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Investigación y Saberes, Vol. I No. 2 (2012): 37-43 Artículo científico

PRODUCTIVIDAD DE LÍPIDOS Y COMPOSICIÓN DE ÁCIDOS GRASOS DE CINCO ESPECIES DE

MICROALGAS

Yatalí Montero-Sánchez1, Araíz Gallo1, Liliana M. Gómez2, Inaudis Álvarez2, Leonor C. Sabina1, Yanet Támbara3, Alberto Álvarez3, Marlén C. Alfonso1 y Luis R. Ramírez1

1Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar. (ICIDCA) Vía Blanca y Carr. Central No 804 CP 11000 C. Habana. Cuba. 2 Centro Nacional de Electromagnetismo Aplicado. (CNEA) Ave. Las Américas s/n CP

90900 Santiago de Cuba. 3Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología. (CIGB) Ave 31 e/ 158 y 190 AP 6162.

Cubanacán. Playa. Cuba. yatali.montero@icinaz.minaz.cu, yanet.tambara@cigb.edu.cu

Enviado (11.04.2012) Aceptado (30.08.2012)

RESUMEN

Las aplicaciones productivas y comerciales de las microalgas son tan diversas como numerosas son las especies que integran este grupo de organismos. Recientemente el empleo de las microalgas como fuente renovable de energía ha sido objeto de interés de la comunidad científica internacional. Las microalgas como fuente renovable de aceite para la producción de biodiesel ofrecen una alternativa para solucionar la futura crisis energética que acontecerá como resultado del agotamiento de los combustibles fósiles. El primer paso en el desarrollo de la tecnología para la producción de biodiesel de microalgas es sin dudas la selección de la especie adecuada. En el presente trabajo se estudiaron cinco cepas de microalgas a las que se les determinó las productividades de biomasa y lípidos totales, así como el perfil de ácidos grasos de sus aceites. Se seleccionó como mejor candidata la especie Chlorella vulgaris por presentar las más altas productividades de biomasa (0.150 g L-1 día-1) y lípidos (42.49 mg L-1

día-1). El perfil lipídico de su aceite, compuesto en su mayoría por ácidos grasos de 16 y 18 átomos de carbono, es adecuado para el proceso de producción de biodiesel.

Palabras clave: microalgas, ácidos grasos, biodiesel, vinazas.

ABSTRACT

Production and commercial applications of microalgae are as diverse as the numerous species which exits in this group of organisms. Recently the use of microalgae as a renewable source of energy has been of interest to the international scientific community. Microalgae as a renewable source of oil for biodiesel production offer an alternative for solving future energy crisis will happen as a result of fossil fuel depletion. The first step in the development of technology for the production of biodiesel from microalgae is undoubtedly the proper species selection. In this paper we studied five strains of microalgae which were determined productivities of biomass and total lipid and fatty acid profile of the oils. Was selected as the best candidate for the species Chlorella vulgaris has higher biomass productivity (0.150 g L-1 day-1) and lipid (42.49 mg L-1 day-1). The lipid profile of the oil, consisting mainly of fatty acids of 16 and 18 carbon atoms is suitable for biodiesel production process.

Keywords: algae, fatty acids, biodiesel, vinasse.

INTRODUCCIÓN

Es ampliamente reconocida en nuestros días la imposibilidad de mantener la dependencia mundial a los combustibles fósiles como proveedores de energía; no solo debido a la rápida disminución de sus reservas mundiales sino también por el nocivo efecto ambiental que estos producen.

Los biocombustibles se presentan como una tentadora opción a esta crisis energética-medioambiental puesto que son obtenidos a partir de fuentes biológicas que tienen como ventajas que son renovables,

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biodegradables, producen menos emisiones y no contribuyen al incremento del dióxido de carbono en la atmósfera 1.

La obtención de biodiesel a partir de aceites de origen vegetal posee algunos problemas asociados a la necesidad de tierras, agua y gran cantidad de fuerza de trabajo para su siembra, cultivo y cosecha. Aunque se han encontrado especies de plantas oleaginosas capaces de desarrollarse en tierras no aptas para la producción de alimentos, siguen latentes los demás problemas mencionados.

