MARCO TEÓRICO

Según la Convención Marco de las Naciones Unidas existen fuertes evidencias de que el
incremento de emisiones de gases de efecto invernadero debidas a actividades
antropogénicas es la causa del aumento de la temperatura media en la Tierra (IPCC, 2005).
Se cree que como consecuencia del aumento de la temperatura media global, está
cambiando el clima del planeta, es el llamado cambio climático. Los principales gases de
efecto invernadero responsables del aumento de temperaturas son: dióxido de carbono,
metano, óxidos de nitrógeno y un grupo de compuestos gaseosos que contienen cloro y
flúor, como halogenuros de carbono, perfluorocarburos y hexafluoruro de azufre.

1. Mecanismos para la eliminación y reducción de emisiones de CO2

La Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático (UNFCCC,

United Nations Framework Convention on Climate Change) hace un llamamiento para
la estabilización de la concentración atmosférica de GHGs, pero hasta el momento no
hay acuerdo sobre qué alcance debe tener esta reducción de emisiones. Sin embargo, se
reconoce que la estabilización se alcanzará cuando las emisiones de GHGs
antropogénicas sean equiparadas a las que pueden ser absorbidas por el planeta de forma
natural.

Existe una gran variedad de tecnologías que pueden reducir las concentraciones de CO2
en la atmósfera y otras tantas que serán desarrolladas en un futuro. Los objetivos de
reducción, los costes, el potencial de cada tecnología, el impacto ambiental, y factores
sociales, como la aceptación pública, serán determinantes para la elección de la
tecnología más adecuada a cada situación concreta. Las diferentes opciones para la
reducción, según el IPCC (IPCC, 2005), son:

 Mejora de la eficiencia energética, en la conversión, transporte y uso final de la

energía. Esta opción es especialmente interesante para su aplicación al consumo de
energía en el transporte y el sector doméstico.
 Transición de tecnologías basadas en el carbón a tecnologías basadas en gas natural
para la producción eléctrica. Las emisiones de CO2 del gas natural son la mitad de las
del carbón.

 Aumento de las fuentes de energía de baja emisión: renovables y nuclear. Estos dos
tipos de fuentes de energía tienen grandes limitaciones. Por un lado, a pesar del
boom que se está experimentando en este momento, las energías renovables no serán
capaces de aportar toda la demanda de energía que se espera en los próximos años,
especialmente en los países con economías emergentes, además del problema de
intermitencia en la producción. En cuanto a la energía nuclear, el problema de la
inseguridad, el almacenamiento de los residuos y la amenaza terrorista hacen que la
decisión de considerar esta opción no esté basada en cuestiones técnicas, sino
políticas y de aceptación pública.

 Captura y secuestro de CO2 (CCS, CO2 Capture and Sequestration). Consiste en

capturar el CO2 emitido por una central de generación de energía a partir de
combustibles fósiles y almacenarlo en el subsuelo.

 Secuestro de CO2 en sumideros naturales o biológicos, como son las plantas y los
océanos. La fijación de CO2 por las plantas gracias a los procesos fotosintéticos y la
absorción de este gas ácido en el agua de mar representan los mayores sumideros
naturales de dióxido de carbono. La fijación fotosintética puede potenciarse con
prácticas correctas de agricultura y forestación.

Todas estas opciones pueden dividirse en dos grupos: las que evitan la emisión de CO2,
que son las tres primeras y las que eliminan o fijan el CO2 producido, ya sea antes de su
emisión a la atmósfera (CCS) o una vez emitido (sumideros biológicos). Puesto que el
objetivo de este trabajo se centra en la fijación de CO2, a continuación se describirán con
más detalle estas dos últimas opciones.

Por último, cabe destacar que los objetivos de reducción de emisiones solo se
alcanzarán considerando todas estas opciones en conjunto y aplicando a cada caso la
más adecuada. Además, debe tenerse en cuenta que las fuentes de energía no basadas
combustibles fósiles (renovables y nuclear) serán incapaces de aportar toda la demanda
 de energía que se espera en los próximos años, especialmente en los países con
economías emergentes. Por ello será necesario seguir consumiendo fuentes fósiles,
sobre todo carbón y gas natural, los más abundantes. Además debe tenerse en cuenta
que la transición de tecnologías actuales a otras más limpias ha de hacerse de modo
gradual, para no desestabilizar las economías.

2. Captura y secuestro de CO2 acoplada a tecnologías limpias basadas en el carbono

La Captura y Secuestro de CO2 (CCS) es la técnica más promovida y cada vez más
aceptada como la vía más inmediata para la reducción de gases de efecto invernadero en
nuestro planeta. En esta técnica, el CO2 es capturado de una corriente de gases de
combustión, donde se encuentra en una proporción del 10-12%. La separación del CO2
del resto de los gases se realiza mediante procesos de absorción (disoluciones de
metiletilenaminas son las más utilizadas), adsorción en lechos porosos, separación por
membranas y criogenización, ordenados de mayor a menor coste. Tras su captura, el
CO2 puede ser almacenado de varias formas:

1. Inyección en las profundidades oceánicas. Consiste en la inyección del CO2 líquido

a profundidades por debajo de los 3000 metros, donde las condiciones de presión y
temperatura permiten que el CO2 permanezca en estado líquido, creando una especie
de lagos de CO2 en el fondo marino. Esta técnica está aún en fase de
experimentación.

2. Inyección en yacimientos agotados de gas y petróleo. El CO2 se inyecta en las rocas

porosas que contuvieron gas o petróleo.

