Dos grupos de científicos brasileños, uno en Curitiba (Paraná), y otro en São Carlos, en el interior del estado de São Paulo, están desarrollando nuevas técnicas de producción de biocombustibles a partir de microalgas. Estos organismos acuáticos unicelulares, que se cuentan entre los más antiguos del planeta, se reproducen rápidamente y se los considera verdaderas centrales productoras de biomasa y compuestos bioactivos. Además de realizar fotosíntesis como las plantas, aprovechando la luz solar y el dióxido de carbono (CO2) atmosférico, también pueden utilizar fuentes de carbono orgánico presentes en los residuos. Como resultado de ello, siempre que se encuentren bajo condiciones adecuadas de luminosidad y temperatura producen oxígeno y materia orgánica con base en la cual, mediante distintos procesos de separación, pueden extraerse compuestos químicos que se utilizan como combustibles, cosméticos o suplementos alimenticios. En laboratorios y en plantas piloto, los microorganismos se han mostrado capaces de alimentarse de residuos ‒procedentes de la producción de petróleo y etanol o incluso de la cría de animales tales como cerdos, entre otros‒ transformándolos en compuestos químicos útiles y aceptables para el medio ambiente. En todos los casos, el gran problema sigue radicando en aumentar la escala de producción.
El Núcleo de Investigación y Desarrollo de Energía Autosostenible de la Universidad de Paraná (NPDEAS-UFPR) viene realizando experimentos con miras a intentar resolver este problema. A largo plazo, la meta del grupo es producir diésel verde, un biocombustible con una composición similar a la del gasoil del petróleo. En uno de los estudios se utilizan fotobiorreactores a escala industrial, con una capacidad de 12.000 litros. El paso inicial consiste en producir biomasa en estos dispositivos a partir de microalgas. Una vez recogido, el material es sometido a un proceso de secado y posterior disolución en un solvente caliente consistente en una mezcla de compuestos químicos. En la etapa siguiente, los investigadores extraen el solvente y, por destilación, separan los aceites producidos.
Los primeros resultados indican que la tasa de conversión del concentrado de microalgas Tetradesmus obliquus en aceite bruto podría alcanzar un 25 %, un salto considerable en comparación con el 10 % actual. “Está funcionando bien”, pondera el ingeniero en petróleo y químico Iago Gomes Costa, responsable del trabajo. “Estamos en la fase de ajuste de los rangos de temperatura, pero ya hemos conseguido recuperar el solvente del concentrado, que podría reutilizarse, y separar las fracciones de aceite”.
Como se describe en un artículo publicado en septiembre en la revista Journal of Environmental Management, los investigadores obtuvieron 25 compuestos diferentes a través de la destilación del aceite de algas en bruto, incluyendo hidrocarburos como los alcanos, utilizados en el gas de cocina y en la gasolina, y los alquenos, que constituyen la materia prima para la fabricación de envases plásticos. La investigación que se lleva adelante en la UFPR es una de las pocas en Brasil que va más allá de la etapa de producción de biomasa a partir de microalgas.
Otra posibilidad de producción de biocombustibles con base en 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 estaba llevando a cabo la primera prueba a una escala algo mayor en un tanque con capacidad para 20 litros. El objetivo era elevar, tal vez hasta un 70 %, como ya había sido logrado en ensayos a menor escala, el rendimiento del aceite de microalgas a través de un proceso patentado por el equipo.
“Obtuvimos resultados óptimos estimulando la reproducción de las microalgas con nutrientes específicos, de modo tal que se mantiene el crecimiento y se genera una biomasa con alto contenido de aceites”, dice Lombardi. “El enfoque tradicional consiste en someterlas a estrés, lo que detiene el crecimiento”. La investigadora de la UFSCar tiene en mente trasladar sus resultados a aplicaciones industriales.
Trabajando en forma independiente, los equipos de la UFPR y la UFSCar están renovando el interés científico y tecnológico por las microalgas. Hace unos 15 años, se las consideraba una alternativa para mitigar el exceso de CO2 en la atmósfera, transformándolo en biocombustibles que podrían utilizarse en automóviles, aviones y barcos, con menor emisión de contaminantes que los combustibles fósiles.
Sin embargo, las microalgas no alcanzaron el rendimiento pretendido. También se constató que su producción a escala comercial era inviable y el precio final duplicaría el de los derivados del petróleo. Como resultado, muchas empresas que habían invertido en la producción de biocombustibles a partir de estos microorganismos abandonaron o modificaron el foco de sus investigaciones. “La principal dificultad radica en pasar de la escala de producción en laboratorio ‒de 100 a 1.000 litros‒ a la escala industrial, de 10.000 litros o más”, comenta el ingeniero agrónomo Sergio Goldemberg. En laboratorio, los equipos de los centros de investigación y de las empresas identificaron los mejores rangos de temperatura, luminosidad y combinaciones de nutrientes para que las microalgas produzcan la biomasa de la que se extrajeron compuestos de interés comercial. No obstante, a medida que la producción crecía hasta volúmenes 10 o 20 veces mayores, se hacía más difícil mantener una temperatura estable, porque la biodigestión genera calor. Así, el riesgo de contaminación bacteriana aumentaba y el rendimiento caía, lo que hacía inviable el proceso.
