APLICACIONES_DE_LAS_ALGAS_2

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Universidad de Cuenca
Facultad de Ciencias Químicas
Carrera de Bioquímica y Farmacia
Alexandra Mogrovejo
Gabriela Otavalo
Sebastián Paca
Cuarto Ciclo Bioquímica y Farmacia
Cuenca, 21 de abril del 2014.
APLICACIONES DE LAS ALGAS: BIOCOMBUSTIBLES Y OTROS
Introducción
Las algas se componen de organismos acuáticos que capturan luz solar y el dióxido de carbono para hacer la fotosíntesis y así producir su energía, y además producir aceites vegetales que se pueden transformar en biodiesel mediante procesos industriales y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del gasóleo obtenido del petróleo. El rendimiento en producción de biodiesel con algas es unas 300 veces superior al que se alcanza con plantas oleoginosas. Además que el tiempo de crecimiento de las algas es mucho más rápido que el de estas plantas.
Científicos de la Universidad de California en San Diego (2012) modificaron genéticamente a un tipo de alga marina, Dunaliella tertiolecta, incorporando cinco genes que codifican las enzimas relacionadas con la conversión de biomasa en aceite y con el aumento de la biomasa en combustible. Esta modificación permitiría la producción de biocombustible en otros ambientes, como el agua de mar, el agua salobre de las costas e incluso los suelos que no se pueden usar para agricultura debido a su alta salinidad. Estudiantes de la Escuela Superior Politécnica del Litoral en Santa Elena, Ecuador (2011) realizaron proyectos para estudiar los procesos de producción de biodiesel usando algas marinas. Las iniciativas para aprovechar las algas como combustible se multiplican por todo el mundo: Nueva Zelanda, Israel, Japón, España y República Dominicana.
Clasificación taxonómica 
Entre los diferentes tipos de algas con aplicación industrial se encuentran las Bacillariophyceaes, Cianophytas, Clorophytas y Mesophyllum lichenoides.
Las diatomeas o algas pardas doradas cuyo tamaño como se las conoce comúnmente en su mayoría son marinas. Miden entre 2 y 4 milímetros. Son organismos unicelulares que pertenecen al filo de las algas pardodoradas; cuyo nombre científico es Bacillariophyta y se 
relaciona filogenéticamente con el filo Chrysophita y otros del conjunto Chromista. Según ciertos autores, las diatomeas se clasifican como un filo independiente. 
Por sus características y requerimientos se las consideran las únicas algas verdaderas, ya que no presentan ninguna estructura propia del Reino Animal. Posee el mayor número de especies; aproximadamente unas 500.000; teniendo una amplia distribución mundial y constituyendo el grupo más importante del fitoplancton debido a que contribuyen con cerca del 90% de la productividad de los sistemas. Actualmente se conocen más de 200 géneros de diatomeas, y se estima que hay alrededor de 100,000 especies extintas.
Algunas de ellas pueden vivir en colonias formando filamentos o cintas, se hallan rodeadas por una pared celular hecha de sílice llamada  frústulo y están compuestas por pectina con impregnaciones de óxido de silicio. Pertenecen al Dominio Eukaryota, Reino Chromalveolata, Clase Bacillariophyaceae, Orden Bacillarias y se encuentran agrupadas en diversas familias. Imagen. Anexo 1.
Dunaliella tertiolecta es un género de algas microscópicas de la clase Chlorophyceae y del orden Volvocales. Todas son unicelulares, aunque con morfologías muy variadas. Morfológicamente, su principal característica es que carecen de pared celular rígida de polisacárido. Este género de algas verdes está caracterizado por su alta tolerancia a la salinidad y a su alto contenido de aceites, característica que permite la producción de biocombustibles. Imagen. Anexo 2.
Las algas verdes azules o cianophytas son organismos acuáticos, marinos o continentales y algunas especies pueden encontrarse también en medios húmedos o viviendo como simbiontes en el interior de células de eucariotas. Estas algas presentan clorofila y otros pigmentos fotosintéticos y forman generalmente colonias de pocas células que con frecuencia están protegidas por cubiertas mucilaginosas. 
Las algas verdes o clorophytas es el nombre que reciben los miembros de un filo o división de algas que suman entre 6.000 y 7.000 especies. Imagen. Anexo 3.
