% del océano, podrían producir suficiente biometano para abastecer la demanda equivalente de la Tierra de energía de combustibles fósiles, eliminar 53 gigatoneladas de CO₂ por año de la atmósfera y producir de forma sostenible 200  kg por año de pescado, por persona, para 10  mil millones de personas. [ 44 ] Las especies ideales para dicho cultivo y conversión incluyen Laminaria digitata , Fucus serratus y Saccharina latissima . [ 45 ]

Tanto las macroalgas como las microalgas se están investigando como posibles medios de secuestro de carbono. [ 46 ] [ 47 ] El fitoplancton marino realiza la mitad de la fijación fotosintética global de CO 2 (producción primaria global neta de ~50  Pg C por año) y la mitad de la producción de oxígeno a pesar de constituir solo ~1% de la biomasa vegetal global. [ 48 ]

Debido a que las algas carecen de la lignina compleja asociada con las plantas terrestres , el carbono en las algas se libera a la atmósfera más rápidamente que el carbono capturado en la tierra. [ 46 ] [ 49 ] Se ha propuesto que las algas sean un reservorio de carbono a corto plazo que puede usarse como materia prima para la producción de diversos combustibles biogénicos . [ 50 ]

Mujeres trabajando con algas marinas

El cultivo de algas marinas a gran escala podría secuestrar cantidades significativas de carbono. [ 51 ] Las algas marinas silvestres secuestran grandes cantidades de carbono a través de partículas disueltas de materia orgánica que se transportan a los fondos marinos profundos del océano, donde se entierran y permanecen durante largos períodos de tiempo. [ 52 ] Con respecto a la agricultura de carbono, el crecimiento potencial de las algas marinas para la agricultura de carbono implicaría que las algas cosechadas se transportarían a las profundidades del océano para su entierro a largo plazo. [ 52 ] El cultivo de algas marinas se realiza principalmente en las zonas costeras del Pacífico asiático, donde ha sido un mercado en rápido crecimiento. [ 52 ] El Informe Especial del IPCC sobre el Océano y la Criosfera en un Clima Cambiante recomienda "mayor atención a la investigación" sobre el cultivo de algas marinas como táctica de mitigación. [ 53 ]

Otros usos

Chlorella , en particular una cepa transgénica que porta un gen adicional de reductasa de mercurio , se ha estudiado como agente para la remediación ambiental debido a su capacidad para reducir Hg 2+.al mercurio elemental menos tóxico. [ 54 ]

Se investigan cepas cultivadas de endosimbiontes microalgales comunes de coral como una forma potencial de aumentar la tolerancia térmica de los corales para la resiliencia climática y la tolerancia al blanqueamiento . [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]

Las microalgas cultivadas se utilizan en investigación y desarrollo para posibles aplicaciones médicas, en particular para microbots [ 58 ] como micronadadores biohíbridos para la administración dirigida de fármacos .

Las algas cultivadas sirven para muchos otros propósitos, incluidos cosméticos, [ 59 ] alimento para animales, [ 59 ] producción de bioplásticos, producción de tintes y colorantes, producción de materia prima química e ingredientes farmacéuticos.

Cultivo, cosecha y procesamiento de algas

Monocultivo

La mayoría de los productores prefieren la producción en monocultivo y se esfuerzan considerablemente por mantener la pureza de sus cultivos. Sin embargo, los contaminantes microbiológicos aún están bajo investigación. [ 60 ]

En los cultivos mixtos, una especie tiende a predominar con el tiempo, y si se considera que una especie no dominante tiene un valor particular, es necesario obtener cultivos puros para cultivarla. Los cultivos de especies individuales también son fundamentales para la investigación.

Un método común para obtener cultivos puros es la dilución en serie . Los cultivadores diluyen una muestra silvestre o de laboratorio que contiene las algas deseadas con agua filtrada e introducen pequeñas alícuotas (medidas de esta solución) en un gran número de pequeños recipientes de cultivo. La dilución se realiza tras un examen microscópico del cultivo original, que predice que algunos de los recipientes contienen una sola célula de la especie deseada. Tras un periodo adecuado en una mesa de luz, los cultivadores vuelven a usar el microscopio para identificar los recipientes donde iniciar cultivos de mayor tamaño.

