Cultivo de microalgas y macroalgas.pptx
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Este documento proporciona información sobre el cultivo de microalgas. Explica que las microalgas son microorganismos unicelulares fotosintéticos que pueden crecer rápidamente y producir grandes cantidades de biomasa. Detalla los parámetros importantes para el cultivo de microalgas como la luz, la temperatura, el pH, la agitación y los nutrientes. También describe los diferentes sistemas de cultivo, incluidos los sistemas de cultivo abiertos y cerrados.
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- 1. Cultivo de microalgas y macroalgas Elsie Espinoza Aguilar
- 2. ¿Qué son las algas? Las algas, pertenecientes en su mayoría al reino protista, son organismos fotosintetizadores de organización sencilla, que viven en el agua o en ambientes muy húmedos. En este grupo también se incluyen las cianobacterias de célula procariota. Las algas verdes y las cianobacterias están involucradas en la producción de metabolitos tales como hormonas vegetales, polisacáridos, compuestos antimicrobianos, entre otros
- 3. Introducción
- 6. Microalgas
- 7. Microalgas Son microorganismos unicelulares que tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis. Esto es, son capaces de generar biomasa orgánica a partir de CO2 y luz, usando al agua como dador de electrones, oxidándola a O2. Tienen una capacidad de crecimiento y de generación de biomasa mucho mayor que las plantas superiores, ya que no necesitan arraigar o generar estructuras reproductoras, lo que les permite duplicarse en cuestión de horas. Tienen una composición bioquímica compleja debida a la presencia del aparatofotosintético, que le da una gran riqueza en pigmentos y componentes como citocromos y ácidos poliinsaturados de cadena larga (PUFAs).
- 8. Características Crecen en medios líquidos: Agua dulce Agua de mar Efluentes Medios inorgánicos Crecimiento en condiciones variables. Corto tiempo generacional. Consumen 183 Ton CO2 y producen 100 Ton masa. Producen 60-80 Ton Peso Seco/Ha/Año. Al ser unicelulares toda la biomasa presenta los productos de interés. No compiten por el uso de los suelos. No compiten por el uso del Agua.
- 9. Clasificación Cianoficeas / CYANOPHYTA Cloroficeas / CHLOROPHYTA Criptoficeas / CRYPTOPHYTA Crisoficeas / CHRYSOPHYTA Diatomeas / DIATOMS Dinoficeas / DINOPHYCEA Euglenoficeas / EUGLENOPHYTA Xantoficeas /XANTOPHYTA
- 12. Reproducción
- 13. Características de los cultivos de microalgas Crecen rápidamente y tienen el potencial de generar una gran cantidad de biomasa en un tiempo relativamente corto.
- 14. Características de los cultivos de microalgas Elevada capacidad de generación de biomasa Generación de biomasa homogenea Gran variedad de productos y biomoléculas No necesitan tierra cultivable Nutrientes simples Aprovechamiento de la luz del Retirada de CO2 de la atmósfera Eficiencia fotosintética alta comparada con las plantas
- 16. Luz La luz constituye un factor fundamental en todo cultivo de microalgas, tanto por sí misma como por sus interrelaciones con otros parámetros. La radiación utilizable fotosintéticamente (PAR) cae dentro del rango del espectro visible ( 400 - 700 nm). Representa la fuente de energía para la fotosíntesis, y tanto " la intensidad luminosa como la longitud de onda y el fotoperíodo (que marca el mecanismo para muchos ritmos circadianos) afectan al crecimiento y metabolismo microalgal.
- 17. Luz
- 18. Luz
- 19. Temperatura La temperatura es otro parámetro fundamental para el crecimiento de las microalgas. La biomasa microalgal responde continuamente a la temperatura ambiental. La temperatura celular se iguala a la temperatura del medio de cultivo, en contraste con otros parámetros del medio como el pH. Además de afectar a las reacciones celulares, la temperatura también afecta a la naturaleza del metabolismo, los requerimientos nutricionales y la composición de la biomasa.
- 20. Temperatura
- 21. pH El pH es uno de los factores más importantes en el cultivo microalgal. Las membranas plasmáticas de las células microalgales no son libremente permeables a los iones hidrógeno e hidroxilo, por lo tanto las concentraciones de hidrogeniones intracelular y extracelular no están necesariamente equilibradas y existe un gradiente de concentración de hidrogeniones a través de la membrana.