3. Inyección en formaciones salinas. Las formaciones salinas son rocas sedimentarias

originadas a gran profundidad y saturadas de agua con un alto contenido salino.
Estas formaciones son muy comunes y contienen grandes cantidades de agua no apta
para el consumo humano o para la agricultura. El CO2 puede disolverse en esta agua
salina. El proyecto más importante hasta la fecha relacionado con la inyección en
formaciones salinas es el Proyecto Sleipner de Statoil en una explotación de gas
natural en el Mar del Norte.
 4. Inyección en lechos carbonosos, en pozos petrolíferos y en yacimientos de gas
natural. Todos se basan en la inyección de CO2 presurizado para aumentar la presión
del lecho que contiene el gas o petróleo y así facilitar su extracción.

3. Secuestro de CO2 en sumideros biológicos

La fijación fotosintética del CO2 atmosférico en plantas y árboles juega un papel

fundamental para mantener el nivel de este gas en la atmósfera. De hecho, se cree que la
deforestación es en parte responsable del aumento del CO2 y que la reforestación podría
ser una solución al problema del efecto invernadero. Es difícil evaluar la cantidad de
CO2 que puede fijar una masa forestal o un cultivo y por eso se están llevando a cabo
numerosos estudios por todo el mundo. Investigaciones preliminares (Dang y Steingerg,
1980) estimaron que una superficie de 1000 km2 de árboles de crecimiento moderado es
suficiente para fijar el CO2 producido anualmente por una central térmica de carbón de
1000 MW, a lo largo de toda su vida útil.

Otra vía biológica para la reducción de CO2 atmosférico es la llevada a cabo por los
organismos acuáticos, especialmente los microorganismos. En este caso nos
encontramos con organismos fotosintéticos, como (macro-) algas y microalgas, que
fijan CO2 en forma de biomasa, o como los cocolitoforos, que además lo incorporan
como carbonato cálcico a su estructura microscópica, quedando así retenido en las
profundidades marinas.

Sin embargo, solo las microalgas son adecuadas para la eliminación directa del CO2 en
gases de combustión, porque son los únicos organismos capaces de utilizar altas
concentraciones de este gas (Benemann, 1992) y de adaptarse a ambientes extremos
(temperatura, salinidad, pH, etc.). Por otro lado, el pequeño tamaño de estos seres
fotosintéticos y su alta relación superficie/volumen permite una fácil y rápida difusión
de nutrientes y CO2 desde el seno del medio de cultivo hasta la célula, reduciendo,
además, el gasto energético de agitación y posibilitando cultivos de alta densidad
(Watanabe et al., 1992).
4. Fijación de CO2 con microalgas.

Las microalgas y cianobacterias son plantas microscópicas que normalmente crecen

suspendidas en agua y realizan los mismos procesos fotosintéticos que las plantas
superiores terrestres: la conversión de agua y CO2, utilizando la energía de la luz solar,
en oxígeno y biomasa. Sin embargo, de todos los organismos capaces de fijar o
acumular CO2, microalgas y cianobacterias cobran una importancia especial debido a
que presentan ciertas ventajas únicas (Benemann, 1992):

 Son los únicos organismos fotosintéticos capaces de utilizar directamente el

CO2 de una corriente de gases de combustión, como puede ser el de centrales
térmicas (a base de carbón, fuel o metano), sin necesidad de tratamientos
previos, ya que son resistentes a altas concentraciones de CO2. A diferencia de
los cultivos vegetales o árboles, las microalgas mejoran su productividad con el
aumento, hasta cierto límite, de la concentración de CO2 respecto a la
atmosférica.

 Poseen un potencial de productividad mucho mayor que el de las plantas

superiores y otras plantas acuáticas.

 Para su producción pueden utilizarse ciertos recursos que no son adecuados

para la agricultura, como aguas salobres, agua marina y aguas residuales y
suelos arcillosos, duros o salinizados, por lo que no compiten con la agricultura
respecto a los usos del suelo y el agua. Además, su alto requerimiento de
nutrientes (principalmente N y P) permite su cultivo en aguas residuales,
aportando el beneficio adicional de la reducción de los contenidos de nitrógeno
y fósforo en dichas aguas.

Por el tamaño, las algas se pueden clasificar en dos grandes grupos: macroalgas y
microalgas. Estas últimas son microorganismos con clorofila y otros pigmentos, con
multitud de formas, tamaños y colores (más de 30.000 especies) que desarrollan
fotosíntesis oxigénica. Ocupan prácticamente todos los hábitats. Estas características,
las hace ideales para producirlas como materia prima y/o producto terminado, con
valor agregado, debido a las biomoléculas que acumulan durante su desarrollo, entre
estas se pueden citar a las proteínas, lípidos, carbohidratos, pigmentos entre otros que
son aprovechados por el hombre para su beneficio.

Los cultivos de microalgas representan una gran ventaja en diversos campos, desde el
científico hasta el comercial, las mismas que para Cohen (1986) y Gómez (2007), se
pueden resumir en tres puntos importantes;

a) El cultivo de microalgas es un sistema biológico eficiente de utilización de

energía solar para producir materia orgánica, las mismas que crecen más rápido
que las plantas terrestres y es posible obtener mayores rendimientos anuales de
biomasa.

b) La composición bioquímica pueden modificarse fácilmente variando las

condiciones ambientales y/o la composición del medio de cultivo.

c) Su alto potencial por acumular compuestos bioactivos, tales como; proteínas,

lípidos, almidón, glicerol, pigmentos naturales o biopolímeros, bajo ciertas
condiciones, determina que muchas especies sean de gran interés comercial.