Otro enfoque consiste en utilizar un medio especial que excluya a otros organismos, incluidas las algas invasoras. Por ejemplo, Dunaliella es un género de microalgas que se cultiva comúnmente y que prolifera en aguas extremadamente saladas que pocos otros organismos pueden tolerar.

Como alternativa, los cultivos mixtos de algas pueden ser muy útiles para las larvas de moluscos . Primero, el cultivador filtra el agua de mar para eliminar las algas demasiado grandes para que las larvas las consuman. Luego, añade nutrientes y, si es necesario, airea el sustrato. Tras uno o dos días en un invernadero o al aire libre, la mezcla de algas resultante está lista para las larvas. Una ventaja de este método es su bajo mantenimiento.

Cultivo de algas

Una instalación de cultivo de microalgas [ 12 ]
Las microalgas se utilizan para cultivar artemia salina , que produce huevos latentes (en la imagen). Estos huevos pueden incubarse cuando se necesiten y utilizarse como alimento para larvas de peces y crustáceos de cultivo.

El agua, el dióxido de carbono , los minerales y la luz son factores importantes en el cultivo, y las distintas algas tienen diferentes requerimientos. La reacción básica para el crecimiento de las algas en agua es dióxido de carbono + energía lumínica + agua = glucosa + oxígeno + agua. [ 61 ] Esto se denomina crecimiento autótrofo . También es posible cultivar ciertos tipos de algas sin luz; estas algas consumen azúcares (como la glucosa). Esto se conoce como crecimiento heterótrofo .

Temperatura

El agua debe estar a una temperatura que permita el crecimiento de la especie de alga específica, principalmente entre 15 °C y 35 °C.

Luz y mezcla

En un sistema típico de cultivo de algas, como un estanque abierto, la luz solo penetra los primeros 76 a 102 mm (3 a 4 pulgadas ) del agua, aunque esto depende de la densidad de las algas. A medida que las algas crecen y se multiplican, el cultivo se vuelve tan denso que impide que la luz llegue a las capas más profundas del agua. La luz solar directa es demasiado intensa para la mayoría de las algas, que solo pueden aprovechar aproximadamente una décima parte de la luz que reciben de la luz solar directa; sin embargo, exponer un cultivo de algas a la luz solar directa (en lugar de protegerlo de la sombra) suele ser la mejor opción para un crecimiento vigoroso, ya que las algas que se encuentran debajo de la superficie pueden aprovechar mejor la luz menos intensa que se genera por la sombra de las algas que se encuentran encima.  

Para usar estanques más profundos, los cultivadores agitan el agua, haciendo circular las algas para que no permanezcan en la superficie. Las paletas agitadoras remueven el agua y el aire comprimido que sale del fondo levanta las algas de las zonas más profundas. La agitación también ayuda a prevenir la sobreexposición al sol.

Otra forma de proporcionar luz es colocarla dentro del sistema. Las placas luminiscentes, fabricadas con láminas de plástico o vidrio e instaladas en el interior del tanque , permiten un control preciso de la intensidad lumínica y la distribuyen de manera más uniforme. Sin embargo, su uso es poco frecuente debido a su elevado coste.

Olor y oxígeno

El olor característico de las ciénagas , pantanos y otras aguas estancadas puede deberse a la falta de oxígeno causada por la descomposición de las floraciones de algas muertas . En condiciones anóxicas , las bacterias que habitan los cultivos de algas descomponen la materia orgánica y producen sulfuro de hidrógeno y amoníaco , lo que provoca el olor. Esta hipoxia suele causar la muerte de los animales acuáticos. En un sistema donde las algas se cultivan, mantienen y cosechan intencionalmente, es poco probable que se produzcan tanto eutrofización como hipoxia.

