PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS: PARÁMETROS DEL CULTIVO QUE AFECTAN LA PRODUCCIÓN DE LÍPIDOS

Biodiesel Production from Microalgae: Cultivation Parameters that Affect Lipid Production

MARTHA TRINIDAD ARIAS PEÑARANDA¹, M.Sc.; ALFREDO DE JESÚS MARTÍNEZ ROLDÁN¹, M.Sc.; ROSA OLIVIA CAÑIZARES VILLANUEVA¹, Ph. D.

¹ Departamento de Biotecnología y Bioingeniería, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del I.P.N., Ciudad de México, D.F., México. Autor de correspondencia: Rosa Olivia Cañizares Villanueva. rcanizar@cinvestav.mx. Tel.: 52 5 557 473 800, ext.: 4342. Fax: 52 5 557 473 800, ext.: 3315.

Presentado 3 de septiembre de 2012, aceptado 19 de noviembre de 2012, correcciones 22 de enero de 2013.

RESUMEN

Las microalgas poseen la capacidad para mitigar las emisiones de CO₂ y producir lípidos, por lo que se consideran con potencial para la obtención de biocombustibles de tercera generación. La presente revisión proporciona información actualizada de la influencia de las condiciones de cultivo, sobre la obtención de lípidos con una productividad elevada y perfil adecuado para la producción de biodiesel, se proporciona una síntesis de resultados de investigaciones realizadas en los últimos 13 años en diversas partes del mundo. En la literatura consultada, los autores concluyen que aunque el comportamiento de las microalgas ante condiciones de estrés fisiológico es variable entre especies; la limitación de nutrientes especialmente nitrógeno y fósforo, asociado al crecimiento heterotrófico o a altas intensidades luminosas en fototrofía se consideran como las estrategias más eficientes para incrementar el contenido de lípidos en las microalgas, en particular de triglicéridos constituidos por ácidos grasos saturados y monoinsaturados, ideales para la producción de biodiesel. De igual forma, señalan que la presencia de pequeñas cantidades de CO₂ y la cosecha de la biomasa en la fase estacionaria de crecimiento, incrementan el contenido de lípidos y disminuyen el número de insaturaciones de los ácidos grasos que lo conforman.

Palabras clave: biocombustibles, microalgas, lípidos, ácidos grasos.

ABSTRACT

Keywords: biofuels, microalgae, lipids, fatty acids.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad existe una tendencia internacional hacia la búsqueda de combustibles más limpios y nuevas fuentes de energía de baja emisión de carbono, como la energía solar, la térmica, la fotovoltaica, la hidroeléctrica, la geotérmica, la eólica y los biocombustibles, entre otras; las cuales están siendo evaluadas y se encuentran en diferentes fases de estudio y aplicación, cada una con sus propias ventajas y problemas. En este escenario, se espera que los biocombustibles líquidos, biodiesel y bioetanol puedan sustituir al gasóleo y la gasolina respectivamente (Posten y Schaub, 2009), promuevan nuevas fuentes de empleo en las zonas rurales, reduzcan las emisiones de gases efecto invernadero y aumenten la seguridad de abastecimiento energético (Mata et al., 2010). El biodiesel es un combustible sustituto del gasóleo o diesel de petróleo, compuesto por una mezcla de ésteres alquílicos de ácidos grasos (FAME) de cadena larga (C₁₄- C₂₂), obtenidos por transesterificación de aceites vegetales, grasas animales, aceites usados o lípidos de microalgas (Miao y Wu, 2006; Demirbas, 2009). El uso del biodiesel como combustible puede ser puro (100 % o B100) o mezclado con diesel derivado del petróleo (BXX - donde XX indica el porcentaje de biodiesel en la mezcla) y suele emplearse en cualquier motor diesel con poca o ninguna modificación y no requiere nueva infraestructura de abastecimiento (Demirbas, 2009). El uso de biodiesel como recurso energético resulta atractivo porque se deriva de una fuente renovable que podría ser suministrada de manera sostenible (Huang et al., 2010), por lo que disminuye la dependencia al petróleo y presenta diferentes ventajas frente al diesel como que es biodegradable y menos tóxico (Miao y Wu, 2006; Xue et al., 2006), además no contiene compuestos aromáticos, tiene un perfil más favorable de gases de combustión (tal como una baja emisión de monóxido de carbono, azufre, partículas en suspensión e hidrocarburos sin quemar) (Halek et al., 2009; Widjaja et al., 2009; Huang et al., 2010); su punto de ignición es relativamente alto (150 °C) lo que lo hace menos volátil y más seguro de transportar o manejar; su número de cetano es mayor; lo que otorga ventajas al proceso de combustión; posee propiedades lubricantes que reducen el desgaste de los motores y extiende su vida útil (Huang et al., 2010). Sin embargo, las emisiones de óxidos de nitrógeno pueden aumentar y el uso de biodiesel puro (B100) puede generar problemas de arranque en frío, por lo que el tanque de combustible requeriría calefacción en climas con temperaturas bajas y la substitución de algunos materiales empleados en mangueras, juntas, etc. por elastómeros compatibles con el biodiesel (Rosillo, 2006).

El biodiesel ha ido ganando popularidad mundial como fuente de energía renovable debido a sus ventajas económicas, ambientales y sociales. Los cinco principales productores de biodiesel en el mundo son Estados Unidos, Alemania, Francia, Argentina y Brasil. Se espera que con los incentivos de los gobiernos para aumentar la producción y consumo de combustibles renovables, la producción mundial de biodiesel se incremente de 21,4 billones de litros en el 2011 a 45,3 billones de litros en el 2020 (Global Data, 2010).

