IMAGEN: GRAN CENTRO DE CULTIVO Y EXPERIMENTACÓN
En el laboratorio, estos organismos microscópicos producen fertilizantes, fijan metales presentes en efluentes y ofrecen nuevas estrategias para los biocombustibles; El desafío es ampliar la escala.
Carlos Fioravanti
Dos grupos de investigación, uno en Curitiba, Paraná, y otro en São Carlos, en el interior de São Paulo, están desarrollando nuevas técnicas para producir biocombustibles a partir de microalgas. Estos organismos acuáticos unicelulares, que se encuentran entre los más antiguos del planeta, se reproducen rápidamente y se consideran potencias para producir biomasa y compuestos bioactivos. Además de realizar la fotosíntesis como las plantas, aprovechando la luz solar y el dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera, pueden utilizar fuentes orgánicas de carbono presentes en los residuos.
Como resultado, siempre que se encuentren en condiciones adecuadas de luz y temperatura, producen oxígeno y materia orgánica de la que, mediante diferentes procesos de separación, se pueden extraer compuestos químicos utilizados como combustibles, cosméticos o complementos alimenticios. En el laboratorio y en las plantas piloto, los microorganismos se han mostrado capaces de nutrirse de desechos –provenientes de la producción de petróleo y de etanol o incluso de la ganadería, como el cerdo, entre otros– y transformarlos en compuestos químicos útiles y ambientalmente aceptables. En todos los casos, sigue habiendo grandes dificultades para aumentar la escala de producción.
El Centro de Investigación y Desarrollo en Energía Autosostenible de la Universidad Federal de Paraná (NPDEAS-UFPR) viene realizando experimentos tratando de superar este problema. El objetivo a largo plazo del grupo es producir diésel verde, un biocombustible con una composición similar al diésel de petróleo. Uno de los estudios utiliza fotobiorreactores de escala industrial, con una capacidad de 12 mil litros. El paso inicial es la producción, en este equipo, de biomasa a partir de microalgas. Una vez cosechado, el material se seca y se disuelve en un solvente caliente, compuesto por una mezcla de compuestos químicos. En el siguiente paso, los investigadores eliminan el disolvente y, mediante destilación, separan los aceites resultantes.
Los primeros resultados indicaron que la tasa de conversión del concentrado de microalgas Tetradesmus obliquus en petróleo crudo podría alcanzar el 25%, un aumento considerable en comparación con el 10% actual. “Está avanzando bien”, afirma el ingeniero químico y petrolero Iago Gomes Costa, responsable de las obras. “Estamos en la fase de ajuste del rango de temperatura, pero ya logramos recuperar el solvente del concentrado, que podría ser reutilizado, y separar las fracciones del petróleo”.
Como se detalla en un artículo publicado en septiembre en el Journal of Environmental Management , al destilar petróleo crudo a partir de algas, los investigadores obtuvieron 25 compuestos diferentes, incluidos hidrocarburos como los alcanos, utilizados en el gas de cocina y la gasolina, y alquenos, materiales principales para los envases de plástico. La investigación de la UFPR es una de las pocas en el país que va más allá de la etapa de producción de biomasa a partir de microalgas.
Alexandre Affonso /
Otra posibilidad de producir biocombustibles con microalgas está siendo evaluada en el laboratorio de la bióloga Ana Teresa Lombardi, de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). A principios de septiembre, en una de las salas del laboratorio se realizó la primera prueba a una escala ligeramente mayor, en un tanque de 20 litros de capacidad. El objetivo era aumentar, quizás hasta un 70%, como ya se ha comprobado en pruebas a menor escala, el rendimiento de aceite de las microalgas mediante un proceso patentado por el equipo.
“Obtuvimos excelentes resultados estimulando las microalgas con nutrientes específicos, de modo que se mantiene el crecimiento y se genera biomasa con un alto contenido de aceite”, dice Lombardi. «El enfoque tradicional es someterlos a estrés, lo que detiene el crecimiento». La investigadora de la UFSCar pretende llevar sus resultados a aplicaciones industriales.
Trabajando de forma independiente, los equipos de la UFPR y de la UFSCar renuevan el interés científico y tecnológico por las microalgas. Hace unos 15 años, fueron vistos como una alternativa para paliar el exceso de CO 2 en la atmósfera, transformándolo en biocombustibles que podrían usarse en automóviles, aviones y barcos, con menores emisiones contaminantes que los combustibles fósiles.