En esta memoria de tesis el término microalgas será referido a microorganismos

unicelulares fotoautótrofos, abarcando tanto microalgas como cianobacterias.

Las tecnologías basadas en microalgas cuentan con la ayuda de tiempos muy cortos de
generación celular (td, el tiempo necesario para que una alga se duplique), de un día o
menos, y la relativa simplicidad y facilidad de escalado de los sistemas hidráulicos de
cultivo, permitiendo el desarrollo de procesos de producción más rápidos y a menor
escala que los necesarios para plantas superiores.
Figura 2.1. Instalación comercial de Cyanotech Corporation para la producción de microalgas, en
estanques tipo race-way, en Hawaii. Los estanques de color verde son de Spirulina y los rojos, de
Hematococcus pluvialis.

Las microalgas han sido estudiadas intensivamente en los últimos 50 años en Estados
Unidos, Japón y algunos lugares de Europa para la producción de alimento animal
(industria piscícola) y humano (suplementos nutritivos por su alto contenido en
proteínas), en la industria farmacéutica (carotenoides, antioxidantes), como tratamiento
de aguas residuales y para la generación de biocombustibles (biogás, biodiesel,
hidrógeno o metanol). Tradicionalmente la mayor parte de la producción comercial de
microalgas y cianobacterias se ha cultivado en estanques abiertos, similares a los de la
figura 2.1, donde las algas circulan por canales agitados con paletas (sistemas tipo
race-way), con suministro externo de CO2. La producción comercial se limita a unas
pocas especies como Spirulina (Earthrise Farms, Sur de California, Cyanotech,
Hawaii), Chlorella (Far East Microlagae Industries, Taiwan, Sun Chorella, Japan) y
Dunaliella (Cognis Nutrition and Health, Australia). Sin embargo en los últimos tres o
cuatro años están surgiendo importantes iniciativas empresariales para la producción
de biocombustibles a partir de microalgas y cianobacterias (Fig. 2.2). Muchas de estas
iniciativas son subvencionadas económicamente por empresas del sector energético. El
ejemplo más claro es la empresa Cellana (Hawaii), formada como joint venture de
Shell y HR Biopetroleum. También los gobiernos, que ven en las microalgas una
oportunidad de energía sostenible para el futuro (Aguilar, 2008), están disponiendo sus
recursos para el desarrollo del conocimiento sobre microalgas y los biocombustibles
derivados de ellas. Algunas empresas parecen estar cerca de conseguirlo, como
Sapphire Energy (Califronia) o Solix Biofuel (Colorado), que argumentan tener ya a
punto sus tecnologías de producción, sin embargo el mercado energético aún no cuenta
con un combustible de origen microalgal.
 Figura 2.2. Esquema, publicado por la empresa Algenol Biofuels
(www.algenoilbiofuels.us) que representa la estrategia de producción de bioetanol a partir de
cianobacterias

2.2. Fijación de CO2 por vía fotosintética.

Las microalgas son individuos unicelulares o pluricelulares cuyas células

funcionan independientemente, realizando todas las funciones vitales. Obtienen su
energía gracias a su capacidad para realizar la fotosíntesis.

La fotosíntesis, proceso por el cual el agua se descompone en oxígeno y un agente

reductor necesario para la reducción de CO2 a carbono orgánico, es un mecanismo
complejo y muy eficiente, resultado de varios millones de años de evolución. Este
proceso es realizado por cianobacterias (procariotas), microalgas (eucariotas), (macro-
) algas y plantas superiores.

Para fijar una molécula de CO2 se necesitan 2 moléculas de NADPH y tres de

ATP, es decir, una energía de 5.2x104 Julios, que se consigue mediante la
absorción de al menos ocho fotones de luz (Richmond, 2004). Esta reacción puede
expresarse como:

CO2 + 4H + + 4e− ⎯2⎯NADPH⎯⎯,3ATP⎯→(CH 2O) + H 2O

En ausencia de luz, no se produce la fotosíntesis y las células obtienen energía de

compuestos orgánicos de reserva almacenados en su estructura celular, que al ser
oxidados, liberan CO2, vapor de agua y energía en forma de ATP, que suple las
necesidades fisiológicas celulares. Éste proceso es la respiración celular.

Existen tres mecanismos principales por los que se realiza la fijación del CO2 y las
plantas pueden clasificarse según éstos en tipo C3, C4 y CAM. Plantas C3 son
todas las algas (macro, micro y cianobacterias) y el 90% de las plantas superiores.
La reacción de fijación de CO2 en las plantas C3 está catalizada por la enzima
RUBISCO (ribulosa bifosfato carboxilasa oxigenasa), que es la enzima más
abundante en la tierra, entre otras razones, porque es bastante lenta, (se activa sola
una vez por segundo) y porque requiere concentraciones relativamente altas de
CO2 para funcionar eficientemente (Raven, 1991). De hecho, a niveles de CO2
atmosféricos solo una de cada diez de estas enzimas consigue unirse a una
molécula de CO2. Consecuencia de ello es que las plantas C3 se benefician de
concentraciones de dióxido de carbono más altas que las atmosféricas. Pero lo
más importante es que la enzima RUBISCO, cuando no consigue unirse al CO2
tiende a reaccionar con el O2, gastando ATP y NADPH y produciendo CO2. Este
proceso, llamado fotorrespiración, es indeseable, ya que consume energía sin
aportar ningún otro tipo de ganancia metabólica. La fotorrespiración depende de
las concentraciones relativas de oxígeno y dióxido de carbono en el ambiente: una
relación alta O2/CO2 estimula este proceso. Así en condiciones de alta irradiación,
altas cantidades de O2 y bajas de CO2, la fotorrespiración prevalece a la
fotosíntesis. En algunas especies la mitad de la energía captada en fotosíntesis es
desperdiciada en la fotorrespiración.