El cultivo de microalgas surge entonces como una alternativa ya que además de ser una fuente renovable de aceites, se pueden desarrollar en aguas residuales con el doble beneficio de la biorremediación 2-5. La industria alcoholera por ejemplo, genera como desecho una gran cantidad de vinazas, a razón de 12 a 18 litros por litro de alcohol destilado, que a menudo provoca serios problemas medioambientales por ser un residual muy agresivo. Aun así contiene una gran cantidad de nutrientes que se pueden aprovechar para el cultivo de microalgas disminuyendo así su carga contaminante.

Entre las ventajas de las microalgas se encuentra que pueden crecer fotosintéticamente por lo que la adición de una fuente de carbono al medio no es requerida para su crecimiento, convirtiéndose además en grandes sumideros de CO2

6-8. El contenido de lípidos y ácidos grasos de las microalgas varía de acuerdo con las condiciones de cultivo; en algunos casos, el contenido de lípidos puede incrementarse por condiciones de no suministro de nitrógeno u otro factor de estrés 9, 10.

La obtención de ácidos grasos a partir de microalgas tiene como ventaja principal su gran productividad por hectárea. Con respecto a los cultivos agrícolas, la productividad de las microalgas es 30 veces superior al maíz o la soja 22. En cultivos cuyo contenido de ácidos grasos sea solo de un 30% de su peso seco, su productividad con respecto al cultivo de la palma africana (la reina de las oleaginosas) llega a ser unas 10 veces superior.

Una de las dificultades asociadas a la producción de ácidos grasos a partir del cultivo de microalgas es la localización e identificación de las especies adecuadas. Se conocen más de 40.000 especies de microalgas, de las cuales sólo se han explorado los usos potenciales de apenas unas decenas de las cuales no más de 10 son explotadas comercialmente a gran escala. Los trabajos de pesquisaje de nuevas especies son lentos, complejos y costosos, especialmente para la localización de nuevas especies ricas en ácidos grasos.

Alrededor de 30 cepas de microalgas han sido estudiadas para elegir la mejor productora de lípidos, y el género Nannochloropsis resultó ser uno de los mejores candidatos 11. Varios investigadores en cambio, se han centrado en Chlorella sp. 12, 13, que parece ser una buena opción para la producción de biodiesel puesto que aunque existen otras especies tan productivas como esta, posee una gran capacidad para crecer a partir de un gran número de sustratos así como una gran adaptabilidad a disímiles condiciones ambientales, otros factores a tener muy en cuenta a la hora de seleccionar una cepa como candidata para la producción de biodiesel. En el presente trabajo se estudiaron seis cepas de microalgas con el fin de determinar la mejor candidata para su cultivo como fuente de lípidos para la producción de biodiesel. Se evalúo además la capacidad de esta cepa para crecer a partir de vinazas de destilería como una estrategia futura para disminuir los costos de producción de la biomasa e implementar un sistema de tratamiento a este residual tan agresivo.

METODOLOGÍA

Cepas de microalgas y condiciones de cultivo: Se estudiaron cinco cepas de microalgas del Banco de Cepas del Laboratorio de Ecotoxicología del Centro Nacional de Electromagnetismo Aplicado. Las cepas estudiadas fueron Dunaliella salina, Scenedesmus acuminatus, Haematococcus pluvialis y Chlorella vulgaris, aisladas de ecosistemas cubanos y cultivadas en erlenmeyers con 150 mL de medio Bristol 14 y una cepa de Nannochloris sp. Todos los cultivos se desarrollaron bajo iluminación continua a 3 500 lux

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con lámparas luz blanca de 40 W y agitación constante en zaranda. El crecimiento celular se determinó mediante cámara de recuento hematológico Neubauer improved.

Separación de la biomasa: Los cultivos fueron colectados a los 10 días, al final de la fase de crecimiento exponencial. La biomasa fue separada por centrifugación durante 20 min a 3 500 rpm y se determinó el peso de la biomasa obtenida con un 86 % de humedad.

Determinación de lípidos totales: Se determinó el contenido de lípidos totales 15, sometiendo la muestra a 85°C durante dos horas en la primera etapa de extracción con la mezcla cloroformo metanol.

Obtención de los metil ésteres de los ácidos grasos: A 150 mg de aceite se le adicionaron 5 mL de disolución de metóxido de sodio en metanol al 10% y se colocó en un tubo herméticamente sellado a 85°C en termostato seco durante dos horas con agitación vigorosa ocasional. Se dejó enfriar a temperatura ambiente y se le adicionó 5 mL de n-hexano y 5 mL de agua destilada y se agitó durante un minuto. Se dejó reposar hasta la separación de las dos fases. Se extrajo una alícuota de 4 mL de la fase orgánica (superior) hacia otro tubo de ensayo y se desechó el resto. Al segundo tubo de ensayo se le adicionó 5.0 mL de n-hexano y 5 mL de hidróxido de sodio en metanol 1 N, se selló y se agitó en zaranda durante un minuto. Se dejó reposar hasta la separación de las fases y se extrajo una alícuota de 2 mL de la fase orgánica (superior) hacia un vial y se secó en una centrifuga evaporadora al vacío para eliminar el disolvente.

Cromatografía de gases: Los ésteres metílicos resuspendidos en 1 mL de n-hexano fueron analizados en un cromatógrafo de gases Agilent Technologies 7 890 A equipado con detector de ionización de llama (FID) una columna HP-5 30m x 0.32 mm, 0.25 mm de diámetro interno con un gradiente de temperatura de 10°C min.-1 desde 135 hasta 255°C y 270°C por 3 min. Se empleó hidrógeno como gas portador manteniendo un flujo de 1 mL min.-1 El volumen de inyección fue de 1 µl en modo Split 100:1. La temperatura del inyector y del detector fue de 250°C.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Determinación de la productividad de biomasa y lípidos de las microalgas de estudio

Teniendo en cuenta las productividades reportadas en la literatura por diferentes grupos de investigación y su disponibilidad en el cepario del Laboratorio de Ecotoxicología del CNEA se seleccionó un total de cinco cepas de microalgas, para determinar su contenido lipídico en nuestras condiciones de cultivo y decidir cuál (o cuales) es adecuada para ser empleada como fuente de lípidos para la producción de biodiesel. En la tabla I se relacionan las cinco cepas de microalgas seleccionadas para el presente estudio así como su porcentaje de lípidos respecto a la biomasa y su productividad.

El porcentaje de lípidos en la biomasa de las cepas estudiadas osciló entre el 13 y el 51%, siendo el mayor contenido lipídico el alcanzado por la microalga Nannochloris sp. y el más bajo de H. pluvialis. Atendiendo al criterio de clasificación, que considera como microalgas oleaginosas a todas aquellas con la capacidad de acumular lípidos por encima del 20% de su peso seco. Tres de las microalgas en estudio, Nannochloris sp., Dunaliella salina y Chlorella vulgaris se presentan como posibles fuentes de lípidos para la industria al presentar contenidos de lípidos en su estructura de 51, 29 y 28%, respectivamente, valores que concuerdan con los referidos por Mata y colaboradores (2010) 16.

Sin embargo, la presencia de un elevado contenido de lípidos en la biomasa microalgal no siempre es garantía para el empleo de una especie como fuente de lípidos. Aquellas especies con mayor por ciento lipídico, a menudo son también de crecimiento lento. Tal es el caso de Botryococcus braunii que aunque capaz de almacenar entre 50 y 75% de lípidos en base a su peso seco, su productividad es de tan solo 5 mgL-1d-1 16.

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TABLA I. Contenido de aceite y productividad de las microalgas seleccionadas para el estudio.

Especie de microalga % de lípidos Productividad de lípidos (mgL-1d-1)

Productividad de biomasa (gL-1d-1)

Scenedesmus acuminatus 15.3 2.40 0.020

Nannochloris sp. 51.0 1.46 0.003 Dunaliella salina 29.2 5.42 0.020

Chlorella vulgaris 27.8 42.49 0.150

Haematococcus pluvialis 13.4 11.96 0.090

De manera general la productividad y el contenido de lípidos se encuentran inversamente relacionados, un hecho que se explica gracias al elevado costo metabólico de la biosíntesis de lípidos. En el presente trabajo aquellas especies capaces de acumular la mayor cantidad de lípidos fueron también las que presentaron menores productividades de biomasa, confirmando que elevados contenidos lipídicos y altas productividades de biomasa (la cualidad más deseada para la producción de biodiesel a partir de microorganismos) son mutuamente excluyentes. Por tanto el mejor productor de lípidos será aquella cepa que muestre la mejor combinación de productividad de biomasa y contenido lipídico.