- 22. pH
- 23. Agitación Una suficiente agitación del medio de cultivo es necesaria e incide directamente en el cultivo de microalgas. Cuando los requerimientos están satisfechos y las condiciones ambientales son satisfactorias, la agitación constituye el requisito más importante para la obtención de altos rendimientos de biomasa microalgal .
- 24. Agitación
- 25. Fuente de Carbono El macronutriente más importante es el carbono que constituye el 50% de la bíomasa microalgal. El crecimiento microalgal está limitado por la fuente de carbono y se ha utilizado como tal carbono orgánico e inorgánico. La fuente principal de carbono es el C02 aunque algunas microalgas pueden utilizar compuestos orgánicos (cultivos heterótroficos y mixotróficos).
- 28. Medios de cultivo Uno de los obstáculos en la producción industrial de microalgas es la formulación y preparación de un medio de cultivo química y económicamente apropiado. Los medios de cultivo utilizados para algas se pueden agrupar en 3 categorías: medios completamente sintéticos, medios basados en aguas naturales enriquecidas con suplemento mineral y utilización de residuos o aguas residuales. Los medios de cultivo sintéticos pueden ser comerciales o prepararse en cada laboratorio o planta a partir de sus componentes. Es conveniente que sean fáciles de hacer o reconstituir en el laboratorio y de fácil conservación.
- 30. Selección de cepas Al plantearse el cultivo microalgal deben seleccionarse cepas que sean fácil de cultivar en cultivos masivos con altas productividades y que tengan interés económico. Básicamente se distinguen dos tipos de estrategias de búsqueda de cepas de este tipo. El primer tipo puede ser considerado como un método directo, en el que se busca una actividad bioespecífica o un compuesto determinado en un gran número de extractos de especies. El segundo tipo de método es indirecto, no se dirige inicialmente hacia la detección de una actividad bioespecífica o compuesto determinado.
- 31. Técnicas de aislamiento Aislamiento con micropipetas • Este sistema de aislamiento permite obtener cultivos microalgales partiendo de una muestra con diversidad poblacional. Permite un amplio intervalo de separación entre microalgas móviles y no móviles, ya que las primeras son aisladas con mayor facilidad por este método. Diluciones seriadas • El material original puede ser diluido seriadamente varias veces en medio • de cultivo estéril y se toman pequeños volúmenes de cada dilución para transferir • a recipientes de cultivo, que se incuban con la luz y la temperatura adecuada. Aislamiento en placa • La mayoría de las microalgas crecen bien en una placa Petri o en tubo sobre agar al 1-2% preparado con medio de cultivo. Si el material original se siembra por estría en la superficie del agar con un asa curva será posible después de varios días de incubación a la luz y con la temperatura adecuada.
- 34. Sistemas de cultivos En la producción de organismos fotoautótrofos existen 2 diseños básicos: cultivos abiertos, donde la biomasa está expuesta a las condiciones medioambientales; y cerrados, denominados fotobiorreactores o PBR (por sus siglas en inglés), con poco o ningún contacto con el medio externo. Un sistema de cultivo es diseñado en base a diversos criterios: la biología de la(s) especie(s) a cultivar; forma del cultivo; requerimientos nutricionales, lumínicos y resistencia al; relación de la superficie iluminada/ volumen del reactor que determina la velocidad de crecimiento; orientación e inclinación; tipo de sistemas de mezcla y dispersión de gases; sistemas de limpieza y de regulación de la temperatura; transparencia y durabilidad del material; capacidad de escalado.
- 35. Sistemas de cultivos abiertos Son los sistemas más comunes. Comprenden tanto medios naturales, como lagunas y estanques, como artificiales con variedad de diseños. Por ejemplo, estanques circulares agitados mediante una paleta rotatoria usados en Japón, Taiwán e Indonesia para Chlorella.
- 36. Sistema de cultivos abiertos Las ventajas de los sistemas abiertos radican en su bajo costo y facilidad de construcción y operación, así como en la alta durabilidad. Como desventajas encontramos la baja accesibilidad de las células a la luz, la evaporación, la necesidad de grandes extensiones de terreno y exposición a contaminación por parte de organismos heterótrofos de rápido crecimiento y/o plancton pastoreador. Por ello muchas producciones comerciales se reducen a especies que crecen en condiciones ambientales extremas, tales como pH y temperatura.