Sin embargo, las microalgas no mostraron el rendimiento deseado. También se comprobó que la producción a escala comercial no sería viable y el precio final sería más del doble que el de los derivados del petróleo. Como resultado, muchas empresas que invirtieron en la producción de biocombustibles a partir de este microorganismo cerraron o cambiaron el foco de sus investigaciones. “La gran dificultad es pasar de la escala de producción de laboratorio, de 100 a mil litros, a la escala industrial, de 10 mil litros en adelante”, comenta el ingeniero agrónomo Sergio Goldemberg. En el laboratorio, equipos de centros de investigación y empresas identificaron los mejores rangos de temperatura, luz y combinaciones de nutrientes para que las microalgas formen la masa de la que se extraerán compuestos de interés comercial. Sin embargo, a medida que la producción aumentó a volúmenes 10 o 20 veces mayores, se hizo más difícil mantener una temperatura estable, porque la biodigestión genera calor. Como resultado, aumentó el riesgo de contaminación por bacterias y disminuyó el rendimiento, haciendo el proceso inviable.
La microalga Phaeodactylum tricornutum logró eliminar metales de una solución acuosaAlessandra De Martino / Chris Bowler / Stazione Zoologica / École Normale Supérieure / Wikimedia Commons
En 2009, Goldemberg fundó una de las pocas empresas del área en Brasil, Algae Biotecnología. Durante años, Algae mantuvo el apoyo de agencias financiadoras de investigaciones, incluida la FAPESP. En 2014, InterCement, parte del grupo Camargo Corrêa, inició un proyecto para aprovechar el CO 2 , proveniente de microalgas, generado en la producción de cemento. Después de algunos años, el contrato para continuar la investigación no fue renovado y, en septiembre de este año, InterCement entró en proceso de recuperación judicial.
Un fertilizante foliar para el aporte de micronutrientes y acción bioestimulante vegetal producido por microorganismos, desarrollado por las dos empresas, según Goldemberg, mostró buenos resultados en el laboratorio. Pero la dificultad para obtener financiación para las pruebas de campo hizo que se paralizaran los trabajos. “Usamos vinaza [residuo de la producción de azúcar y alcohol] para cultivar las microalgas, pero tuvimos muchas dificultades técnicas”, afirma. En 2019, sin clientes, Goldemberg cerró la empresa.
La bióloga Sílvia Helena Govoni Brondi vivió una situación similar. En 2020, con el apoyo de la FAPESP, se obtuvo a partir de microalgas como Chlorella vulgaris un pigmento naranja, carotenoides, importante para la salud humana , pero no se pudieron evitar las fluctuaciones de temperatura en el proceso, lo que perjudica la producción. «El equipo es muy caro», afirma. Sin financiación adicional, también cerró su empresa, AlgaeTech Pesquisa, en São Carlos.
Se mantienen en pie empresas dedicadas a nichos de mercado, que utilizan microalgas para producir ingredientes para cosméticos y alimentos, como pigmentos que dan el tono rosado al salmón criado en cautiverio. En Brasil, Fazenda Tamanduá, en Santa Teresinha (PB), y Ocean Drop, en Balneário Camboriú (SC), producen espirulina ( Arthrospira platensis ). Las microalgas de procesamiento relativamente sencillo pueden utilizarse como complemento alimenticio, ya que son una rica fuente de proteínas, minerales, vitaminas del grupo B, hierro y antioxidantes. En Orindiúva (SP), Terravia, filial de una multinacional con sede en Estados Unidos, utiliza microalgas que consumen sacarosa de la caña de azúcar para producir ácidos grasos, un tipo de aceite utilizado como ingrediente en jabones y cremas faciales.
También están surgiendo posibilidades de utilizar microalgas para aprovechar residuos y efluentes industriales y agroindustriales. Durante una pasantía posdoctoral en la UFSCar, el ingeniero pesquero Lucas Guimarães Cardoso desarrolló, en colaboración con el equipo de Lombardi, un proceso que utiliza microalgas para tratar el agua llamada producida. El líquido, cargado de minerales, petróleo, productos químicos y gases, se utiliza para hacer que el petróleo suba desde los pozos a la superficie.
Fotobiorreactor UFPR utilizado para el cultivo de microalgas y la producción de biomasaNpdeas-Ufpr
En biorreactores de 1,5 litros que contienen cultivos de Chlorella vulgaris , el grupo descubrió que las microalgas consumen (alimentan) los compuestos presentes en el agua producida. A partir de esta experiencia generaron dos grupos de productos de valor comercial: los ácidos linoleico y palmitoleico, que forman parte del biodiesel, y los carbohidratos y proteínas, que pueden usarse para producir etanol. Los investigadores también pudieron eliminar metales pesados como cobre, manganeso y molibdeno del agua producida, como se detalla en un artículo publicado en 2022 en Environmental Technology & Innovation .
A partir de ese año, como profesor contratado en la Universidad del Salvador (Unifacs), en Bahía, y en el Programa de Postgrado en Ingeniería Química de la Universidad Federal de Bahía (UFBA), Cardoso continuó sus investigaciones. En un congreso internacional de biotecnología, celebrado en agosto en Florianópolis, presentó un descubrimiento de la ingeniera química Ingrid Rocha Teixeira, su asesora de doctorado: alimentada por una solución de 50% de agua producida y 50% de glicerol crudo, la microalga Phaeodactylum tricornutum elimina más eficientemente metales y produjo un polímero biodegradable que puede ser un sustituto de los plásticos convencionales. “Tengo la intención de presentar los resultados en noviembre a las empresas que nos suministran residuos de exploración petrolera”, afirma.
En otro experimento, Cardoso y el grupo del ingeniero en alimentos Jorge Alberto Vieira Costa, de la Universidad Federal de Rio Grande (Furg), en Rio Grande do Sul, encontraron que dos especies de microalgas, Spirulina sp . y Chlorella fusca , cultivadas en agua salobre, produjeron lípidos y carbohidratos, respectivamente, como se informó en un artículo de 2022 en Bioresource Technology . Con colegas de la unidad Semiárido de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) y el apoyo del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI), Costa prepara una unidad piloto que se construirá en Petrolina (PE) para, a partir de microalgas, producir alimentos, piensos, fertilizantes y agua potable a partir de aguas salobres, habituales en el interior del noreste.
Otra estrategia para absorber contaminantes del agua contaminada es un carbón poroso que se obtiene calentando suavemente una masa de microalgas. El método fue desarrollado por el grupo Furg y detallado en un artículo en Enzyme and Microbial Technology , en 2023. Costa, coordinadora del grupo, que trabaja en esta área desde hace 30 años, se muestra optimista: “La presión de la legislación para el uso de residuos aumenta en Brasil».
Las microalgas también parecen deleitarse con los desechos, como el estiércol de cerdos y aves, que el equipo del NPDEAS de la UFPR diluyó y utilizó como nutrientes para estos seres microscópicos. “Crecieron más rápido, en tres días, en lugar de 15”, informa el farmacéutico industrial André Bellin Mariano, vicecoordinador del grupo, integrado también por la estudiante de posdoctorado Ihana de Aguiar Severo. La investigación es a escala piloto, con un biodigestor de 6 mil litros. Las microalgas eliminaron el 99% del fósforo y el nitrógeno de los desechos y produjeron agua que podría usarse para saciar la sed de los animales de granja. “A pesar de los buenos resultados, aún nos quedan asperezas por resolver en varios procesos de aprovechamiento de residuos con microalgas”, comenta.
El informe anterior fue publicado con el título “ Los múltiples usos de las microalgas ” en la edición impresa n.° 345, noviembre de 2024.
Proyectos
1. Bioprospección, caracterización y optimización de microalgas brasileñas para la biofijación de CO 2 y producción de biomoléculas de importancia comercial ( nº 18/07988-5 ); Modalidad Proyecto Temático; la investigadora responsable Ana Teresa Lombardi (UFSCar); Inversión R$ 3.011.694,89. 2. Definir los mejores sistemas de cultivo para el escalamiento de nuevas especies de microalgas (especies seleccionadas en las etapas anteriores del Proyecto Temático) ( n ° 20/15688-1 ); Modalidad Postdoctorado; la investigadora responsable Ana Teresa Lombardi (UFSCar); Beca Lucas Guimarães Cardoso ; Inversión R$ 153.834,88. 3. Cultivo de microalgas Chlorella sorokiniana y Chlorella vulgaris con vistas a la producción de carotenoides y proteínas para atender a las industrias farmacéutica, alimentaria, cosmética y de química fina ( n ° 17/50360-4 ); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); la investigadora responsable Silvia Helena Govoni Brondi; Inversión R$ 431.085,08.
Artículos científicos
BEZERRA, PQM et al . Aplicación innovadora de agua subterránea salobre sin adición de nutrientes en el cultivo de Spirulina y Chlorella para la producción de carbohidratos y lípidos . Tecnología de biorrecursos . v. 345, 126543. febrero. 2022.
COSTA, IG et al . «Desbloquear la producción de diésel verde a escala piloto a partir de microalgas» . Revista de Gestión Ambiental . v. 368, 122141. conjunto. 2024.
COSTA, JAV et al . Producción de biocarbón a partir de microalgas: un nuevo enfoque sostenible para el tratamiento de aguas residuales basado en una economía circular . Tecnología enzimática y microbiana . v. 169, pág. 110281. 2023.
SILVA, DA et al . Estrategia para el cultivo de Chlorella vulgaris con alto potencial de producción de biomasa y biocombustible en aguas residuales de la industria petrolera . Tecnología e Innovación Ambiental . v. 25, 102204. febrero. 2022.
VICTOR, MM et al . Microalgas: Una estrategia sostenible para la transformación y obtención de compuestos orgánicos . Nueva Química . v. 47, núm. 2, e-20230107. 2024
MOREIRA, JB et al . Papel de las microalgas en la bioeconomía circular: del tratamiento de residuos a la producción de biocombustibles . Tecnologías Limpias y Política Ambiental (2023). v. 25, pág. 427-37. 2023.
SATHYA, AB et al . Producción de biocombustibles de microalgas: desafíos potenciales e investigaciones prospectivas . Combustible . v. 332, pág. 2, 126199. 15 de enero. 2023.
FAPESP