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la candidata de elección para trabajos futuros con vistas a su explotación como fuente de ácidos grasos para la producción de biodiesel, resultó ser la microalga C. vulgaris. Esta especie además de presentar un elevado contenido lipídico en su estructura presentó la mayor productividad de biomasa (0.15 gL-1d-1) y por consiguiente la mayor productividad de lípidos (42 mgL-1d-1) del total de cepas estudiadas. Por otra parte, el cultivo de C. vulgaris cuenta con la ventaja adicional de ser fácilmente adaptable a diferentes condiciones de cultivo y sustrato 17-20, características deseables para cultivos a gran escala. Presenta, además, un corto ciclo de crecimiento por lo que el tiempo de cultivo es mucho menor disminuyendo así el riesgo de contaminación con especies no deseadas.

Determinación de la composición de ácidos grasos de los lípidos de las microalgas de estudio

El contenido y perfil lipídicos de las microalgas son considerados como propios de la especie y no del género, de manera tal que este parámetro varía notablemente entre las especies individuales de cada grupo taxonómico 21. La figura 1 muestra los perfiles de ácidos grasos de las fracciones lipídicas de las microalgas estudiadas. El porciento relativo de algunos ácidos grasos saturados e insaturados se relaciona en la tabla II.

No todos los lípidos microalgales son satisfactorios para la producción de biodiesel. Sin embargo, los apropiados para ello (ácidos grasos, libres y unidos covalentemente al glicerol y sus derivados) son producidos con frecuencia y constituyen la mayor fracción de los lípidos totales, usualmente del 20% al 40% 22,23. Para la obtención de biodiesel de elevada calidad es necesario partir de ácidos grasos de cadena larga 24. Las especies estudiadas presentaron ácidos grasos de 12 a 19 átomos de carbono, dentro de los cuales fueron mayoritarios aquellos con cadenas carbonadas de 16 y 18 carbonos por lo que estos extractos lipídicos son adecuados como materia prima para la producción de biodiesel.

Como se muestra en la tabla I, la fracción lipídica con un mayor porcentaje de insaturación le corresponde a la microalga D. salina. Este resultado concuerda con lo observado por Garibay y colaboradores quienes reportan el predominio de ácidos grasos polinsaturados en microalgas de ecosistemas salinos mientras en los dulceacuícolas prevalecen los ácidos grasos saturados y mono-insaturados 25. El incremento del número de insaturaciones de los ácidos grasos de partida provoca una mayor inestabilidad del biodiesel por su tendencia a la oxidación 26 por lo que de acuerdo a nuestros resultados, el aceite de D. salina no es recomendable para este tipo de producciones.

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Figura 1. Perfil de lípidos, por cromatografía gaseosa con detector de ionización de llama, de los ésteres metílicos de ácidos grasos de los aceites de las cepas estudiadas. (1) Scenedesmus acuminatus (2) Nannochloris sp. (3) Dunaliella salina (4) Chlorella vulgaris y (5) Haematococcus pluvialis.

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TABLA II. Contenido de ácidos grasos del aceite de las microalgas estudiadas. Ácidos grasos (% relativo)

Microalgas

S. acuminatus Nannochloris D. salina C. vulgaris H. pluvialis

C12:0 0.00 0.76 0.85 0.44 0.00

C14:0 0.00 2.45 0.38 0.27 0.00

C16:0 22.19 21.18 0.43 21.59 22.04

C18:0 0.37 0.00 0.00 0.52 14.02

C18:1 5.33 8.81 6.62 7.67 29.77

C18:2 56.89 0.00 0.00 21.94 23.40

C:19:0 0.69 2.77 0.94 0.17 0.45

saturados 23.25 27.15 2.59 22.98 36.51

insaturados 76.75 72.85 97.41 77.02 63.49

De las especies de microalgas estudiadas la mejor candidata para la producción de biodiesel resultó ser C. vulgaris por la elevada productividad de lípidos que esta microalgas es capaz de alcanzar así como por la adecuada naturaleza de los mismos. Teniendo en cuenta que aunque algunas especies de lípidos se expresan de manera constitutiva, su acumulación a gran escala ocurre como respuesta a la existencia de condiciones adversas para el crecimiento celular. Posteriores estudios del cultivo de esta microalga bajo diferentes condiciones de estrés, deben hacerse para evaluar la posibilidad de potenciar la acumulación de lípidos en su biomasa.

CONCLUSIONES

De las cinco especies estudiadas, la microalga Chlorella vulgaris fue la mejor fuente de ácidos grasos para la producción de biodiesel en correspondencia con su elevado contenido lipídico y la adecuada calidad de sus ácidos grasos, así como a su elevada productividad celular.

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