Aunque desde hace más de veinte años se han venido realizando investigaciones para obtener biodiesel a partir de aceite microalgal (Nagle y Lemke, 1990), en la última década este tema ha ganado mucha fuerza, especialmente en el sector privado y académico. En el entorno laboratorio, investigadores de todo el mundo han demostrado el potencial de varias especies de microalgas como materia prima para producir biodiesel, se destaca el trabajo financiado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, sobre especies acuáticas, realizado de 1978 a 1996 por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL por sus siglas en inglés) con el objetivo de producir biodiesel a partir de aceite de microalgas cultivadas en estanques, utilizando como fuente de carbono el CO₂ liberado en centrales termoeléctricas. En dicha investigación se lograron avances importantes en la manipulación del metabolismo de las algas y en la ingeniería de los sistemas de producció n (Sheehan et al., 1998). Estos y otros resultados han despertado el interés de algunas compañías por invertir en la búsqueda de estrategias de cultivo de especies de microalgas denominadas oleaginosas para producir biocombustibles para diferentes usos. Estas empresas se encuentran ubicadas en Estados Unidos (78 %), Europa (13 %) y el resto del mundo (9 %) (Singh y Gu, 2010).

Mientras que algunas compañías como Solazyme (www.solazyme.com), Aurora Algae (www.aurorainc.com), Bionavitas (www.bionavitas.com), Seambiotic (www.seambiotic.com) y Solix (www.solixbiofuels.com) se han enfocado en la búsqueda de estrategias de cultivo para mejorar la productividad de los lípidos en las microalgas, otras como OriginOil (http://www.originoil.com) están interesadas en encontrar métodos de cosecha de la biomasa, extracción del aceite o en los procesos para producir el combustible, incluso para aviones como Algae.Tec Ltd. (http://algaetec.com.au), Dynamic Fuels (www.dynamicfuelsllc.com), Solazyme (http://solazyme.com), General Atomics (http://www.ga.com); la gran mayoría trabajando bajo el concepto de biorefinería para aprovechar de manera integral la biomasa y minimizar costos.

Actualmente en el mundo se están invirtiendo muchos recursos para investigación, dirigida a minimizar los costos de la materia prima para la obtención de biodiesel (Li et al., 2007), algunos estudios recientes se han inclinado en el uso de semillas de jatropha y karanja y de microalgas como fuente de lípidos, sin embargo, para que cualquiera de ellas pueda sustituir eventualmente los combustibles fósiles debe tener características como ser competitiva en cuanto a su precio con respecto a los combustibles derivados del petróleo, requerir poca cantidad de suelo y agua, que contribuya a mejorar la calidad del aire (por ejemplo, que en su proceso de producción se utilice CO₂), que exista en cantidad suficiente para que dicha producción tenga un impacto significativo en la demanda y que proporcione una ganancia neta de energía sobre la demandada para producirlo (Demirbas, 2009; Meng et al., 2009). Un aspecto de vital importancia es que el biocombustible obtenido cumpla con las especificaciones de calidad internacionales (ASTM D6751; EN 14214). El uso de microalgas podría cumplir estas condiciones, y por lo tanto, contribuir de manera significativa a la resolución de la demanda de energía primaria y al mismo tiempo, proporcionar beneficios ambientales a través de la captura de CO₂ (Wang et al., 2008; Brennan y Owende, 2010). Las ventajas del uso de microalgas para la obtención de biodiesel ya han sido demostradas, sin embargo, aún no se ha definido una cepa ideal, dada la diversidad de factores que influyen en la productividad de los lípidos y por ende en el costo de producción del biodiesel. En esta revisión se muestran de manera cronológica los esfuerzos que se han venido invirtiendo en los últimos 20 años para determinar la influencia de algunos parámetros del cultivo de microalgas sobre la productividad de los lípidos y el perfil de ácidos grasos que los componen.

MICROALGAS COMO FUENTE DE LÍPIDOS PARA LA OBTENCIÓN DE BIODIESEL

El interés en las microalgas para la producción de biodiesel se debe a su alto contenido de lípidos en algunas especies y al hecho de que la síntesis de estos, especialmente de triglicéridos (TG) no polares (que son el mejor sustrato para la producción de biodiesel), puede ser manipulada por cambios de las condiciones de cultivo. Adicionalmente, las microalgas poseen algunas ventajas sobre otras materias primas disponibles, entre las que se pueden mencionar:

– Tasa de crecimiento elevada, duplicando su biomasa en aproximadamente 24 horas (Meng et al., 2009).

– Periodos de cosecha muy cortos (menores a diez días dependiendo del proceso), lo que permite múltiples o continuas cosechas a diferencia de las plantas que se cosechan una o dos veces por año (Vyas et al., 2010).

– Cálculos teóricos estiman que las microalgas tienen el potencial para producir mayor cantidad de biomasa y de aceite por hectárea que cualquier planta oleaginosa (Chisti, 2007; Mata et al., 2010).

– Fácil cultivo, crecen casi en cualquier lugar y solo necesitan luz del sol y algunos nutrientes. Pueden cultivarse en zonas áridas y semiáridas, donde no pueden desarrollarse cultivos agrícolas, pueden utilizar agua no potable y su cultivo no requiere la adición de herbicidas o pesticidas (Avagyan, 2008).

– Capaces de fijar grandes cantidades de CO₂ (Amin, 2009; Sydney et al., 2010), su demanda estequiométrica de CO₂ es de aproximadamente 1,7 kg de CO₂/kg de biomasa seca (Packer, 2009; Posten y Schaub, 2009; Rodolfi et al., 2009), lo que permitiría acoplar su producción a una corriente de gases de combustión industrial para disminuir el efecto invernadero y contribuir al restablecimiento del equilibrio térmico del planeta (Lim y Teong, 2010).

– Capacidad para utilizar los nutrientes de aguas residuales en su crecimiento (especialmente nitrógeno y fósforo) (Xue et al., 2006; Kim et al., 2007; Chinnasamy et al., 2010; Xin et al., 2010a, Xin et al., 2010b), podría disminuir el costo del medio de cultivo y evitar la descarga de estos nutrientes a cuerpos de agua.

