Estudio de las condiciones óptimas para la obtención de biomasa con Chlorella vulgaris

La necesidad de agudizar el ingenio

Probetas con microalgas cultivadas para biocombustibles por Biofuel Systems, en Alicante. 

En las últimas décadas se está observando un consumo abusivo, debido al crecimiento demográfico y a la mayor demanda, de los recursos naturales y un encarecimiento del precio de estos, esto unido a la producción de gases de efecto invernadero, que se generan en la combustión de estos recursos, es un gran problema en la sociedad. Por este motivo se ha planteado la necesidad de generar recursos alternativos renovables y biodegradables.

Las primeras alternativas que se generaron para solucionar este problema, fue el uso de biocombustibles de origen agrícola (aceites de soja, colza / canola, palma), pero este uso consume muchos recursos que pueden utilizarse para alimentación.

En Sudáfrica, uno de los países con mayor consumo de hidrocarburos y emisor de gases de efecto invernadero, se aisló de un lago de agua dulce (en la provincia de KwaZulu-Natal), un alga unicelular capaz de producir gran cantidad de lípidos en su interior, y fue identificada, mediante el análisis por PCR del ADN, como Chlorella vulgaris.

Recientes estudios demuestran que la producción de biomasa de microalgas, es un recurso que puede satisfacer la demanda mundial de combustible, además de existir más 40.000 especies diferentes capaces de producir y almacenar grandes cantidades de lípidos en su interior, tienen gran adaptabilidad para crecer, ya que se pueden cultivar en terrenos indeseables, requieren menos recursos y no necesitan suelo agrícola,  también tienen rápidas tasas de crecimiento, no dependen de las condiciones ambientales (lluvias, estaciones, latitud), y son de fácil crecimiento en biorreactores.

En la producción de biomasa de algas es necesario elegir la cantidad y calidad del aceite para la producción de los biocombustibles adecuados. Por esto, el estudio se centra en una cepa de microalgas (Chlorella vulgaris), para diseñar la forma más efectiva de producción de biomasa para biocombustible. Para ello, se les sometió a los cultivos, a variaciones en las concentraciones de CO₂ y nutrientes (nitratos y fosfatos), estudiando el comportamiento térmico de la biomasa durante la pirólisis por TGA (análisis gravimétrico térmico), y determinar la mejor intensidad de luz requerida para aumentar la producción de biomasa utilizando la técnica denominada PAM (basada en el análisis de la extinción de fluorescencia de la clorofila).

Se determinó que el mejor medio de cultivo para la producción de biomasa de Chlorella vulgaris es el BG-11 (en laboratorio).

Para un óptimo rendimiento del cultivo hay que tener en cuenta la intensidad de la luz, siendo ésta óptima entre 150-350 μmol de fotones m^-2 s^-1 (Detectada por PAM).

La cepa estudiada puede tolerar una concentración de CO₂ hasta un 4%, concentración a la cual se obtiene el mayor rendimiento de crecimiento de biomasa. Por encima de este nivel hay un efecto tóxico del CO₂ por la disminución del pH provocada por el aumento de la concentración del ácido carbónico que se produce.El rango de pH óptimo oscila entre 7.5 y 8.0.

El nitrato y el fosfato tienen un papel principal en el crecimiento de la cepa como nutrientes. En un medio rico en nitratos (concentración óptima 5gl^-1) se produce un crecimiento máximo. Aunque el fosfato intracelular es suficiente para las primeras divisiones, se obtiene un mayor rendimiento a una concentración de 0,04gl^-1.

En el análisis gravimétrico térmico en atmósfera de nitrógeno (TGA en condiciones anóxicas), se determinaron 3 etapas diferentes según se aumentaba la temperatura:

Journal of Bioscience and Bioengineering

Volume 111, Issue 3, March 2011, Pages 377–382

Primera etapa (inicio-230ºC): pérdida ligera de peso de la biomasa debida a la eliminación de agua.

Segunda etapa (230ºC-350ºC): proceso de pirólisis, este se basa en la descomposición de triglicéridos y otros compuestos orgánicos en moléculas más simples (como alcanos, alquenos y sustancias aromáticas). Estos productos simples se pueden transesterificar, modificar químicamente y así producir el biodiesel. En este paso se produce la pérdida de peso máximo.

Tercera etapa (350ºC-800ºC): pérdida de peso lenta y continuada debido a que se produce la descomposición casi total de la biomasa.

Con este procedimiento se evita, tener que romper las paredes celulares de las microalgas (paso crítico en otros métodos de extracción).

El contenido de lípidos máximo obtenido fue del 21% del peso seco en condiciones óptimas con las que se obtiene el mayor crecimiento de la biomasa y hasta un 40% en condiciones de estrés.

Pero, queda aún mucho por investigar hasta que se puedan obtener alternativas económicamente viables.


por Eva M. Soriano, Eva M. Brú, Anja Holz, Miguel Sánchez, Malva Puchades.

Referencia: Bhola et al. 2011, Effects of parameters affecting biomass yield and thermal behaviour of Chlorella vulgaris. Journal of Bioscience and Bioengineering.