Debido a la fotorrespiración, para obtener cultivos microalgales de alto

rendimiento es necesario que en el medio de cultivo exista una alta proporción
CO2/O2, que se consigue retirando efectivamente el O2 del medio y aportando
CO2 en exceso.
2.2.1. Eficiencia fotosintética y fotoinhibición

Un aspecto fundamental de la utilización fotosintética del CO2 es el rendimiento

fotosintético alcanzable, es decir, la eficiencia en la conversión solar en términos
de unidades de CO2 procesadas por fotón que llega a la célula.

De todo el espectro de radiación electromagnética emitida por una fuente de luz,

solamente la parte correspondiente a la zona visible (380 a 750 nm) es
aprovechable por las plantas para realizar la fotosíntesis. Este rango de luz es lo
que se conoce como radiación fotosintéticamente activa (PAR, photosynthetically
active radiation) (Richmond, 2004).

Los pigmentos y todos los organismos relacionados con la captación de luz se

asocian con sistemas especiales de membranas fotosintéticas, localizadas en el
interior de los cloroplastos, como muestra la figura 2.3a, que contienen las
moléculas de clorofila. La mayoría de ellas actúan como centros captadores de luz
o antena y una pequeña parte son centros de reacción que reciben la energía
capturada por las antenas (figura 2.3b).

(a)

Figura 2.3. (a) Detalles de la estructura interna del cloroplasto, mostrando cómo
los repliegues de las membranas del tilacoide, definen un espacio interno llamado
estroma y forman apilamientos llamados grana.

El mecanismo fundamental de la fotosíntesis, es decir, las reacciones que generan

ATP y NADPH en la reducción de CO2, implica una secuencia de dos reacciones
luminosas en cadena que tienen lugar en los fotosistemas I y II (PSI, y PSII),
donde dos fotones actúan a la vez para transferir electrones desde el agua al
NADPH. El llamado esquema Z, presentado en la figura 2.4, describe la secuencia
de reacciones fotosintéticas llevadas a cabo en los PSI y PSII para la fijación del
CO2. La energía lumínica de los fotones absorbidos en los pigmentos antena y
enviada a los centros de reacción (PSI y PSII), es transformada a energía química
en forma de ATP y NADPH (Madigan et al., 1999).

Figura 2.4. Esquema ”Z” que describe las reacciones para la captación de energía
en la fotosíntesis.

Un aspecto fundamental del fenómeno de la fotosíntesis es que todos los fotones

captados son finalmente absorbidos por el centro de reacción de la clorofila, que
tiene el máximo de 42,1 Kcal por mol de fotones. Asumiendo el caso más
optimista, (8 moles de fotones por mol de CO2) y que el producto es un
carbohidrato (114 kcal/mol de carbono fijado), la máxima eficiencia fotosintética
posible es del 34%.

 Sin embargo, hay una serie de factores que impiden que se alcance esta eficiencia,
como que (Benemann, 1992):
 Solo el 43% de la energía solar llega con una longitud de onda que puede ser
absorbida por el aparato fotosintético.

 Es probable que se necesiten más de 8 fotones por mol de CO2.

 No todos los fotones incidentes pueden ser absorbidos por el aparato fotosintético:
alrededor de 10-20% son reflejados o absorbidos por otros componentes inactivos.

 La productividad global debe tener en cuenta el gasto energético en la respiración,

en el mantenimiento de la célula, reproducción, etc.

Todos estos factores reducen el potencial máximo de eficiencia fotosintética a un

10%. Incluso este 10% de eficiencia no se consigue en la práctica, ya que la
velocidad a la cual los fotones pueden ser procesados es considerablemente menor
que la velocidad con la que son absorbidos en los centros antena. Los fotones
extra que no pueden ser metabolizados se eliminan en forma de calor y
fluorescencia, y ello supone una pérdida del 30 al 90% de la energía incidente.
Este fenómeno se conoce como fotoinhibición, que significa que la actividad
fotosintética no aumenta con la luz recibida a partir de una cierta intensidad de luz
e incluso puede llegar a disminuir.

La figura 2.5 muestra la curva de respuesta a la intensidad de luz, curva P/I, que
es una buena herramienta de análisis de la actividad fotosintética (P) a diferentes
intensidades de luz (I). La curva P/I representa una respuesta típica del
crecimiento respecto a la disponibilidad del sustrato y se divide en tres zonas: una
zona de limitación de luz (zona 1), en la que actividad fotosintética aumenta con
la intensidad de luz hasta alcanzar una valor máximo (Pmax), una zona de
saturación por luz (zona 2), en la que la actividad fotosintética es independiente de
la intensidad de luz y se mantiene aproximadamente en Pmax, y una zona de
fotoinhibición por luz (zona 3), donde la actividad fotosintética comienza a
reducirse con el aumento de la intensidad de luz. El valor de la constante Ik, que es
característico para cada especie, define la intensidad de luz a partir de la cual la
actividad fotosintética sufre una desaceleración, es decir, a la que el sistema
fotosintético comienza a saturarse (Richmond, 2004). Debe tenerse en cuenta que
esta curva dosisrespuesta es únicamente válida cuando la luz es el factor limitante
al crecimiento y todas las células reciben la misma cantidad de luz, como sucede
en cultivos de baja densidad.