– La biomasa residual, posterior a la extracción de los lípidos, encuentra aplicación en las industrias alimentaria, farmacéutica, agropecuaria e incluso en la producción de alcoholes combustibles y en la generación de energía (Wang et al., 2008; Zamalloa et al., 2012)

Aun cuando las microalgas tienen tasas de crecimiento superiores y su fotosíntesis es más eficiente que la de las plantas terrestres (Chisti, 2007; Li et al., 2008; Liu et al., 2008), un obstáculo importante para la producción de su aceite es el costo relativamente elevado, lo cual se espera superar con el avance tecnológico. El principal reto para el desarrollo de un proceso de producción de biodiesel a partir de aceite de microalgas es la obtención de los lípidos a un costo competitivo, esto puede lograrse a través de la selección de las mejores cepas y condiciones de cultivo que permitan alcanzar la máxima productividad de lípidos con un perfil de ácidos grasos que otorgue calidad al biodiesel; la comercialización de diferentes subproductos como la torta de biomasa residual y la glicerina del proceso de transesterificación; y la disminución de los costos de cosecha, extracción de lípidos y su conversión a biodiesel (Demirbas, 2003; Brennan y Owende, 2010). Un factor importante para el éxito global de la producción de biocombustibles, es la selección de la cepa de microalga, por lo que esta debe hacerse de acuerdo a factores como la productividad de los lípidos, expresada como cantidad de lípidos por unidad de volumen y de tiempo (g de lípidos/l.d) y su capacidad de adaptarse a ambientes extremos (temperatura, salinidad, pH, etc.) (Brennan y Owende, 2010).

Las microalgas bajo condiciones normales de cultivo presentan un contenido de lípidos que por lo general varia entre el 20 y el 50 % de su peso seco, sin embargo cuando son sometidas a situaciones de estrés, frecuentemente incrementan su fracción lipídica, por lo que se han reportado valores en rangos más amplios como se señala en la Tabla 1. Las especies predominantes de microalgas para la obtención de lípidos y su posterior conversión a biodiesel se encuentran dentro del grupo de las algas verdes. De acuerdo al Instituto de Investigación en Energía Solar (SERI por sus siglas en inglés), las especies más prometedoras son Nannochloropsis salina y Dunaliella salina por su elevada concentración de ácidos grasos. De igual forma, el NREL en Estados Unidos reportó que Dunaliella, Scenedesmus y Chlorella son los géneros más populares que se han cultivado con éxito a escala comercial para la obtención de biodiesel (Sheehan et al., 1998). En la tabla 1 se presenta el porcentaje en peso de lípidos de algunas microalgas y se pueden apreciar diferencias significativas entre géneros y especies.

Aun cuando bajo condiciones de estrés algunas microalgas pueden alcanzar contenidos de lípidos superiores al 40 %, la calidad del biodiesel es considerablemente afectada por la composición de los ácidos grasos de los lípidos (Knothe, 2008). No todos los lípidos resultan satisfactorios para la obtención de biodiesel, por ejemplo, los lípidos producidos por Botryococcus braunii son en su mayoría grandes moléculas de hidrocarburos que resultan ideales para la producción de biocombustibles líquidos por medio de licuefacción o pirólisis, pero no pueden ser utilizados para la producción de biodiesel por transesterificación. Los triglicéridos ricos en ácidos grasos poliinsaturados son menos deseables para la producción de biodiesel, pues disminuyen el número de cetano y la estabilidad a la oxidación del combustible; mientras que triglicéridos ricos en ácidos grasos saturados y monoinsaturados en el intervalo de C16 C20, especialmente en ácido oleico resultan ideales para la producción de biodiesel (Imahara et al., 2006; Meng et al., 2009, Ramos et al., 2009). Hasta el momento no se conoce una cepa de microalga capaz de satisfacer al mismo tiempo todos los requisitos que permitan considerarla como materia prima óptima para la producción de biocombustibles. En este sentido, es pertinente la identificación de una cepa adecuada de microalga para cultivo masivo y conocer su respuesta a diferentes condiciones de cultivo. En la producción comercial de microalgas resulta clave la adaptación de la cepa a su medio ambiente local, de tal forma que esta sea capaz de resistir tanto las condiciones ambientales como a los invasores locales, lo que constituye una clara ventaja de las cepas autóctonas sobre cepas introducidas, por tanto el aislamiento y caracterización de cepas locales para la producción de biocombustibles debe ser considerado.

ETAPAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS

El proceso de producción de biodiesel a partir de microalgas (Fig. 1), se inicia con el cultivo de la cepa para la obtención de biomasa con una alta productividad de lípidos, seguido de la separación de la biomasa del medio de cultivo y posterior extracción de los lípidos para finalmente obtener el biodiesel por una reacción de transesterificación, de forma similar a como se produce a partir de cualquier aceite vegetal.

CULTIVO DE MICROALGAS

En general, las microalgas dependen para su crecimiento de un suministro de carbono y de una fuente de luz para realizar la fotosíntesis. Sin embargo, como respuesta a cambios en las condiciones ambientales, pueden poner en funcionamiento diversos tipos de metabolismo (fotoautotrófico, heterotrófico, mixotrófico, fotoheterotrófico). Al considerar el empleo de microalgas para la producción de biodiesel, es importante definir cuantitativamente la influencia de factores que intervienen en su crecimiento y que favorecen la producción de lípidos, así como su interrelación para poder manipularlos en la obtención de biomasa con determinadas características. Está demostrado que tanto el contenido de lípidos como el perfil de ácidos grasos de las microalgas varía no solo entre especies sino también en función de las condiciones del cultivo (Miao y Wu, 2006; Hu et al., 2008; Converti et al., 2009; Meng et al., 2009; Mata et al., 2010), del periodo de cosecha y la edad del cultivo (Mandal y Mallick, 2009; Widjaja et al., 2009). Entre las condiciones de cultivo afectan factores abióticos como la concentración de nutrientes, la calidad y cantidad de luz, la temperatura, el O₂, el CO₂, el pH, la salinidad y factores operacionales como mezclado y la edad del cultivo. En la tabla 2 se presenta el contenido y productividad de lípidos de varias especies de microalgas bajo diversas condiciones de cultivo, en las siguientes secciones se discute en detalle el efecto de cada parámetro del cultivo sobre la acumulación de lípidos y el perfil lipídico.

EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE NUTRIENTES

El nitrógeno ha sido demostrado como el principal regulador en el crecimiento y acumulación de lípidos (Rodolfi et al., 2009 Yeh y Chang, 2012). Cuando un cultivo es expuesto a una intensidad luminosa adecuada, pero con limitación de nutrientes, se disminuye la tasa de división celular (aunque se sigue convirtiendo energía solar en energía química), pero a menor velocidad y como mecanismo de supervivencia, entonces se desvía el flujo de carbono fijado por la fotosíntesis a síntesis de lípidos o carbohidratos (Meng et al., 2009; Pruvost et al., 2009; Rodolfi et al., 2009). Dado que la disminución de nutrientes limita el crecimiento celular, al momento de seleccionar las condiciones de cultivo que favorezcan la acumulación de lípidos, es necesario maximizar su productividad volumétrica para cada cepa.

Las investigaciones realizadas para inducir la síntesis de lípidos a pequeña escala, concuerdan que bajo condiciones limitantes de nitrógeno se reduce el crecimiento, mientras que existe una gran variación en el contenido de lípidos y su perfil de ácidos grasos. Algunas especies del género Chlorella acumulan almidón en condiciones de deficiencia de nitrógeno, mientras que otras acumulan lípidos predominantemente neutros (Illman et al., 2000). Las microalgas son capaces de crecer y sintetizar lípidos empleando diversas fuentes de nitrógeno, y se ha reportado al nitrato como la mejor fuente de nitrógeno para Chlorella protothecoides (Shen et al., 2009, Shen et al., 2010), Dunaliella tertiolecta (Chen et al., 2011b) y Neochloris oleoabundans (Li et al., 2008). Mientras que Scenedesmus dimorphus y Scenedesmus rubescens presentaron mayor afinidad por urea y amonio, respectivamente (Shen et al., 2009; Lin y Lin, 2011) y en Chlorella saccharophila se observó mejor crecimiento con peptona como fuente de nitrógeno que con nitrato y amonio (Isleten et al., 2012).

Por el contrario, Rodolfi et al. (2009) observaron que la disminución en el contenido de nitrógeno no afectó la acumulación de lípidos de Chlorella sp. y Scenedesmus sp. Damiani et al., 2010 reportaron para Haematococcus pluvialis una disminución en el contenido de lípidos al asociar bajas concentraciones de nitrógeno con una alta intensidad de luz. La limitación combinada de nutrientes (N, K, P) favoreció la acumulación de lípidos en Chlorella sp. (Praveenkumar et al., 2012) y algunas especies del género Scenedesmus. Como se ha mencionado el género Scenedesmus en condiciones normales de cultivo posee un contenido de lípidos entre 9 % - 21 % (Mandal y Mallick, 2009; Xin et al., 2010c; Arias et al., 2011b; Lin et al., 2012) y la limitación combinada de nitrato y fosfato estimuló su acumulación hasta un 53 % pero con bajas productividades de lípidos (Mandal y Mallick, 2009; Xin et al., 2010c; Tan y Lin, 2011). De igual forma se ha reportado que la adición de hierro al medio de cultivo promueve la acumulación de lípidos, como se observó en Chlorella vulgaris (Liu et al., 2008) y Scenedesmus rubescens (Lin et al., 2012).

EFECTO DE LA FUENTE DE CARBONO

Dependiendo del tipo de metabolismo utilizado por las microalgas para su crecimiento, la fuente de carbono puede ser orgánica (glucosa, acetato, glicerol, fructosa, entre otras), o inorgánica (CO₂). Fotoautotróficamente, las microalgas utilizan la luz como fuente de energía y el CO₂ como fuente de carbono para obtener energía química a través de la fotosíntesis (Huang et al., 2010); heterotróficamente, las microalgas en ausencia de luz utilizan solo compuestos orgánicos como fuente de carbono y energía, (Chojnacka y Marquez, 2004); mixotróficamente, utilizan carbono orgánico e inorgánico como fuente de carbono y captan la energía de la luz y del carbono orgánico (Chen et al., 2011a). La principal diferencia entre cultivos mixotróficos y fotoheterotróficos es que estos últimos requieren de luz para la incorporación del carbono orgánico. Por lo tanto, este tipo de cultivo necesita de luz y azúcares al mismo tiempo, la utilización de este tipo de cultivo para la producción de lípidos en microalgas es poco común.

Las microalgas fotoautótrofas pueden fijar CO₂ de tres fuentes diferentes: de la at- mósfera, de los gases exhaustos de la industria o en forma de carbonatos solubles como Na₂CO₃ y NaHCO₃ (Wang et al., 2008). La concentración de CO₂ en la atmósfera es de 0,03 - 0,06 % (0,36 mg/ml) y la mayoría de las microalgas pueden tolerar niveles más elevados de CO₂, por lo general hasta 150 mg/ml, por lo que los gases de combustión de plantas de energía, que contienen hasta en 15 % de CO₂, pueden ser alimentados al medio de cultivo de las microalgas (Brennan y Owende, 2010). Las condiciones fotoautotróficas han sido las más utilizadas para el cultivo de microalgas con fines de obtención de biodiesel y existe una gran variación en el contenido de lípidos obtenidos que va desde el 11 % al 63 %, dependiendo de la especie, generalmente asociado a la limitación de nitrógeno, adición de CO₂ e incremento de la intensidad luminosa, para aumentar el contenido de lípidos en la biomasa (Tabla 2).

Diversos autores evaluaron el efecto del CO₂ sobre el crecimiento y contenido celular de lípidos de microalgas, estos mostraron que la capacidad de asimilar CO₂ varia con la especie y en algunas microalgas (Chiu et al., 2008; Chiu et al., 2009; Sforza et al., 2012), altas concentraciones de CO₂ podrían inhibir el crecimiento celular, mientras que la adición de un 2 % al medio de cultivo de Chlorella sp. y Nannochloropsis oculata (Chiu et al., 2008; Chiu et al., 2009) y de un 5 % al de Chlorella protothecoides (Sforza et al., 2012), en condiciones limitadas de nitrógeno, estimuló la productividad de los lípidos. De forma similar Tang et al., 2011a, evaluaron la capacidad de Scenedesmus obliquus y Chlorella pyrenoidosa para fijar CO₂ y acumular lípidos en el intervalo de 0,03 % - 50 % de CO₂ y encontraron que las dos microalgas pueden crecer en todo el intervalo estudiado, pero la mayor productividad de biomasa se presentó a 5 % y 10 % de CO₂ para S. obliquus y C. pyrenoidosa respectivamente, además de que altos niveles de CO₂ (> 30 %) favorecieron la acumulación de lípidos.

Algunas especies de microalgas presentan mayor velocidad de crecimiento (Azma et al., 2011; Liu et al., 2011) y productividad de lípidos (Xiong et al., 2008; Shen et al., 2009; Shen et al., 2010; Azma et al., 2011) en condiciones heterotróficas. Entre las especies aptas para el cultivo heterotrófico, Chlorella ha sido ampliamente estudiada, en especial Chlorella protothecoides ha mostrado a nivel laboratorio, en cultivos con glucosa y bajas concentraciones de nitrógeno, valores de lípidos 3,4 veces mayores que en condiciones fotoautotróficas (Miao y Wu, 2004; Miao y Wu, 2006) y valores de productividad de lípidos entre 654 mg/l.d y 3702 mg/l.d (Xu et al., 2006; Xiong et al., 2008; Shen et al., 2009; Shen et al., 2010).

De igual forma, Liu et al., 2011 reportaron que al cultivar células de Chlorella zofingiensis con 30 g/l de glucosa en la oscuridad, se obtuvo un rendimiento mayor de biomasa (411 %), lípidos totales (98 %) y una productividad de lípidos de 354 mg/l.d equivalente a 911 % comparado con células el cultivo fotoautotrófico, predominando los lípidos neutros, especialmente triglicéridos. De igual forma Azma et al. (2011), en un cultivo de Tetraselmis suecica creciendo en condiciones heterotróficas con un medio de cultivo optimizado, reportaron una concentración celular de 28,88 g/l, tres veces superior a la obtenida en cultivo fotoautotrófico (8,40 g/l) y el contenido de lípidos se duplicó obteniendo una productividad de lípidos de 2582 mg/l.d . Aun cuando el cultivo heterotrófico podría evitar los problemas asociados con la limitación de luz ocasionada por la alta densidad celular en fotobiorreactores grandes en cultivos fototróficos, pocas especies pueden crecer heterotróficamente, además de que este tipo de cultivo tiene varias limitaciones entre las que se pueden mencionar los problemas de contaminación en cultivos abiertos y el costo del sustrato; por esta razón algunos estudios se han centrado en la búsqueda de fuentes de carbono orgánico más económicas, como residuos orgánicos industriales o aguas residuales municipales. Xu et al. (2006), utilizaron polvo de maíz hidrolizado en lugar de glucosa para cultivar Chlorella protothecoides, lo que resultó en una alta producción de biomasa (2 g/l.d), un contenido de lípidos cuatro veces mayor que en condiciones fotoautotróficas (55,2 %) y una alta productividad de lípidos (932 mg/l.d).

El cultivo mixotrófico también ha mostrado ser una buena estrategia para aumentar la productividad de lípidos en algunas especies de Chlorella (Liang et al., 2009; Cheirsilp y Torpee, 2012; Yeh y Chang, 2012) con el beneficio adicional de que se producen metabolitos fotosintéticos como β -caroteno, astaxantina y luteína. Liang et al., 2009 evaluaron la productividad de lípidos de Chlorella vulgaris en condiciones fotoautotróficas, heterotróficas y mixotróficas y encontraron que la velocidad de crecimiento en condiciones fotoautotróficas fue mucho menor comparada con el crecimiento heterotrófico y la mayor productividad de lípidos de 54± 2 mg/l.d se obtuvo en condiciones mixotróficas con 1 % de glucosa y luz. Por otra parte, Yeh et al. (2012) evaluaron el crecimiento y contenido de lípidos de Chlorella vulgaris en cultivo fotoheterotrófico con diferentes fuentes de carbono carbono (glucosa, fructosa, sacarosa, glicerol, acetato de sodio y ácido acético) encontrando que con ácido acético se obtuvo la mayor productividad de lípidos de 78 mg/l.d con un contenido de lípidos del 50 %.

Recientemente Zheng et al., 2012 reportaron las ventajas de utilizar células heterótrofas como inóculo de un cultivo fotoautotrófico en estanques abiertos para la producción a gran escala de biomasa con alto contenido de lípidos de Chlorella sorokiniana; adicionalmente compararon el desempeño de cultivos fotoautotróficos y heterotróficos encontrando que la velocidad de crecimiento, la densidad celular y la productividad fueron hasta 7,4 veces mayor bajo condiciones heterotróficas.

Un aspecto importante a considerar en el cultivo de una especie microalgal, para la producción de biocombustibles, es sí la acumulación de lípidos se ve afectada por la exposición del cultivo a diferentes regímenes de luz; por lo que es necesario considerar su intensidad, su calidad espectral y la necesidad de establecer un fotoperiodo. La intensidad luminosa influye notablemente en la actividad fotosintética, el contenido de pigmentos y composición química de la microalga.