- 37. Sistemas de cultivos cerrados Las dificultades en los sistemas de cultivo abiertos han favorecido el desarrollo de los sistemas de cultivo cerrados. Éstos permiten un importante control de los parámetros, disminuyendo sustancialmente los problemas presentes en los sistemas abiertos. Además, permiten realizar cultivos hiperconcentrados, ya sean mixtos o monoalgales. Los diseños en fotobiorreactores son variados: reactores planos o en placas. agitados mediante burbujeo; reactores tubulares, verticales u horizontales con agitación por burbujeo u otro; y reactores anulares, una variante de los reactores tubulares con una fuente lumínica interna
- 38. Sistemas de cultivos cerrados
- 39. Sistemas de cultivos cerrados
- 40. Imágenes de sistemas de cultivos
- 41. Otra clasificación CULTIVOS DISCONTINUOS ("BATCH") • En estos cultivos la población va pasando por las distintas fases de crecimiento, ajustándose generalmente a una función logística. • Tienen la ventaja de ser fáciles de manejar y son adecuados para estudiar las cinéticas de crecimiento. CULTIVO SEMI·CONTINUO • En este tipo de cultivo, parte del volumen se recoge para su utilización, generalmente al final de la fase exponencial, y la cantidad que se retira se reemplaza con medio de cultivo fresco. Este método requiere menos mano de obra que los cultivos en batch. CULTIVO CONTINUO • Es aquel en el que se mantiene la población en fase exponencial de crecimiento ("steady- state") durante largos periodos de tiempo. La ventaja de estos cultivos es que muestras tomadas a distintos tiempos son idénticas. Para ello hay que añadir continuamente nutrientes.
- 42. Contaminación En los cultivos en el exterior son inevitables cierto tipo de contaminaciones dadas las condiciones no asépticas, ya que ni el medio ni el ambiente están estériles. En la práctica, es necesario monitorizar y controlar tales contaminantes, con el fin de obtener una biomasa algal sin impurezas perjudiciales y para mantener los contaminantes dentro de unos límites tolerables. La mayoría de los contaminantes de cultivos limpios, además de bacterias, otras formas algales, zooplancton, virus, hongos e insectos, dependen de las condiciones locales, la especie cultivada y el sistema particular de cultivo
- 43. Contaminación El hongo más dañino para los cultivos de clorofíceas es Chytridium sp., que a menudo aparece con el flagelado Aphelidium sp. Las infecciones en los cultivos de Scenedesmus con estos organismos se han detectado en Alemania, Tailandia, Israel, Sudáfrica y Perú. Cuando aparecen indicios de contaminación por Aphelidium es necesario diluir fuertemente el cultivo con medio fresco. En el caso de zooplancton aparece ocasionalmente en los cultivos de algas verdes. Las especies más comunes son Lycrymanis sp., Colpidium sp. y Vorticella sp. En el caso de insectos el Chironomus en los cultivos de Scenedesmus y Ephydra en los cultivos de Spirulina
- 44. Microalgas de interés económico Chlorella: La producción a escala comercial está relativamente extendida en el sureste asiático, mientras que en otras zonas son más frecuentes otras especies. Spirulina: La producción comercial de Spirulina se lleva a cabo en México, Taiwan, Tailandia, California, Japón e Israel, así como en la India dentro de sistemas agrícolas de explotación integral. Dunaliella: De ellas se extrae fundamentalmente p-caroteno, glicerol y proteína. También se extrae oxycarotenoides (principalmente luteína) que incrementan el color amarillo de la yema del huevo. Scenedesmus: Esta microalga se ha utilizado también en dietas de adelgazamiento, ya que su ingestión media hora antes de las comidas reduce el apetito.
- 46. Biocombustibles
- 48. Macroalgas
- 49. Microalgas Son microorganismos unicelulares que tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis. Esto es, son capaces de generar biomasa orgánica a partir de CO2 y luz, usando al agua como dador de electrones, oxidándola a O2. Tienen una capacidad de crecimiento y de generación de biomasa mucho mayor que las plantas superiores, ya que no necesitan arraigar o generar estructuras reproductoras, lo que les permite duplicarse en cuestión de horas. Tienen una composición bioquímica compleja debida a la presencia del aparatofotosintético, que le da una gran riqueza en pigmentos y componentes como citocromos y ácidos poliinsaturados de cadena larga (PUFAs).
- 50. Características Crecen en medios líquidos: Agua dulce Agua de mar Efluentes Medios inorgánicos Crecimiento en condiciones variables. Corto tiempo generacional. Consumen 183 Ton CO2 y producen 100 Ton masa. Producen 60-80 Ton Peso Seco/Ha/Año. Al ser unicelulares toda la biomasa presenta los productos de interés. No compiten por el uso de los suelos. No compiten por el uso del Agua.
- 51. Clasificación Cianoficeas / CYANOPHYTA Cloroficeas / CHLOROPHYTA Criptoficeas / CRYPTOPHYTA Crisoficeas / CHRYSOPHYTA Diatomeas / DIATOMS Dinoficeas / DINOPHYCEA Euglenoficeas / EUGLENOPHYTA Xantoficeas /XANTOPHYTA
- 55. Alguicultura Es una forma de acuicultura que se preocupa del cultivo intensivo de las diferentes especies de algas.
- 56. Alguicultura Las civilizaciones orientales han consumido las algas marinas por sus cualidades nutritivas durante milenios. Actualmente se producen cerca de cinco millones de toneladas anuales de algas marinas principalmente para consumo humano, siendo China, Corea y Japón los principales centros de producción mundial . En América el cultivo de algas marinas se esta utilizando como alternativa productiva en diversas comunidades de pescadores de la región, particularmente en Argentina, Chile, Colombia, Perú, México, Cuba y Brasil.
- 57. Producción de algas Actualmente se producen cerca de cinco millones de toneladas anuales de algas marinas a través de la maricultura, principalmente para consume humano, siendo China, Corea y Japón los principales centros de producción mundial.
- 58. Cuidados
Notas del editor
- #8: Como captadoras de CO2 y asimiladoras del nitrógeno, son ademas una fuente sostenible de biocombustibles y biofertilizantes.
- #14: Como muestra la ilustración de la derecha, un tiempo de duplicación corto permite una rápida genetación de biomasa/la capacidad de generación de biomasa las microalgas ya que la biomasa microalgal puede duplicarse mucho más de 2 ó 3 veces más rápidamente (que es lo que muestra la ilustración) que las plantas superiores
- #16: Es importante conocer condiciones óptimas y los límites de tolerancia de una micro alga para todos o el mayor número de parámetros. Ahora bien, estas condiciones o límites para un parámetro generalmente cambian cuando un segundo parámetro fluctúa/para conseguir un cultivo de microalgas en crecimiento activo es necesario: un inóculo viable de tamafio mínimo, suministro de nutrientes y microelemen
- #18: Similares resultados se obtuvieron estudiando el efecto de la intensidad de luz sobre la microalga marina Phaeodactylum tricornutum a temperatura constante. La intensidad de luz afectó significativamente al crecimiento de P. tricornutum (Fig. 3), obteniéndose mejor crecimiento a la intensidad de luz mayor de las ensayadas (López-Muñoz et al., 1990). Estos resultados se repitieron con cultivos de Tetraselmis suecica.
- #19: representan los resultados de crecimiento de Phaeodactylum tricornutum y Dunaliella tertíolecta obtenidos con distintos tipos luz: blanca, roja, verde y azul (Wynne y Rhee, 1986). Se observa que el crecimiento con luz azul es similar al que se obtiene con luz blanca, mientras que la roja y la verde, producen crecimientos significativamente menores.
- #20: En las microalgas existe una relación entre la temperatura y la actividad biológica, aumentando la tasa de crecimiento cuando aumenta la temperatura, dentro de un rango óptimo, por encima del cual el crecimiento disminuye, a veces bruscamente, hasta llegar a cero si continúa el aumento de la temperatura.
- #21: . Esta respuesta se acentúa cuando la intensidad de luz es elevada (Fig. 8). El descenso de crecimiento a temperaturas altas puede ser debido a la interrupción de la regulación metabólica o la muerte celular.
- #23: La asimilación de nitrato y amonio está estrechamente relacionada con el pH del medio, dado que la absorción de nitrógeno cambia el pH (Fig. 12). La asimilación de nitrato tiende a aumentar el pH (Brewer y Goldman, 1976). Cuando se utiliza amonio como única fuente de nitrógeno, el pH del medio puede disminuir rápidamente hasta niveles de pH 3.0, causando efectos deletéreos colaterales.
- #26: El co2 es la fuente de carbono celular durante el crecimiento fotoautotrófico característico de las microalgas. En algunas microalgas (fotoautótrofas obligadas) es el único compuesto de carbono que pueden utilizar para el crecimiento
- #27: De las microalgas que utilizan azúcares como sustrato, el más disponible y, por tanto, más utilizado es la glucosa, y después galactosa y fructosa; pero los disacáridos son menos disponibles y menos utilizados. La figura 18 muestra el crecimiento de Scenedesmus con diferentes azúcares. Entre los alcoholes, el glicerol es comúnmente utilizado (
- #29: El enriquecimiento del agua dulce o el agua de mar natural con diferentes nutrientes químicos aumenta enormemente el crecimiento y las tasas de división de los cultivos de micro algas. En el caso de especies marinas, se ha utilizado agua de mar artificial para cultivos masivos exteriores, aunque es prohibitivamente caro preparar los grandes volúmenes requeridos para aplicaciones comerciales, por tanto es preferible el agua de mar natural y de mejor rendimiento.
- #30: Un estudio del crecimiento de 4 especies de microalgas marinas de importancia comercial (T. suecica, l. galbana, D. tertiolecta y P. tricornutum) utilizando los medios más comunes (ES Provasoli, Walne y f/2) junto con los nutrientes comerciales ALGAL-1 demostró un mejor crecimiento de todas las especies utilizadas con este medio, mientras que no había diferencias significativas entre los otros tres 21)
- #31: Una de las vertientes más desarrolladas del cultivo masivo de microalgas es su utilización como fuente de derivados biomédicos o compuestos químicos de interés.
- #33: Para realizar el aislamiento se parte de una muestra que previamente es concentrada por centrifugación y que se mantiene en cultivo durante 48 horas. Una gota del cultivo obtenido se coloca en el extremo anterior de un portaobjetos y se situa en la platina del microscopio. Justamente al lado, se establece una superficie larga y delgada hasta el extremo del portaobjetos de medio fresco y ésteril. Posteriormente, se establece una delgada unión entre la gota del cultivo y la superficie con micropipeta cerrada Observando con el microscopio el extremo de la superfie de medio ésteril, se puede seguir el movimiento de los flagelados hasta el extremo posterior del portaobjetos, donde se podrán recoger fácilmente las células que llegan con un microcapilar
- #35: Por último, son también importantes bajos costos de construcción y operación para fines comerciales/ La elección del tipo de sistema de cultivo es compleja, siendo importante determinar el tipo y valor del producto final desarrollado a partir de la biomasa, además de la disponibilidad de recursos hídricos y/o suelo
- #36: Entre éstos, el más utilizado es el High Rate Algal Ponds (HRAP) o Raceway, excavación o estanque con una profundidad de entre 15 a 30 cm, dividido por un muro central formando 2 canales. El cultivo circula mediante paletas situadas en uno de los canales. Este sistema es de los más rentables, ya que puede ser utilizado para el tratamiento de aguas residuales de distintas fuentes, lo que disminuye los costos por requerimientos nutricionales del cultivo.
- #41: Figura 1. En los sistemas de cultivo, existe una gran variedad de diseños diferentes. Se pueden separar en 2 grandes grupos. Sistemas abiertos (A) y sistemas cerrados (B, C y D). a) cultivo tipo carrusel (High Rate Algal Ponds; HRAP), modificado desde Mendoza et al. (2011); b) fotobiorreactor en paneles, modificado desde modificado de Richmond (2004); c) y d) fotobiorreactores tubulares, modificados desde Posten (2009) y Kao et al. (2012), respectivamente
- #42: Batch: (latencia, exponencial, estacionaria), y los parámetros que inciden en el crecimiento celular. /
- #45: El producto de Chlorella se distribuye como polvo o como píldoras en el mercado alimenticio. De esta especie se extrae un producto denominado Factor de Crecimiento de Chlorella (Chlorella Growth Factor, CGF), que mejora el crecimiento de las bacterias lácticas./ spirulina: su utilización como alimento terapéutico en niños y adultos, • como tratamiento de cicatrización de heridas, • estimulación tiroidea
- #50: Como captadoras de CO2 y asimiladoras del nitrógeno, son ademas una fuente sostenible de biocombustibles y biofertilizantes.