Algunas algas y bacterias vivas también producen sustancias químicas olorosas, en particular ciertas cianobacterias (anteriormente clasificadas como algas verdeazuladas) como Anabaena . Las sustancias químicas causantes de olor más conocidas son el MIB ( 2-metilisoborneol ) y la geosmina . Dan un olor a moho o tierra que puede ser bastante fuerte. La muerte eventual de las cianobacterias libera gas adicional que está atrapado en las células. Estas sustancias químicas son detectables en niveles muy bajos, en el rango de partes por mil millones, y son responsables de muchos problemas de "sabor y olor" en el tratamiento y distribución de agua potable . [ 62 ] Las cianobacterias también pueden producir toxinas químicas que han sido un problema en el agua potable.

Nutrientes

Nutrientes como el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K) sirven como fertilizante para las algas y, por lo general, son necesarios para su crecimiento. El sílice y el hierro, así como varios oligoelementos, también pueden considerarse nutrientes marinos importantes, ya que la falta de alguno de ellos puede limitar el crecimiento o la productividad en una zona determinada. El dióxido de carbono también es esencial; normalmente se requiere un aporte de CO₂ para un rápido crecimiento de las algas. Estos elementos deben disolverse en el agua, en formas biodisponibles, para que las algas puedan crecer.

Métodos

Cultivo de macroalgas

Cultivo de Eucheuma bajo el agua en Filipinas
Un cultivador de algas marinas se encuentra en aguas poco profundas, recolectando algas comestibles que han crecido en una cuerda.
Un cultivador de algas marinas en Nusa Lembongan (Indonesia) recolecta algas comestibles que han crecido en una cuerda.

El cultivo de algas marinas , también conocido como cultivo de kelp , es la práctica de cultivar y cosechar algas . En su forma más simple, los agricultores las recolectan de lechos naturales, mientras que en el otro extremo controlan completamente el ciclo de vida del cultivo .

Los siete taxones más cultivados son Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii , Gracilaria spp., Saccharina japonica , Undaria pinnatifida , Pyropia spp. y Sargassum fusiforme . Eucheuma y K.  alvarezii son atractivas por el carragenano (un agente gelificante ); Gracilaria se cultiva para agar ; el resto se consume después de un procesamiento limitado. [ 63 ] Las algas marinas son diferentes de los manglares y las praderas marinas , ya que son organismos algales fotosintéticos [ 64 ] y no tienen flores. [ 63 ]

Los principales países productores de algas marinas en 2022 fueron China (58,62 %) e Indonesia (28,6 %); seguidos de Corea del Sur (5,09 %) y Filipinas (4,19 %). Otros productores destacados fueron Corea del Norte (1,6 %), Japón (1,15 %), Malasia (0,53 %), Zanzíbar ( Tanzania , 0,5 %) y Chile (0,3 %). [ 65 ] [ 66 ] El cultivo de algas marinas se ha desarrollado frecuentemente para mejorar las condiciones económicas y reducir la presión pesquera. [ 67 ]

La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) informó que la producción mundial en 2019 superó los 35  millones de toneladas. América del Norte produjo unas 23 000 toneladas de algas marinas húmedas. Alaska, Maine, Francia y Noruega duplicaron con creces su producción de algas marinas desde 2018. En 2019, las algas marinas representaban el 30 % de la acuicultura marina . [ 68 ] En 2023, el mercado mundial de extractos de algas marinas se valoró en 16 500 millones de dólares, con un fuerte crecimiento proyectado. [ 69 ]

El cultivo de algas marinas es un cultivo con huella de carbono negativa y un alto potencial para la mitigación del cambio climático . [ 70 ] [ 71 ] El Informe Especial del IPCC sobre el Océano y la Criosfera en un Clima Cambiante recomienda "una mayor atención a la investigación" como táctica de mitigación. [ 72 ] El Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF) , Océanos 2050 y The Nature Conservancy apoyan públicamente la expansión del cultivo de algas marinas. [ 68 ]

cultivo en sistema abierto

Estanque de canal utilizado para el cultivo de microalgas. El agua se mantiene en constante movimiento mediante una rueda de paletas motorizada .