Cultivos de Scenedesmus obliquus fueron inhibidos a valores superiores a 297,5 µE/m².s y presentaron características similares, incluso en el perfil de ácidos grasos, a los cultivos heterótrofos, tendencia que se hizo más evidente al incrementar la cantidad de luz recibida (Gassan et al., 2009); mientras que un aumento en la intensidad de 2000 a 8000 lux (39 - 156 µE/m².s) favoreció el crecimiento de la microalga marina Chlorella sp., pero el incremento hasta 10000 lux (195 µE/m².s) lo disminuyó ligeramente, no así para Nannochloropsis sp. que creció en forma continua en todo el rango de luz evaluado (39 - 195 µE/m².s) mostrando una gran capacidad de aclimatación a la luz (Cheirsilp y Torpee, 2012). De igual forma, Simionato et al., 2011 observaron tasas de crecimiento similares para Nannochloropsis gaditana en una amplia gama de irradiaciones y solo se observaron diferencias bajo condiciones extremas; los cultivos expuestos a intensidades de luz del orden de 5 µE/m².s crecieron lentamente mientras los cultivos sometidos a valores mayores de 1200 µE/m².s alcanzaron la fase estacionaria rápidamente y el número de células al final fue inferior.

Con respecto al contenido de lípidos, algunos reportes evidencian que la capacidad de acumulación de lípidos se ve reforzada al aumentar la intensidad de luz en cultivos como en Haematococcus pluvialis (Damiani et al., 2010) y Nannochloropsis sp. (Rodolfi et al., 2009). En contraste, Cheirsilp y Torpee (2012) reportaron que mientras para obtener una alta concentración de biomasa de las microalgas marinas Chlorella sp. y Nannochloropsis sp., es necesario aumentar la intensidad de luz por encima de 117 µE/m².s, intensidades de luz menores de este valor son más favorables para la acumulación de lípidos.

Estudios realizados por Simionato et al. (2011) con Nannochloropsis gaditana, revelaron que su acumulación ocurre durante la fase estacionaria y el grado de acumulación fue muy similar para todas las irradiaciones (5 - 200 µE/m².s), aunque a valores mayores de 1200 µE/m².s la síntesis de lípidos se inició más temprano y en las células con una iluminación menor a 100 µE/m².s la acumulación de lípidos duró más tiempo; concluyendo que la intensidad de la luz por sí sola no parece inducir directamente la acumulación de lípidos, pero el exceso de iluminación puede aumentar el efecto de otros factores de estrés. Tal fenómeno también fue observado por Pal et al., 2011 para Nannochloropsis sp., cuando el aumento de la intensidad de luz fue asociado a una alta salinidad y por Cheirsilp y Torpee (2012) para las microalgas marinas Chlorella sp. y Nannochloropsis sp. al conseguir doblar el contenido de lípidos cuando se cambió de cultivo en lote a lote alimentado, aumentando gradualmente la intensidad de luz.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

Las variaciones de temperatura provocan cambios en la velocidad de crecimiento, en el contenido de lípidos y en la composición de los ácidos grasos en la célula, además de que los efectos son específicos para cada especie. Algunas cepas marinas como Nitzschia closterium e Isochrysis sp., tuvieron un crecimiento muy lento a 35 ºC, mientras que cul- tivos de Nitzschia closterium no crecieron a temperaturas superiores a 30 ºC o inferiores a 20 ºC y Nitzschia paleacea resultó más tolerante a una temperatura de 10 ºC (Renaud et al., 1995). Estudios realizados por Converti et al., 2009 mostraron que en cultivos de Nannochloropsis oculata al modificar la temperatura de 25 a 20 ºC el contenido de lípidos disminuyó de 13,89 a 7,9 % pero al disminuir hasta 15 ºC se incrementó nuevamente hasta 14,92 sin embargo como la tasa de crecimiento se vio afectada por los cambios de temperatura, la productividad de los lípidos no presentó variación, por el contrario el crecimiento de Chlorella vulgaris se vio afectado a temperaturas superiores a los 35 ºC y una variación en la temperatura de 30 a 25 ºC permitió un incremento en el contenido de lípidos de 5,9 a 14,7 % y como la tasa de crecimiento no se vio afectada a estas temperaturas, la productividad de los lípidos aumentó de 8 a 20 mg/l.d.

Raghavan et al., 2008 evaluaron el efecto de la temperatura, el nivel de CO₂ y la salinidad sobre el crecimiento y composición de la diatomea Chaetoceros calcitrans y encontraron que el contenido de lípidos fue mayor a temperaturas entre 20 y 25ºC y que este no se afectó por la adición de CO₂ y que disminuyó al aumentar la salinidad.

EFECTO DE LOS FACTORES OPERACIONALES

La agitación de los cultivos de microalgas es necesaria para evitar la sedimentación celular y para asegurar su exposición uniforme a la luz y a los nutrientes, además de que favorece el intercambio de gases entre el medio de cultivo y el medio externo. Un mezclado inadecuado, reduce la productividad de biomasa y puede ocurrir muerte celular y fermentación del cultivo.

Además de los factores discutidos anteriormente, la fase de crecimiento en que se encuentra el cultivo y su edad, afectan también el contenido y composición de los ácidos grasos de la biomasa. Generalmente el contenido de lípidos de las microalgas durante la fase exponencial de crecimiento es menor o igual a 15 % en base seca, porque estos compuestos solo se acumulan cuando las células están bajo condiciones de estrés fisiológico, lo cual generalmente está asociado a condiciones de limitación de nutrientes (Li et al., 2008). En cultivos de Nannochloropsis oculata se encontró que la acumulación de lípidos al pasar de la fase logarítmica a la estacionaria aumentó significativamente del 30,8 % al 50,4 % (Chiu et al., 2009).

Se ha observado que el contenido de lípidos es mayor en la fase estacionaria de crecimiento que en la fase exponencial. Bigogno et al., 2002 determinaron en Parietochloris incisa un alto contenido de triacilgliceroles (43 % del total de ácidos grasos) en la fase logarítmica, el cual aumentó hasta 77 % en la fase estacionaria. El tiempo de incubación del cultivo no solo afecta la acumulación de lípidos en la microalga, sino que también genera un cambio gradual en la composición de ellos. En un estudio realizado con Chlorella vulgaris se observó que un tiempo mayor de incubación previo a la transferencia de las células a un medio sin nitrógeno produjo un mayor contenido de lípidos y que un tiempo mayor de permanencia en el medio sin nitrógeno incrementó el contenido de lípidos, especialmente de triglicéridos, lo cual indica que es posible obtener una mayor productividad de lípidos variando no solo el tiempo de incubación inicial en un medio de cultivo sin modificación sino también el tiempo en que la microalga permanece bajo condiciones de estrés (Widjaja et al., 2009).

Estudios recientes sugieren un proceso para la producción de lípidos de dos etapas, en la primera las células se cultivan con suficientes nutrientes, seguido de su cultivo en condiciones limitadas de nutrientes (Rodolfi et al., 2009; Widjaja et al., 2009; Beal et al., 2010; Ho et al., 2010; Praveenkumar et al., 2012) o el uso de condiciones de estrés que incrementen el contenido específico de lípidos en cortos periodos de tiempo. Respecto a este último, diversos autores reportan que para el caso del género Nannochloropsis el incremento en la salinidad favorece la acumulación de lípidos en menos de 72 horas (Martinez et al., 2011; Pal et al., 2011), lo que en un proceso a gran escala podría considerarse como un cultivo continuo.

Al realizar un cálculo del rendimiento de la biomasa y de los lípidos para una microalga, podríamos considerar lo publicado por Torzillo et al., 2010 para un cultivo de Nannochloropsis en condiciones a la intemperie, quienes hallaron una productividad superficial máxima de biomasa de 5,8 g/m².d y un contenido de lípidos de 43,4 % reportado por Martinez et al., 2011 en condiciones de estrés por salinidad. Considerando 300 días de operación de planta se obtiene un rendimiento de biomasa de 17,4 t/ha.a y un rendimiento de aceite de 7,55 t/ha.a. Si los datos anteriores se comparan con el rendimiento de aceite alcanzado por el cultivo de palma (Elaeis guineensis) de 3,5 t/ha.a (Bourgis et al., 2011) se demuestra teóricamente que con el empleo de las microalgas se podría producir la misma cantidad de aceite empleando tan solo el 50 % del terreno necesario para hacerlo a partir de palma aceitera, además de que podría ser un terreno no apto para la agricultura.

VARIACIÓN DEL PERFIL LIPÍDICO CON LAS CONDICIONES DE CULTIVO

Debido a que las propiedades del biodiesel se ven influidas por la calidad de los lípidos a partir de los cuales se ha producido, para obtener biodiesel de calidad es necesario asegurarse que los lípidos contengan ácidos grasos de cadena larga con un bajo grado de insaturación (preferentemente los ácidos palmitoleico (16:1), oleico (18:1) y mirístico (14:0) que permitan disminuir las emisiones tóxicas y mejorar las propiedades del biocombustible (número de cetano, estabilidad oxidativa) sin comprometer sus características de flujo (punto de nube), viscosidad y lubricidad (Knothe, 2005; Chisti, 2007; Knothe, 2008; Schenk et al., 2008). La norma EN 14214 limita el contenido de ácido linolénico (C18:3) y de los ácidos poliinsaturados con cuatro enlaces dobles o más, a 12 % y 1 % respectivamente.

Los cultivos limitados en nitrógeno mostraron una tendencia generalizada a incrementar el contenido de ácidos grasos saturados y monoinsaturados y disminuir los poliinsaturados, mientras que al aumentar la concentración de este nutriente, se observa un incremento en la proporción de ácidos grasos poliinsaturados. Así, Nannochloropsis sp. en un medio limitado en nitrógeno después de cinco días presentó un incremento en los ácidos grasos mirístico (de 0,7 % a 2,9 %), palmítico (de 4,8 % a 19,8 %), palmitoleico (de 3,9 % a 15,1 %) y oleico (de 0,7 % a 6,8 %) (Rodolfi et al., 2009) y al evaluar el efecto de la salinidad, la intensidad de luz y la disponibilidad de nitrógeno Pal et al., 2011, evidenciaron para la misma microalga la acumulación de los ácidos grasos palmítico y oleico en condiciones limitadas de nitrógeno sin importar el grado de luz o salinidad y en condiciones ricas en nitrógeno asociadas a alta intensidad de luz y salinidad; con una disminución de los ácidos grasos poliinsaturados (linoleico, araquidónico, eicosapentanoico).

Para Chlorella vulgaris , Yeh y Chang (2012) observaron que bajo condiciones fotoautotróficas y fotoheterotróficas, la disminución del nitrógeno en el medio de cultivo tiene un importante papel en la acumulación de los ácidos grasos palmítico y oleico y la disminución los ácidos grasos poliinsaturados. En condiciones mixotróficas Chlorella vulgaris presentó un perfil de lípidos compuesto principalmente por acido palmítico y acido oleico (50 % - 62 %) independientemente de la concentración de nitrógeno en el medio. Para Scenedesmus rubescens la limitación de nutrientes al aumentar el tiempo de cultivo, claramente evidenció un aumento en el ácido oleico (de 16 % a 54 %) y la disminución en los ácidos linoleico y linolénico (Tan y Lin, 2011). Resultados similares fueron reportados por Arias y Cañizares (2011) y Arias et al., 2011a, para Scenedesmus incrassatulus al observar un aumento del 78,8 % en el contenido de acido palmítico y de 133,4 % de ácido oleico al pasar de 6 a 11 días de cultivo.

Para Nannochloropsis sp. se evidenció un incremento en los ácidos grasos poliinsaturados (linoleico, araquidónico, eicosapentanoico, docosahexaenoico) al aumentar la concentración de nitrato y fosfato en el medio (Hu y Gao, 2006), mientras el contenido de ácido eicosapentanoico se incrementó en un medio rico solo en nitrógeno (Xu et al., 2004). En otros trabajos se estudió el efecto combinado de la fuente de carbono (bicarbonato o acetato) y los niveles de radiación en el crecimiento y perfil de ácidos grasos de la microalga marina Pavlova lutheri y se encontró que el crecimiento y la composición lipídica fueron más sensibles a las variaciones en la intensidad de luz que a la fuente de carbono; a una intensidad de luz de 20 µE/m².s el porcentaje de los ácidos grasos saturados fue de 25,8 % y 23,9 % con bicarbonato y acetato respectivamente y al aumentar la intensidad de luz a 340 µE/m².s los ácidos grasos saturados alcanzaron un valor de 29 % en el medio con bicarbonato y de 29,7 % el medio con acetato (Guihéneuf et al., 2009). Así mismo, en un cultivo de Nannochloropsis sp. un aumento de la intensidad de luz produjo un incremento en la productividad de la biomasa y el contenido de ácidos grasos, especialmente saturados (mirístico y palmítico) y monoinsaturados (palmitoleico y oleico) (Rodolfi et al., 2009).

El efecto de la adición de CO₂ al medio de cultivo presenta variabilidad en las microalgas, por ejemplo, para la marina Nannochloropsis sp., la adición de 2 % de CO₂ estimuló la acumulación de EPA (20:5n-3) (Hoshida et al., 2005), para Chlorella vulgaris, se ha reportado que la disminución del contenido de CO₂ en el medio de cultivo (de 2 % a 0,04 %) favorece la producción de ácidos grasos con mayor grado de insaturación como el ácido α-linolénico (Tsuzuki et al., 1990). Para Scenedesmus obliquus y Chlorella pyrenoidosa, Tang et al., 2011a, reportaron que independientemente del nivel de CO₂ los ácidos grasos mayoritarios son de 16 y 18 carbones y altos niveles de CO₂ (30 - 50 %) favorecieron la producción ácido linolénico. El perfil lipídico de Scenedesmus obliquus en medio rico en nutrientes con 10 % CO₂ está compuesto por 67 % de ácidos grasos de 16 y 18 carbones y la eliminación de los nutrientes del medio de cultivo favoreció su acumulación alcanzando cerca del 90 % del total de ácidos grasos con 31 % de ácido oleico después de seis días de cultivo bajo condiciones deficientes de nutrientes (Ho et al., 2010). Para Chlorella protothecoides Xiong et al., 2008 reportaron los ácidos palmítico, oleico y linoleico como los componentes principales del aceite microalgal, representando 80 % del contenido total de FAME. Generalmente, una baja intensidad luminosa induce la formación de lípidos polares (fosfolípidos y glucolípidos), los cuales están funcional y estructuralmente asociados a la membrana celular. En contraste, las altas intensidades luminosas disminuyen el contenido de lípidos polares y estimulan la producción de lípidos de reserva, principalmente triglicéridos (Solovchenko et al., 2008).

Con respecto a la temperatura se ha observado una relación inversa entre el porcentaje de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) (Renaud et al., 1995; Jiang y Chen, 2000; Renaud et al., 2002) debido a que la célula necesita mayor cantidad de PUFA para mantener la fluidez de la membrana celular o a que las bajas temperaturas conducen a un alto nivel de oxígeno molecular intracelular, lo cual mejora la actividad de las enzimas desaturasa y elongasa que participan en la biosíntesis de PUFA (Jiang y Chen, 2000). Renaud et al., 1995 y Renaud et al., 2002 en sus investigaciones con Isochrysis sp., Nitzschia closterium, Nitzschia paleacea, y cuatro especies de microalgas australianas Isochrysis sp., Rhodomonas sp., Cryptomonas sp. y Chaetoceros sp. encontraron altos niveles de PUFA a las temperaturas de crecimiento más bajas.

CONCLUSIÓN

A la luz de las investigaciones realizadas en las últimas dos décadas, el interés en el cultivo de microalgas como fuente potencial de lípidos para la producción de biodiesel de tercera generación es global, tanto en los países desarrollados como en los de economías emergentes. En el ambiente de laboratorio las microalgas han mostrado potencial debido a su alto contenido y productividad de lípidos, por lo que su rendimiento de aceite es mayor comparado con el de las plantas oleaginosas. Sin embargo, a pesar de los resultados prometedores que se han obtenido, para producir comercialmente el biodiesel a partir de microalgas, es necesaria más investigación para la producción masiva de las especies identificadas como potenciales, por su alta productividad de lípidos y su adecuado perfil de ácidos grasos.

Debido a la gran variabilidad de las respuestas que presenta cada especie a determinadas condiciones de cultivo, no existe una cepa ideal, sin embargo las más estudiadas y con potencial reconocido pertenecen a los géneros Chlorella , por su facilidad para crecer bajo condiciones autotróficas, heterotróficas y mixotróficas, en especial por su capacidad de desarrollarse en oscuridad total consumiendo una fuente orgánica de carbono, alcanzando altas productividades de lípidos; Scenedesmus, por su perfil lipídico rico en ácidos grasos saturados y monoinsaturados, su capacidad para utilizar los nutrientes presentes en las aguas residuales y su tolerancia a concentraciones elevadas de CO₂; Nannochloropsis, por su capacidad de adaptación a altas intensidades de luz y su acumulación de lípidos en periodos breves de tiempo, en condiciones de alta salinidad; Nannochloris, Dunaliella y Tetraselmis por su alto contenido de lípidos y su tolerancia a altas concentraciones de salinidad; Neochloris, por su alto contenido de lípidos en condiciones de alta intensidad de luz.

Debido a la gran variación de la productividad y del perfil lipídico de las microalgas en función de las condiciones de cultivo, sería conveniente mezclar aceites producidos por diversos géneros de microalgas, para asegurar el cumplimiento de las normas internacionales de calidad establecidas para el biodiesel. Finalmente, independientemente de la especie seleccionada para obtener lípidos que eventualmente puedan ser convertidos a biodiesel, el objetivo final es desarrollar un proceso rentable y económico para estar en posibilidades de competir con los combustibles fósiles. Debido a esto, se ha sugerido establecer un proceso que permita la producción de biodiesel y el aprovechamiento de otros coproductos obtenidos tanto a partir de la biomasa como del proceso de transesterificación.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece al CINVESTAV - IPN por el soporte técnico para el desarrollo de esta revisión y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT-México, por las becas otorgadas a Martha Arias Peñaranda y Alfredo de Jesús Martínez Roldán para realizar el Doctorado en Ciencias, especialidad Biotecnología en el CINVESTAV - IPN.

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