Alessandra De Martino / Chris Bowler / Stazione Zoologica / École Normale Supérieure / Wikimedia CommonsLa microalga Phaeodactylum tricornutum fue capaz de remover 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 de este sector en Brasil, Algae Biotecnologia. Durante años, la compañía se mantuvo con el apoyo de agencias de financiación de la investigación científica, entre ellas la FAPESP. En 2014, la firma InterCement, del grupo Camargo Corrêa, puso en marcha un proyecto para aprovechar el CO2 generado en la producción de cemento por microalgas. Al cabo de unos años, el contrato para continuar la investigación no fue renovado y, en septiembre de este año, InterCement entró en proceso de recuperación judicial o concurso preventivo.
Según Goldemberg, un fertilizante foliar para suministrar micronutrientes y acción bioestimulante vegetal producido por los microorganismos, desarrollado por ambas empresas, mostró buenos resultados en laboratorio. Pero las dificultades para conseguir financiación con el objetivo de realizar las pruebas de campo llevaron a la suspensión de los ensayos. “Utilizamos vinaza [un residuo de la producción de azúcar y alcohol] para cultivar las microalgas, pero nos topamos con muchos obstáculos técnicos”, relata. En 2019, ante la falta de clientes, Goldemberg cerró la empresa.
La bióloga Sílvia Helena Govoni Brondi vivió una situación parecida. En 2020, con el apoyo de la FAPESP, obtuvo a partir de microalgas como Chlorella vulgaris un pigmento anaranjado: los carotenoides, importantes para la salud humana; pero no pudo evitar las oscilaciones térmicas durante el proceso, que ponen en riesgo su producción. “Los equipos necesarios son muy costosos”, dice. Sin financiación complementaria, también tuvo que cerrar su empresa, AlgaeTech Pesquisa, que funcionaba en São Carlos.
Se mantienen en pie las empresas dedicadas a nichos de mercado, que utilizan microalgas para producir ingredientes para cosméticos o alimentos, como los pigmentos que le dan su tonalidad rosada a los salmones criados en cautiverio. En Brasil, Fazenda Tamanduá, en Santa Teresinha (Paraíba), y Ocean Drop, en Balneário Camboriú (Santa Catarina), producen espirulina (Arthrospira platensis), un tipo de microalga cuyo procesamiento es relativamente sencillo y puede utilizarse como suplemento alimentario, dado que se trata de una rica fuente de proteínas, minerales, vitaminas del complejo B, hierro y antioxidantes. En Orindiúva (São Paulo), Terravia, filial de una multinacional estadounidense, utiliza microalgas que consumen sacarosa de la caña de azúcar para producir ácidos grasos, un tipo de aceite usado como ingrediente en la fabricación de 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 lo que se conoce como agua producida, un líquido cargado de minerales, aceite, productos químicos y gases, que se utiliza para hacer subir el petróleo de los pozos a la superficie.
Npdeas-UfprEl fotobiorreactor de la UFPR utilizado para cultivar microalgas y producir biomasaNpdeas-Ufpr
En biorreactores de 1,5 litros con cultivos de Chlorella vulgaris, el grupo comprobó que las microalgas consumen (se alimentan) los compuestos presentes en el agua producida. Con base en este experimento, han desarrollado dos grupos de productos con valor comercial: ácidos linoleico y palmitoleico, que son parte de la composición del biodiésel, y carbohidratos y proteínas, que pueden utilizarse para producir etanol. Los investigadores también lograron remover del agua producida metales pesados como cobre, manganeso y molibdeno, según informa un artículo publicado en 2022 en la revista Environmental Technology & Innovation.
A partir de ese año, como profesor contratado en la Universidade Salvador (Unifacs), en Bahía, y en el Programa de Posgrado en Ingeniería Química de la Universidad Federal de Bahía (UFBA), Cardoso continuó con sus investigaciones. En un congreso internacional de biotecnología celebrado en agosto en Florianópolis, presentó un descubrimiento realizado por la ingeniera química Ingrid Rocha Teixeira, a quien dirigió en su doctorado: al alimentar microalgas Phaeodactylum tricornutum con una solución compuesta por un 50 % de agua producida y otro 50 % de glicerol bruto, éstas removían metales pesados más eficientemente y producían un polímero biodegradable que puede utilizarse como sustituto de los plásticos convencionales. “Tengo previsto presentar los resultados en noviembre a las empresas que nos proveen los residuos de la explotación de petróleo”, dice.