El cultivo de algas en sistemas abiertos implica su crecimiento en corrientes de agua poco profundas, ya sean de origen natural o preparadas artificialmente. Este sistema permite el cultivo en cuerpos de agua naturales como lagos, ríos y océanos, así como en estanques artificiales de hormigón, plástico, revestimientos o diversos materiales. El cultivo de algas en sistemas abiertos es sencillo y económico, lo que lo convierte en una opción atractiva para la producción comercial de productos a base de algas.

Los estanques abiertos son muy vulnerables a la contaminación por otros microorganismos, como otras especies de algas o bacterias. Por ello, los cultivadores suelen optar por sistemas cerrados para monocultivos. Los sistemas abiertos tampoco permiten controlar la temperatura ni la iluminación. La temporada de cultivo depende en gran medida de la ubicación y, salvo en las zonas tropicales, se limita a los meses más cálidos. [ 1 ]

Los sistemas de estanques abiertos son más económicos de construir, requiriendo como mínimo una zanja o estanque. Los estanques grandes ofrecen la mayor capacidad de producción en comparación con otros sistemas de costo similar. Además, el cultivo en estanques abiertos permite aprovechar condiciones inusuales que favorecen únicamente a ciertas algas. Por ejemplo, la Dunaliella salina crece en aguas extremadamente saladas; estos medios inusuales excluyen a otros tipos de organismos, lo que permite el crecimiento de cultivos puros en estanques abiertos. El cultivo en estanques abiertos también puede funcionar si se cuenta con un sistema para cosechar solo las algas deseadas, o si los estanques se repoculan con frecuencia antes de que los organismos invasores se multipliquen significativamente. Este último método es frecuentemente empleado por los cultivadores de Chlorella , ya que las condiciones de crecimiento de esta alga no excluyen a otras algas competidoras.

El método anterior puede emplearse en el caso de algunas diatomeas en cadena , ya que se pueden filtrar de una corriente de agua que fluye a través de un tubo de salida . Se coloca una especie de funda de tela de malla fina sobre el tubo de salida, permitiendo que escapen otras algas. Las diatomeas en cadena quedan atrapadas en la bolsa y sirven de alimento para larvas de camarones (en criaderos del este ) e inoculan nuevos tanques o estanques.

El cerramiento de un estanque con una barrera transparente o translúcida lo convierte, en la práctica, en un invernadero. Esto resuelve muchos de los problemas asociados a un sistema abierto. Permite el cultivo de más especies, favorece el predominio de las especies cultivadas y prolonga la temporada de cultivo; si se calienta, el estanque puede producir durante todo el año. Se utilizaron estanques abiertos tipo canal para la eliminación de plomo mediante espirulina (Arthospira) sp . viva . [ 73 ]

lagunas de agua

Una laguna es un tipo de ecosistema acuático caracterizado por una masa de agua poco profunda separada del océano abierto por barreras naturales como bancos de arena, islas barrera o arrecifes de coral. La empresa australiana Cognis Australia es una compañía reconocida que se especializa en la producción de β-caroteno a partir de Dunaliella salina , cosechada en extensas lagunas hipersalinas ubicadas en Hutt Lagoon y Whyalla . Estas lagunas se utilizan principalmente para el tratamiento de aguas residuales, y la producción de D. salina es un beneficio secundario. [ 74 ]

Mar abierto

El cultivo en mar abierto es un método para cultivar algas marinas en alta mar, así como en zonas costeras de aguas poco profundas. La industria del cultivo de algas satisface las necesidades comerciales de diversos productos, como alimentos, piensos, productos químicos farmacéuticos, cosméticos, biocombustibles y bioestimulantes. Los extractos de algas actúan como bioestimulantes, reduciendo el estrés biótico y aumentando la producción de cultivos. Además, ofrece oportunidades para la creación de productos nutricionales para animales y humanos que pueden mejorar la inmunidad y la productividad. El cultivo de algas en mar abierto es una tecnología ecológica que no requiere tierra, agua dulce ni productos químicos. También ayuda a mitigar los efectos del cambio climático mediante la captura de CO₂ .