Figura 2.5. Curva dosis-respuesta que describe la actividad fotosintética de una

célula frente a la intensidad lumínica que recibe. La constante Ik viene dada por
la intersección entre la pendiente de la curva P/I en su tramo lineal con la
actividad fotosintética máxima (Pmax).

Los cultivos microalgales exteriores suelen sufrir fotoinhibición en las horas

centrales del día, debido a las altas intensidades lumínicas (Falkowski y Owens,
1980, Molina-Grima, 1996, Vonshak, A, y Guy, R., 1992). Cuando esto ocurre las
células desarrollan diversos mecanismos para aclimatarse a la nueva situación,
como la producción y degradación del complejo captador de luz o fotosistema. Si
la situación de fotoinhibición es alta, puede resultar en la producción de sustancias
tóxicas derivadas del oxígeno y como consecuencia, la muerte foto-oxidativa. Por
ello, si ocurre el fenómeno de fotoinhibición, la célula puede reducir su velocidad
de fotosíntesis o incluso, morir, implicando todo ello pérdida de eficiencia
fotosintética y productividad (Benemann, 1992).

La fotoinhibición podría evitarse reduciendo el tamaño de la antena colectora de luz,

mediante modificación genética. Con un menor tamaño de antena las células
 absorberían menor cantidad de luz, impidiéndose así la saturación y dejando luz
disponible para otras células (Polle et al., 2002, Melis, 2004).

Por todas las razones argumentadas anteriormente, incluida la fotoinhibición, la

eficiencia fotosintética teórica se ve reducida en las instalaciones comerciales a un
3-4% (Benemann, 1992), es decir, que de 100 fotones que inciden sobre una
célula fotosintética, solo se aprovechan 3 ó 4.

2.3. Cultivo de microalgas

2.3.1. Parámetros que influyen en el crecimiento o productividad.

Los factores determinantes en la productividad de un cultivo de microalgas son la

temperatura, el pH, los nutrientes del medio y la luz que incide sobre cada célula.
Los fotobiorreactores son los sistemas de cultivo cuyo objetivo consiste en
facilitar el aporte de nutrientes y luz a las células microalgales y adecuar (en la
medida de lo posible) las condiciones ambientales a las condiciones óptimas de
crecimiento de la especie en concreto que se va a cultivar. Estos sistemas pueden
ser cerrados (closed systems) o abiertos, tipo estanques (open ponds).

Temperatura

La temperatura en el crecimiento microalgal es un factor a tener en cuenta, ya que

ésta influye en los coeficientes de velocidad de reacciones biosintéticas
(Richmond, 1986). La relación entre temperatura y velocidad de crecimiento crece
exponencialmente hasta que se alcanza la temperatura óptima. Cuando se trata de
un sistema de cultivo cerrado, la temperatura puede ser controlada fácilmente por
varios mecanismos, como rociadores de agua, inmersión del colector solar en un
baño (piscina) termostatizado, situar reactor dentro de un invernadero, etc
(Rebolloso-Fuentes, 1999). Sin embargo, en un sistema de cultivo en estanques
abiertos, es más difícil de controlar y existen ciertos recursos como cubrir los
estanques con plásticos transparentes a modo de invernadero.
Nutrientes

Los requerimientos nutritivos para el cultivo de las microalgas (Richmond, 2004)

incluyen:

 Carbono inorgánico. Para conseguir altas producciones de biomasa

microalgal, el aporte externo de CO2 es fundamental. Las concentraciones
atmosféricas de CO2 no satisfacen las necesidades de sistemas autotróficos
(cuya única fuente de carbono es el CO2) de producción de microalgas de alto
rendimiento (Lee, 1995). Por otro lado, el sistema de equilibrio CO2–H2CO3–
HCO-3_CO32- es el mecanismo amortiguador más importante presente en las
aguas dulces, y el mejor modo de controlar y mantener un nivel específico de
pH, óptimo para cada especie.

El sistema bicarbonato-carbonato puede aportar CO2 para la fotosíntesis

mediante las siguientes reacciones:

2HCO3− ⇔ CO32− + H 2O + CO2

HCO3− ⇔ CO2 + OH −

CO32− + H 2O ⇔ CO2 + 2OH −

La existencia de este equilibrio provoca que durante la fijación fotosintética

de CO2, se acumule OH- en el medio de cultivo, subiendo el pH.
Posiblemente, la mejor forma de regular el pH sea mediante un controlador
estático que inyecta CO2 directamente en el medio cuando detecta una caída
de pH, al mismo tiempo que aporta el CO2 necesario para cultivos de alta
productividad. Se debe tener en cuenta, además, que durante la respiración,
los microorganismos liberan CO2 al medio, bajando el pH, aunque su
influencia no suele ser muy grave, ya que como regla general la respiración
suele ser un 10% de la fotosíntesis.

 Nitrógeno. Después del carbono, el nitrógeno en el nutriente más importante

para las microalgas. El contenido en nitrógeno en la biomasa microalgal varía
 desde un 1 al 10%. El nitrógeno, normalmente, se añade como nitrato (NO3-)
o como amonio (NH4+). La adicción de amonio suele ser más problemática,
ya que al ser fijado por los microorganismos, el pH baja significativamente.
La utilización de nitrato como fuente de N conlleva una subida de pH, pero
no muy acusada. Un problema adicional del amonio es que, éste puede
perderse por volatilización, sobre todo a pH elevado. Lo que aún no se ha
determinado es qué forma de nitrógeno es más beneficiosa energéticamente
para la producción de microalgas.
 Fósforo. El fósforo es esencial para muchos procesos celulares, como son la
transferencia de energía, formación de ácidos nucleicos, etc. Suele añadirse a
los medios de cultivo en forma de HPO42- o HPO4-. Aunque el contenido en
fósforo de las microalgas es menor al 1%, su deficiencia en el medio de
cultivo es una de las mayores limitaciones al crecimiento. Las deficiencias
ocurren porque el ortofosfato tiene tendencia a unirse a otros cationes (CO32-,
Fe3+) y precipitar.
 Otros macro- y micronutrientes. Aparte del C, N y P, otros elementos son
necesarios para el cultivo de microalgas, tanto macronutrientes (S, K, Na, Fe,
Mg, Ca) como micronutrientes o elementos traza (B, Cu, Mn, Mo, Zn, V y
Se), tal como se deriva de la composición elemental de las células
microalgales. Muchos de los elementos traza son relevantes en reacciones
enzimáticas y biosíntesis de compuestos necesarios para el metabolismo. Al
igual que el P, estos iones también muestran cierta afinidad por otros
compuestos del medio y precipitan. Para aliviar este problema, se añaden al
medio agentes quelantes de metales, como el EDTA (especialmente el Na-
EDTA, que es de fácil disolución).

pH y alcalinidad

El pH del medio influye tanto en la proporción de las especies del equilibrio químico
del CO2, y por tanto, en la alcalinidad, como en la forma química en que se encuentran
algunos nutrientes y micronutrientes. Cada especie de microalga necesita un cierto
rango de pH al cual su crecimiento es óptimo, dependiendo de qué especies químicas
esté más habituada a asimilar. Como se ha comentado anteriormente, el pH se controla
fácilmente con la inyección controlada de CO2, pero también con adicción de ácido o
base.

Disponibilidad de luz

La disponibilidad de luz es sin duda el principal factor limitante de los cultivos

fotoautótrofos de microalgas. Los nutrientes inorgánicos e incluso el CO2 pueden ser
incorporados al medio de cultivo en exceso, de forma que nunca sean limitantes al
crecimiento. Sin embargo la luz debe ser continuamente suministrada al cultivo, ya que
la energía radiante no se puede acumular (Molina-Grima et al., 1996).

En cultivos poco densos la disponibilidad de luz queda asegurada suministrando

luz a la intensidad en la que se alcanza Pmax (Fig. 2.5), pero si este cultivo está en
el exterior, en las horas de mayor irradiancia solar, el cultivo sufrirá
fotoinhibición. La forma de combatir la fotoinhibición consiste en aumentar la
densidad del cultivo, de forma que las células se hacen sombra entre ellas (efecto
de autoensombrecimiento). Así se va reduciendo la intensidad de luz desde el
exterior hacia el interior del cultivo. Pero es posible que la densidad sea lo
suficientemente alta como para que la luz no pueda llegar hasta el interior,
habiendo zonas en el reactor expuestas a una alta intensidad de luz (zonas
fotoinhibidas) y otras a las que la luz no llega (zonas fotolimitadas), como muestra
el esquema de la figura 2.6.

Por ello en cultivos densos se hace necesario una adecuada agitación del cultivo,
que haga circular a las células constantemente entre las zonas iluminadas y
deficientes en luz, como muestra el esquema de la figura 2.6. En la zona
iluminada las células absorberán gran cantidad de luz, debiendo permanecer en
ella un tiempo corto para evitar la fotoinhibición. De ahí pasarán a la zona oscura,
donde pueden seguir realizando la fotosíntesis aún a intensidad es nula, un cierto
tiempo después de haber absorbido la luz, gracias a la inercia del crecimiento
fotosintético (Molina-Grima et al., 1996). La geometría del reactor condicionará
el recorrido realizado por las células mientras son impulsadas por la agitación. Así
 por ejemplo, en reactores tubulares, a mayor diámetro mayor recorrido y tiempo
necesario para pasar de la zona iluminada a la zona oscura. El tiempo que tarda
una célula en hacer este recorrido determina lo que se conoce como ciclo
luz/oscuridad.

Es por esto que, uno de los mayores esfuerzos en la investigación aplicada de

microalgas se ha centrado en el diseño de fotobiorreactores que optimizan las
condiciones de agitación, superficie iluminada, penetración de luz, etc., para que
cada célula reciba una iluminación adecuada. Éste sigue siendo actualmente uno de
los retos de la investigación (Pulz, 2001).

Zona de saturación de luz Zona oscura Zona de saturación de luz Zona oscura

Figura 2.6. Recorrido de las células, desde la zona exterior, con saturación de luz, a
la zona interior, fotolimitada, en fotobiorreactores tubulares de diferente diámetro.

2.3.2. Sistemas de cultivo: fotobiorreactores.

Los fotobiorreactores (PBR) son reactores donde organismos fotótrofos son cultivados
con alta eficiencia. Aunque la palabra fotobiorreactor se suele utilizar para sistemas
cerrados, en un sentido más amplio, es válida también para estanques abiertos.

Los criterios comunes de diseño de un fotobiorreactor son aquellos que resultan en una
alta productividad volumétrica y conversión de energía lumínica de forma
económicamente viable. Un PBR eficiente no se puede diseñar sin los adecuados
conocimientos del comportamiento de los organismos durante su cultivo. Puesto que
los organismos fototrofos presentan gran diversidad en cuanto a morfología,
requerimientos nutritivos y de luz y resistencia a diferentes tipos de estrés, los PBR
deben ser diseñados para un organismo y unas condiciones ambientales concretas. Los
principales criterios de diseño son: relación superficie iluminada/volumen del reactor,
orientación e inclinación, sistemas de mezcla y desorción de gases, sistemas de
limpieza y de regulación de la temperatura, transparencia y durabilidad del material.
Facilidad de operación y de escalado, así como bajos costes de construcción y
operación son también de particular importancia para los fotobiorreactores
comerciales.

Sistemas abiertos (estanques)

Toda la producción comercial de microalgas que se está realizando en este momento,

salvo pequeñas excepciones, se está cultivando en este tipo de sistemas. Las razones
principales son la facilidad de construcción y operación, su bajo coste y su mayor
durabilidad (Richmond, 2004). Sin embargo, las mayores limitaciones de los sistemas
abiertos incluyen la mala accesibilidad de las células a la luz, las pérdidas por
evaporación, el uso de grandes extensiones de terreno y la contaminación del cultivo
por depredadores y otros organismos heterótrofos de rápido crecimiento (Ugwu,
2007). Por ello las producciones comerciales se reducen a especies que crecen en
condiciones extremas de pH, salinidad, etc.

Los estanques abiertos son tanto sistemas naturales (lagunas, estanques), como
sistemas artificiales, que presentan diferentes diseños: inclinados (de capa fina),
circulares y los más extendidos, los tipo raceway. En los fotobiorreactores inclinados
el cultivo va descendiendo resbalando por una superficie inclinada, creando gran
turbulencia y una fina capa de cultivo. Las desventajas son las típicas de los sistemas
abiertos, añadiendo el coste energético de bombear el cultivo de nuevo a la parte
superior. En los estanques circulares como los de la figura 2.7a, la agitación se realiza
mediante una pala que gira recorriendo toda la superficie. A pesar de ser costosos en
su construcción y operación, son muy usados en Japón, Taiwán e Indonesia para la
producción de Chlorella (Lee, 2001). Por último los estanques tipo raceway (ver
figura 2.7b), consisten en una cavidad escavada en el suelo, con una profundidad de
15-20 cm, cubierta con plástico para evitar percolación. El estanque se divide en dos
canales y la circulación y agitación del cultivo se realiza mediante paletas giratorias,
que además hacen circular el cultivo a lo largo del estanque.

(a) Estanques circulares (b) Raceway

Figura 2.7. Dos tipos de fotobiorreactores abiertos: (a) sistemas circulares y (b) tipo
raceway.

Sistemas cerrados

Los fotobiorreactores cerrados se caracterizan por la regulación y control de casi todos

los parámetros importantes, al mismo tiempo que reducen el riesgo de contaminación
y las pérdidas de CO2. Además, éstos permiten condiciones de cultivo reproducibles,
control de temperatura y diseño flexible (Pulz, 2001). En estos equipos, la luz no
incide directamente en las células, sino que atraviesa unas paredes transparentes para
llegar hasta ellas. Por ello en los PBR cerrados el intercambio directo de gases entre el
cultivo y la atmósfera suele estar fuertemente limitado. La principal consecuencia es la
acumulación de oxígeno en su interior. Las posibilidades técnicas de un PBR cerrado
son mucho mayores que las de los sistemas abiertos.

Los fotobiorreactores pueden ser clasificados según su diseño y modo de operación.

En cuanto a diseño, los reactores pueden ser: (a) planos o tubulares, (b) horizontales,
verticales, inclinados o espirales, (c) serpentines (tubos acodados, circulación en serie)
o múltiples (circulación en paralelo desde un colector repartidor a uno recogedor).
Desde el punto de vista del modo de operación, los PBR pueden clasificarse como: (d)
impulsados/agitados por aire o por bombas y (e) reactores de una fase (el intercambio
de gases se produce en una cámara separada) o de dos fases (no existe cámara de
intercambio de gases, sino que éste se produce a lo largo de todo el reactor).

De todas las posibles configuraciones, los reactores cerrados que más están siendo
investigados para su aplicación a la producción comercial de sustancias de alto valor son:

1. PBR tubulares. Los reactores tubulares (Fig. 2.8a) son de los más adecuados
para cultivos en el exterior, debido a su alta relación área iluminada/volumen
reactor. La figura 2.8a muestra un reactor tubular de serpentín, en el que todo el
líquido de cultivo pasa por todos los tubos hasta llegar a la zona de desgaseado
(columna vertical, no mostrada en la imagen), tras la cual, comienza de nuevo su
recorrido. El grado de agitación y la transferencia de materia en los PBR tubulares
son limitados, causando altas concentraciones de O2. Los problemas de
fotoinhibición también son comunes, ya que si no hay un buen grado de mezcla las
células de la superficie reciben grandes cantidades de luz, mientras que a las
interiores no les llega la suficiente (Ugwu et al., 2007). A principios de los 80, Pirt
y colaboradores desarrollaron un PBR tubular que posteriormente fue patentado
(Pirt et al., 1983).