En otro experimento, Cardoso y el grupo del también ingeniero en alimentos Jorge Alberto Vieira Costa, de la Universidad Federal de Rio Grande (Furg), en Rio Grande do Sul, descubrieron que dos especies de microalgas, Spirulina sp. y Chlorella fusca, cultivadas en agua salobre, producían lípidos y carbohidratos, respectivamente, como informaron en un artículo publicado en 2022 en la revista Bioresource Technology. Junto con colegas de la unidad Semiárido de la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) y con el apoyo del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI) de Brasil, Costa prepara una unidad piloto que se instalará en Petrolina (Pernambuco) para producir, con base en microalgas, alimentos, piensos, fertilizantes y agua potable a partir de agua salobre, común en el semiárido del nordeste brasileño.
Otra estrategia para absorber impurezas de aguas contaminadas es un carbón poroso que se obtiene calentando ligeramente una masa de microalgas. Este método fue desarrollado por el grupo de la Furg y se describe en un artículo publicado en 2023 en la revista Enzyme and Microbial Technology. Costa, quien coordina el grupo y lleva 30 años trabajando en el área, es optimista: “En Brasil son cada vez más fuertes las exigencias legales para el reciclado de los residuos”.
Las microalgas también parecen deleitarse con desechos tales como el estiércol porcino y aviar, que el equipo de NPDEAS de la UFPR diluyó y utilizó como nutriente para alimentar a estos seres microscópicos. “Así, logramos que se multiplicaran muy rápido, en tres días, en lugar de quince”, relata el farmacéutico industrial André Bellin Mariano, coordinador adjunto del grupo, también integrado por la posdoctorando Ihana Aguiar Severo. La investigación se lleva a cabo a escala piloto, con un biodigestor de 6.000 litros. Las microalgas eliminaron el 99 % del fósforo y el nitrógeno de los residuos y el resultado es un agua que podría utilizarse para abrevar animales de granja. “A pesar de los buenos resultados, todavía quedan aristas que pulir en varios de los procesos de aprovechamiento de residuos utilizando microalgas”, comenta.
Este artículo salió publicado con el título “Los múltiples usos de las microalgas” en la edición impresa n° 345 de noviembre de 2024.
Proyectos
1. Bioprospección, caracterización y optimización de microalgas brasileñas para la biofijación de CO2 y la producción de biomoléculas de importancia comercial (nº 18/07988-5); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Ana Teresa Lombardi (UFSCar); Inversión R$ 3.011.694,89.
2. Definición de los mejores sistemas de cultivo para el escalamiento de las nuevas especies de microalgas (especies seleccionadas en las etapas anteriores del Proyecto Temático) (no 20/15688-1); Modalidad Posdoctorado; Investigadora responsable Ana Teresa Lombardi (UFSCar); Becario Lucas Guimarães Cardoso; Inversión R$ 153.834,88.
3. El cultivo de las microalgas Chlorella sorokiniana y Chlorella vulgaris con la mira puesta en la producción de carotenoides y proteínas para las industrias farmacéuticas, alimenticias, cosméticas y de química fina (no 17/50360-4); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigadora responsable Silvia Helena Govoni Brondi; Inversión R$ 431.085,08.
Artículos científicos
BEZERRA, P. Q. M. et al. Innovative application of brackish groundwater without the addition of nutrients in the cultivation of Spirulina and Chlorella for carbohydrate and lipid production. Bioresource Technology. v. 345, 126543. feb. 2022.
COSTA, I. G. et al. Unlocking pilot-scale green diesel production from microalgae. Journal of Environmental Management. v. 368, 122141. sep. 2024.
COSTA, J. A. V. et al. Biochar production from microalgae: A new sustainable approach to wastewater treatment based on a circular economy. Enzyme and Microbial Technology. v. 169, p. 110281. 2023.
SILVA, D. A. et al. Strategy for the cultivation of Chlorella vulgaris with high biomass production and biofuel potential in wastewater from the oil industry. Environmental Technology & Innovation. v. 25, 102204. feb. 2022.
VICTOR, M. M. et al. Microalgas: Uma estratégia sustentável na transformação e obtenção de compostos orgânicos. Química Nova. v. 47, n. 2, e-20230107. 2024
MOREIRA, J. B. et al. Role of microalgae in circular bioeconomy: From waste treatment to biofuel production. Clean Technologies and Environmental Policy (2023). v. 25, p. 427-37. 2023.
SATHYA, A. B. et al. Microalgal biofuel production: Potential challenges and prospective research. Fuel. v. 332, p. 2, 126199. 15 ene. 2023.
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