El método de cultivo en mar abierto implica el uso de balsas o cuerdas ancladas en el océano, donde las algas crecen adheridas a ellas. Este método se utiliza ampliamente para el cultivo comercial de algas, ya que permite la producción y cosecha a gran escala. El proceso de cultivo de algas en mar abierto consta de varias etapas. Primero, se identifica un sitio adecuado en el océano, basándose en factores como la profundidad del agua, la temperatura, la salinidad y la disponibilidad de nutrientes. Una vez elegido el sitio, se anclan cuerdas o balsas en el agua y se adhieren a ellas las semillas de algas mediante equipos especializados. Luego, se deja crecer las algas durante varios meses, tiempo durante el cual absorben nutrientes del agua y luz solar a través de la fotosíntesis. [ 75 ]

estanques de carreras

Los estanques y lagos tipo canal están expuestos a la intemperie. [ 76 ] Son uno de los métodos más comunes y económicos para el cultivo de algas a gran escala, y ofrecen varias ventajas sobre otros métodos de cultivo. Un estanque de canal abierto es un estanque rectangular poco profundo que se utiliza para el cultivo de algas. Está diseñado para hacer circular el agua en un circuito continuo, lo que permite que las algas crezcan en un entorno controlado. El sistema abierto es un método de cultivo de algas de bajo costo y relativamente fácil de construir y mantener. El estanque suele estar revestido con un material sintético, como polietileno (HDPE) o cloruro de polivinilo, para evitar la pérdida de agua y nutrientes. El estanque también está equipado con paletas u otros dispositivos mecánicos para proporcionar mezcla y aireación. [ 77 ]

HRAP

Los estanques de algas de alta tasa (HRAP, por sus siglas en inglés) son un tipo de sistema abierto de cultivo de algas que ha ganado popularidad en los últimos años debido a su eficiencia y bajo costo operativo. Los HRAP son estanques poco profundos, generalmente entre 0,1 y 0,4 metros de profundidad, que se utilizan para el cultivo de algas. Los estanques están equipados con una rueda de paletas u otro tipo de sistema de agitación mecánica que proporciona mezcla y aireación, lo que promueve el crecimiento de las algas. El sistema HRAP también se recomienda para el tratamiento de aguas residuales mediante algas. [ 78 ]

Fotobiorreactores

Las algas también pueden cultivarse en un fotobiorreactor (PBR). Un PBR es un biorreactor que incorpora una fuente de luz. Prácticamente cualquier recipiente translúcido podría considerarse un PBR; sin embargo, el término se usa más comúnmente para definir un sistema cerrado, en contraposición a un tanque o estanque abierto.

Debido a que los sistemas PBR son cerrados, el cultivador debe proporcionar todos los nutrientes, incluido el CO2 .

Un PBR puede operar en modo discontinuo , lo que implica reabastecer el reactor después de cada cosecha, pero también es posible cultivar y cosechar de forma continua. El funcionamiento continuo requiere un control preciso de todos los elementos para evitar un colapso inmediato. El cultivador proporciona agua esterilizada, nutrientes, aire y dióxido de carbono en las proporciones adecuadas. Esto permite que el reactor opere durante largos períodos. Una ventaja es que las algas que crecen en la fase logarítmica suelen tener un mayor contenido de nutrientes que las algas senescentes . El cultivo de algas consiste en el cultivo de algas en estanques u otros recursos. La productividad máxima se produce cuando la tasa de intercambio (tiempo necesario para intercambiar un volumen de líquido) es igual al tiempo de duplicación (en masa o volumen) de las algas.

Los fotorreactores pueden mantener el cultivo en suspensión o proporcionar un sustrato sobre el cual el cultivo pueda formar una biopelícula . Los fotorreactores basados ​​en biopelículas tienen la ventaja de producir rendimientos mucho mayores para un volumen de agua determinado, pero pueden sufrir problemas de separación celular del sustrato debido al flujo de agua necesario para transportar gases y nutrientes al cultivo.

PBR de panel plano

Los fotobiorreactores de panel plano consisten en una serie de paneles planos y transparentes apilados uno encima del otro, creando una fina capa de líquido entre ellos. Las algas se cultivan en esta capa de líquido, que circula continuamente para promover la mezcla y evitar el estancamiento. Los paneles suelen ser de vidrio o plástico y pueden disponerse en diversas configuraciones para optimizar la exposición a la luz. Los fotobiorreactores de panel plano se utilizan generalmente para cultivos de baja a media densidad y son idóneos para especies que requieren menor intensidad lumínica y máxima superficie para una exposición óptima a la luz. El control de la temperatura en el sistema fotobiorreactor de panel plano se lleva a cabo enfriando el cultivo en la cámara de almacenamiento mediante una camisa de agua fría, así como rociando agua fría sobre la superficie del panel plano. [ 79 ]

PBR tubulares

Los fotobiorreactores tubulares (PBR) consisten en tubos largos y transparentes, orientados vertical u horizontalmente. Las algas se cultivan dentro de estos tubos, que suelen ser de vidrio o plástico. Los tubos se disponen en forma helicoidal o serpentina para aumentar la superficie expuesta a la luz. La circulación de los tubos puede ser continua o intermitente para favorecer la mezcla y evitar el estancamiento. Los PBR tubulares se utilizan generalmente para cultivos de alta densidad y son idóneos para especies que requieren alta intensidad lumínica. El control de la temperatura en los PBR tubulares es una tarea compleja que generalmente se logra mediante la aspersión externa de agua desionizada, lo que permite enfriar los tubos y, por consiguiente, reducir la temperatura del cultivo que circula en su interior. [ 80 ]

Biofilm PBRs

Los biorreactores de lecho fijo (PBR) incluyen los de lecho empacado y los de sustrato poroso. Los PBR de lecho empacado pueden tener diferentes formas, como placas planas o tubulares. En los biorreactores de sustrato poroso (PSBR), el biofilm está expuesto directamente al aire y recibe agua y nutrientes por capilaridad a través del sustrato. Esto evita problemas con la suspensión celular, ya que no hay flujo de agua sobre la superficie del biofilm. Si bien el cultivo podría contaminarse con organismos transportados por el aire, la defensa contra otros organismos es una de las funciones del biofilm.

Bolsas de plástico PBR

Las bolsas de plástico en forma de V se utilizan comúnmente en sistemas cerrados de cultivo de algas por varias razones. Estas bolsas están hechas de polietileno de alta densidad (HDPE) y están diseñadas para contener cultivos de algas en un entorno cerrado, proporcionando un entorno ideal para el crecimiento de las algas. Las bolsas de plástico en forma de V son efectivas para el cultivo de diversas especies de algas, incluyendo Chlorella , Spirulina y Nannochloropsis . [ 81 ] Se encontró que la tasa de crecimiento y el rendimiento de biomasa de Chlorella vulgaris en bolsas de plástico en forma de V era mayor que en cualquier otra forma de bolsa de plástico. Se han desarrollado diferentes diseños de PBR basados ​​en bolsas de plástico, desde el sellado de las bolsas de plástico en diferentes lugares, lo que generó bolsas de plástico colgantes de fondo plano, bolsas de plástico colgantes en forma de V, bolsas de plástico colocadas horizontalmente que sirven como una especie de sistema PBR plano, etc. Se han propuesto muchos diseños basados ​​en bolsas de plástico, pero pocos se utilizan a escala comercial debido a su productividad. El funcionamiento de las bolsas de plástico es tedioso, ya que deben reemplazarse después de cada uso para mantener la esterilidad, lo que es una tarea laboriosa para instalaciones a gran escala. [ 82 ] [ 83 ]

Cosecha

Las algas se pueden cosechar utilizando microtamices, por centrifugación , por floculación [ 84 ] y por flotación de espuma .

La interrupción del suministro de dióxido de carbono puede provocar que las algas floculen por sí solas, un proceso denominado "autofloculación".

El quitosano , un floculante comercial que se usa comúnmente para la purificación del agua, es mucho más caro. Las conchas pulverizadas de crustáceos se procesan para obtener quitina , un polisacárido presente en ellas, del cual se deriva el quitosano mediante desacetilación . El agua salobre requiere mayores cantidades de floculante. La floculación suele ser demasiado costosa para operaciones a gran escala.

El alumbre y el cloruro férrico se utilizan como floculantes químicos.

En la flotación por espuma , el cultivador airea el agua hasta formar espuma y luego retira las algas de la superficie. [ 85 ]

Actualmente se están desarrollando métodos de recolección mediante ultrasonido y otros métodos. [ 86 ] [ 87 ]

Extracción de petróleo

Los aceites de algas tienen diversos usos comerciales e industriales y se extraen mediante diferentes métodos. Las estimaciones del costo de extracción de aceite de microalgas varían, pero probablemente sean alrededor de tres veces superiores a las de la extracción de aceite de palma . [ 88 ]

Extracción física

En la primera etapa de extracción, el aceite debe separarse del resto de las algas. El método más sencillo es la trituración mecánica . Al secarse, las algas conservan su contenido de aceite, que luego puede extraerse mediante una prensa de aceite . Las distintas cepas de algas requieren diferentes métodos de prensado, incluyendo el uso de tornillo, extractor y pistón. Muchos fabricantes comerciales de aceite vegetal utilizan una combinación de prensado mecánico y disolventes químicos para la extracción. Este método también se suele emplear para la extracción de aceite de algas.

El choque osmótico es una reducción repentina de la presión osmótica que puede provocar la ruptura de las células en una solución. En ocasiones, el choque osmótico se utiliza para liberar componentes celulares, como el aceite.

La extracción ultrasónica , una rama de la sonoquímica , puede acelerar considerablemente los procesos de extracción. Mediante un reactor ultrasónico, se utilizan ondas ultrasónicas para crear burbujas de cavitación en un disolvente. Cuando estas burbujas colapsan cerca de las paredes celulares, las ondas de choque y los chorros de líquido resultantes provocan la ruptura de dichas paredes celulares y la liberación de su contenido en el disolvente. [ 89 ] La sonicación puede mejorar la extracción enzimática básica.

Extracción química

Los disolventes químicos se utilizan con frecuencia en la extracción de aceites. La desventaja de usar disolventes para la extracción de aceite radica en los peligros que implica trabajar con estos productos químicos. Se debe tener cuidado para evitar la exposición a los vapores y el contacto con la piel, ya que ambos pueden causar graves daños a la salud. Los disolventes químicos también presentan riesgo de explosión. [ 90 ]

Un disolvente químico común es el hexano , ampliamente utilizado en la industria alimentaria y relativamente económico. El benceno y el éter también pueden separar el aceite. El benceno está clasificado como carcinógeno .

Otro método de extracción química con disolventes es la extracción Soxhlet . En este método, los aceites de las algas se extraen mediante lavados repetidos, o percolación , con un disolvente orgánico como hexano o éter de petróleo , a reflujo en un recipiente especial de vidrio. [ 91 ] La ventaja de esta técnica es que el disolvente se reutiliza en cada ciclo.

La extracción enzimática utiliza enzimas para degradar las paredes celulares, con el agua como disolvente. Esto facilita considerablemente el fraccionamiento del aceite. Se estima que los costos de este proceso de extracción son mucho mayores que los de la extracción con hexano. [ 92 ]

El CO₂ supercrítico también puede utilizarse como disolvente. En este método, el CO₂ se licúa a presión y se calienta hasta alcanzar un estado supercrítico (con propiedades tanto de líquido como de gas), lo que le permite actuar como disolvente. [ 93 ] [ 94 ]

Se siguen desarrollando otros métodos, incluidos algunos para extraer tipos específicos de aceites, como aquellos con una alta producción de ácidos grasos altamente insaturados de cadena larga. [ 86 ] [ 87 ]

colecciones de cultivos de algas

Se pueden adquirir cepas de algas específicas de colecciones de cultivos de algas, con más de 500 colecciones de cultivos registradas en la Federación Mundial de Colecciones de Cultivos. [ 95 ]

Véase también

Fuentes

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