Mesophyllum lichenoides (Ellis) Lemoine es una alga roja calcárea incrustante, tamaño de unos 3 centímetros, lobulada o ramificada con extremos libres, fijados centralmente (sobre Corallina generalmente) o formando costras finas sobre rocas. Color purpura o rosa, con el margen más pálido, de color crema y pueden tener líneas de crecimiento. Se caracteriza por su margen blanquecino, por ser poco adherentes, casi libres ya que suelen estar fijadas solo por el centro al sustrato, que también pueden estar encima de otras algas calcáreas. Tiene unos bultos esféricos que son los llamados conceptáculos, es decir, es donde se encuentran las células reproductoras. En rocas o sobre Corallina, la encontramos en zonas expuestas. Desde las islas británicas al Sahara y por todo el Mediterráneo. En fondos superficiales, de 3 a 4 metros de profundidad, siempre en lugares donde les llegue la luz y hasta los 30m. Clase: Rhodophyceae, Orden: Cryptonemiales, Familia: Corallinaceae, Género: Mesophyllum. De  las paredes de algas rojas se extra los polisacáridos agar y carragenatos  El agar se añade como aditivo  gelificante y espesante en gran cantidad de alimentos (confituras, merengues, helados etc. ) . También se emplea por la industria fotográfica (estabiliza la nitroglicerina), industria  biotecnológica (agarosa para separaciones cromatográficas y electroforéticas). Las especies más empleadas en la extracción de agar pertenecen al género Gelidium, Pterocladiella , Gelidiella y Gracilaria.
 Los carragenatos, son poligalactanos, polímeros lineales de moléculas alternadas de D-galactosa y 3-6 anhidro-D- Galactosa unidas por enlace a 1-3 y b 1-4. El carácter hidrofílico y la solubilidad   lo dan los grupos sulfatados en las moléculas de galactosa. Las propiedades espesantes y gelificantes las hacen muy útiles en la industria alimentaria, el 80% del carreganato extraído en el mundo se emplea como espesante y agente estabilizante (E-407) en productos lácteos, postres de tipo gelatina, jugos de fruta, mermeladas, helados etc.  Otro usos son  en cosmética (pasta de dientes, barras aerosoles) e industria farmacológica (contra úlceras gástricas e infecciones víricas).  Se usan unas 15 especies en la extracción de carragenatos destacando Chondrus crispus, Mastocarpus stellatus, Euchema sp, esta última se cultiva en Filipinas e Indonesia y contribuyen alrededor de un 80% de la producción mundial. Imagen. Anexo 4.
Las microalgas se han reconocido como buenas fuentes para la producción de biocombustibles debido a su alto contenido en aceite y producción rápida de biomasa. La biomasa de algas contiene tres componentes principales: carbohidratos, proteínas, y aceites lípidos/naturales. Los aceites naturales hechos por microalgas están en forma de tricylglycerol, el aceite correcto para producir biodiesel. Las microalgas pueden usarse para producir gas hidrógeno bajo condiciones de crecimiento especializado. La biomasa de algas también puede quemarse o transformarse en digestores anaeróbicos para producir biogás metano para generar calor y electricidad.
El contenido de aceite de las microalgas está usualmente entre el 20 y el 50 %, aunque puede alcanzar el 80 %. El contenido de aceite en las microalgas es el siguiente:
Botryococcus braunii. 25-75 %
 Chlorella sp. 28-32 %
 Crypthecodinium cohnii. 20 %
 Cylindrotheca sp. 16-37 %
 Nitzschia sp. 45-47 %
 Phaeodactylum tricornutum. 20-30 %
 Schizochytrium sp. 50-77 % 
Tetraselmis suecia 15-23 %
La producción de aceite por parte de las microalgas para producir biocombustibles es la siguiente: 6283-14641 %
La mayoría de las microalgas son fotosintéticas, necesitan luz y dióxido de carbono como fuente de energía y de carbono. Este modo de cultivo se denomina fotoautotrófico. Las microalgas fototróficas requieren luz, dióxido de carbono, agua ysales inorgánicos para crecer. La temperatura de cultivo estará entre 15 y 30 ºC para un crecimiento óptico, también deben contribuir los elementos inorgánicos que ayudan a crecer las células de algas, tales como nitrógeno, fósforo, hierro y silicio. 