Molina-Grima y colaboradores han contribuido con importantes avances al

desarrollo de los fotobioreactores. En la figura 2.9c puede verse uno de sus
diseños: un reactor tubular de 3.000 litros. El reactor de mayor tamaño que han
desarrollado es un reactor tubular horizontal, con desorción en columna airlift, de
30.000 litros, instalado en el interior de un invernadero, para amortiguar los
cambios de temperatura (MolinaGrima, 2008).

2. PBR de paredes planas, inclinados o verticales. Su principal ventaja es la gran

superficie iluminada (Fig. 2.8b). Generalmente están hechos de materiales
transparentes (plásticos). Se ha comprobado que las concentraciones de O2 disuelto
son bajas y que se alcanzan altas eficiencias fotosintéticas. Tiene ciertos
problemas, como la dificultad de escalado, imposibilidad de controlar la
temperatura y posible estrés hidrodinámico de ciertas especies (Ugwu et al. 2007).
 Este tipo de reactores han sido ampliamente investigados por Tredici y
colaboradores (Tredici et al., 1991, Tredici, y Materassi, 1992, Tredici y Chini-
Zitelli, 1998). Una nueva versión de reactores planos puede verse en la figura 2.9b,
construido con bolsas de plástico e inmersos en un estanque de agua para
regulación térmica.

(a) Reactor tubular (b) Reactor de paredes planas

Figura 2.8. Dos tipos de fotobiorreactores cerrados exteriores. (a) Reactor tubular
horizontal y (b) reactor plano inclinado.

3. PBR de columna vertical. Son muy sencillos de esterilizar y de operar

monosépticamente, compactos y de bajo coste. Su sistema de agitación consiste en
inyección de aire desde el fondo (Ugwu et al., 2007). La desorción de gases tiene
lugar en la parte alta de la columna. Se estima que pueden ser adecuados para el
cultivo a gran escala, sin embargo, tampoco existen aplicaciones comerciales.

4. PBR iluminados interiormente. La iluminación puede ser artificial, mediante

lámparas fluorescentes, o natural, mediante el uso de colectores solares y fibra
óptica que recogen luz solar del exterior y la transfieren al interior de los reactores
(Fig. 2.9a) (Usui e Ikenouchi, 1997, Ono y Cuello, 2006). Los reactores con
colector solar siguen siendo una tecnología que acapara gran interés en la
investigación, dado su gran potencial de productividad porque reduce los
problemas de accesibilidad a la luz y la fotoinhibición. La iluminación artificial
 con lámparas solo puede considerarse en la investigación, ya que el consumo de
energía es muy elevado para ser utilizada en producciones comerciales.

(a) Reactor plano iluminado

interiormente (b) Reactor plano de bolsas

(c) Reactor tubular de 3.000 l impulsado por columna airlift

Figura 2.9. Diferentes tipos de Fotobiorreactores: (a) plano con iluminación interior
utilizado para investigación, (b) plano inmerso en estanque de agua , (c) tubular
horizontal impulsado por columna airlift .
La elección del tipo de fotobiorreactor es complicada y no debe hacerse sin un estudio
previo de la especie a cultivar, respecto a resistencia a condiciones ambientales o
hidrodinámicas, costes de operación, necesidad de esterilidad, del valor del producto
final o de los recursos hídricos o de suelo disponibles (Ugwu et al., 2007).

BASES TEÓRICAS

Dióxido de carbono

El dióxido de carbono (𝐶𝑂2) es un gas incoloro, denso y poco reactivo. Forma parte de la
composición de la tropósfera (capa de la atmósfera más próxima a la Tierra) actualmente en
una proporción de 350 ppm. (partes por millón). Su ciclo en la naturaleza está vinculado al
del oxígeno.

El balance del dióxido de carbono es sumamente complejo por las interacciones que existen
entre la reserva atmosférica de este gas, las plantas que lo consumen en el proceso de
fotosíntesis y el transferido desde la tropósfera a los océanos.

El aumento del contenido de dióxido de carbono que se verifica actualmente es un

componente del cambio climático global, y posiblemente el mejor documentado. Desde
mediados del siglo XIX hasta hoy, el aumento ha sido de 80 ppm.( Raynaud, 1993).

𝐶𝑂2
Microalga Nannochloropsis

La microalga Nannochloropsis oculata (Droop) Hibberd es una microalga muy importante

en acuicultura debido a su valor nutricional. Esta microalga pertenece a la clase
Eustigmatophyceae, que agrupa a las especies que contienen la mayor cantidad de ácidos
grasos poliinsaturados (PUFAs), especialmente ácido eicosapentaenoico (EPA), ácido
araquidónico (ARA), docosahexaenoico (DHA) de gran importancia en la nutrición de
animales marinos, especialmente en el crecimiento y desarrollo de larvas de peces,
moluscos y crustáceos (Otero et al., 1997; Brown et al, 1999).
Bibliografia

Raynaud, D., J. Jouzel, J.M. Barnola, J. Chappellaz, R.J. Delmas & C. Lorius, 1993. The
ice core record of greenhouse gases. Science, 259:926-934.

Otero A., García D. & Fabregas J. 1997. Factors controlling eico-sapentaenoic acid
production in semicontinuous cultures of marine microalgae. Journal of Applied
Phycology, 9: 465-469.

Brown M., Mular M., Miller I., Farmer C. & Trenerry C. 1999. The vitamin content of
microalgae used in aquaculture. Journal of Applied Phycology, 11: 247-255.