Actualmente están disponibles diferentes sistemas de cultivos de microalgas fotoautotróficos. Por ejemplo, las lagunas abiertas basadas en la suspensión y fotobioreactores se usan comúnmente para la producción de biocombustibles.
Lagunas abiertas
Se usan lagunas poco profundas, aproximadamente de 30 cm donde las algas se cultivan bajo condiciones idénticas a su ambiente natural. La laguna se diseña con la configuración de un circuito, en el que una rueda de paletas proporciona la circulación y mezcla de las células de algas y nutrientes. Deflectores en el canal guían el caudal alrededor de las curvas para minimizar el espacio. Las algas se cosechan después de haber circulado a través del bucle. Dependiendo de los nutrientes requeridos por las especies de algas, pueden usarse una gran variedad de fuentes de aguas residuales para el cultivo de algas, tales como los efluentes, agua marina o agua con alta salinidad.
Este sistema de cultivos tiene sus desventajas, a menudo experimentan mucha pérdida de agua debido a la evaporación, las microalgas a menudo no acumulan dióxido de carbono eficientemente, y la producción de biomasa es limitada. Imagen. Anexo 5
Biorreactores cerrados
Estos sistemas están hechos de materiales transparentes y generalmente se colocan en exteriores para iluminación por luz natural. El diseño más común es el fotobiorreactor con diseño tubular, con numerosos tubos transparentes con menos de 10 cm de diámetro para maximizar la penetración de la luz del sol. El medio acuoso se hace circular a través de una bomba a los tubos, donde se expone a la luz por fotosíntesis, y luego vuelve a un depósito. Debe prevenirse que la biomasa de algas sedimente manteniendo un caudal altamente turbulento dentro del reactor, usando una bomba mecánica o una bomba de elevación de aire. De esta forma es posible un cultivo continuo de algas.
El cultivo debe retornar periódicamente a una zona de desgasificación, un área donde el caldo de algas es burbujeado con aire para retirar el exceso de oxígeno. Las algas usan dióxido de carbono, por lo cual bajarán los niveles de carbono y se incrementa el pH. Los fotobiorreactores requieren enfriamiento durante las horas del día, se usan intercambiadores de calor, localizados en tubos o en una columna de desgasificación.
La productividad de biomasa de los fotobioreactores puede ser 13 veces superior a la obtenida en las lagunas abiertas. Cosechar la biomasa de los fotobiorreactores es menos caro que en una laguna abierta, puesto que la biomasa de las algas está unas 30 veces más concentrada que la encontrada en las lagunas. Imagen. Anexo 6.
Conclusiones
Las microalgas son organismos fotosintéticos con alto contenido de aceites siendo uno de los más importantes el tricylglycerol empleado en la fabricación de biocombustibles.
La biomasa de algas contiene tres componentes principales: carbohidratos, proteínas, y aceites lípidos/naturales.
Las microalgas pueden usarse para producir gas hidrógeno bajo condiciones de crecimiento especializado mediante la utilización de lagunas abiertas o biorreactores cerrados presentando ambos ciertas limitaciones. 
Aunque las lagunas abiertas cuestan menos de operar que los biorreactores cerrados, este sistema de cultivos tiene sus desventajas ya que experimentan mucha pérdida de agua debido a la evaporación. Por ello no acumulan dióxido de carbono eficientemente, y la producción de biomasa es limitada, la cual también se ve afectada por la contaminación de especies de algas no deseadas y otros organismos. 
La utilización de los biorreactores cerrados presenta varias ventajas. Pueden superar los problemas de contaminación y evaporización que encontramos en las lagunas abiertas. La productividad de biomasa de los biorreactores puede ser 13 veces superior a la obtenida en las lagunas abiertas aunque sus elevados costos representan una desventaja.
Anexos
			
Anexo 1. Bacillariophyceaes				 Anexo 2. Dunaliella tertiolecta
			 
Anexo 3. Cianophytas				 Anexo 4. Clorophytas
			
Anexo 5. Lagunas abiertas				Anexo 6. Biorreactores cerrados
Referencias: