Tecnologías de producción de microalgas en criaderos

Ventajas y desventajas de los sistemas abiertos y cerrados.

Biorreactor de vidrio tubular para el crecimiento de microalgas y otros organismos fotosintéticos. Tiene una capacidad de 4.000 litros y el principio se desarrolló a finales de la década de 1990.

Este artículo (adaptado y resumido de la edición original de la Revista Acuacultura – Cámara Nacional de Acuacultura, No 123, junio de 2018) describe los diferentes sistemas de producción de microalgas y sus ventajas y desventajas relativas. Existen claras ventajas de utilizar sistemas cerrados y controlados en comparación con los sistemas convencionales de producción de algas al aire libre, pero aún existen algunos problemas técnicos y económicos.

Gran necesidad de sistemas de producción industrial con costes de inversión asequibles. A pesar de los costos relativamente altos asociados con los equipos de producción continua actualmente disponibles en el mercado, se han realizado importantes avances tecnológicos que ya aseguran una producción estable, alta densidad (106 células / ml) y alto valor nutricional.

Microalgas como alimento vivo

Las microalgas tienen ciertas propiedades que las hacen muy valiosas como fuente de alimento en la vida. Cada célula es básicamente una planta solar que sintetiza azúcares y otros compuestos bioactivos que luego pueden usarse como fuente de alimento, especialmente en las etapas larvarias de peces y camarones.

Todas las microalgas son fototróficas y solo requieren fuentes de luz ultravioleta, dióxido de carbono (CO2) y nutrientes inorgánicos para crecer. Las microalgas, al ser unicelulares, tienen una estructura muy simple en comparación con las plantas más avanzadas y consisten principalmente en una pared celular, una vacuola y un núcleo.

Esta simplicidad estructural permite un crecimiento y reproducción muy altos en comparación con los organismos multicelulares, ya que casi toda la energía en ciertas longitudes de onda (400-700 nm) se usa para la síntesis de carbohidratos, proteínas y lípidos (en ese orden). Esta muy alta eficiencia de transferencia a moléculas bioactivas hace que las microalgas sean una fuente de alimento ideal.

Los cuerpos de agua naturales, como lagos y lagunas, se han utilizado tradicionalmente para cultivar algas. Estos sistemas de producción abiertos son al aire libre y dependen del suministro de luz natural como única fuente de energía del sistema. La principal ventaja de estos sistemas abiertos es la falta de inversión inicial.

Sin embargo, en general, los sistemas abiertos son sensibles a una serie de deficiencias, algunas de las cuales son más importantes que otras. La contaminación por depredadores, organismos competidores y / o patógenos son los problemas más comunes asociados con la producción de algas al aire libre.

Además, el cambio climático, los flujos de nutrientes inorgánicos y el suministro adecuado de carbono son desafíos comunes. En la actualidad, el uso de sistemas abiertos a la producción comercial de algas se limita mayoritariamente a situaciones en las que las condiciones axénicas no se consideran primitivas, pero sí bajos costes de inversión inicial.

Vista aérea de una granja camaronera con cultivo extensivo y semi-intensivo de camarón y cultivo abierto de algas. Los diferentes colores de los estanques dan testimonio de la diversidad de especies de microalgas presentes en el sistema abierto y sus dificultades para mantener los monocultivos de microalgas.

Por el contrario, los sistemas de cultivo cerrados (biorreactores) se utilizan específicamente para cultivar organismos unicelulares en condiciones absolutamente axénicas que aseguran que no haya contaminación en el cultivo. El desarrollo de fotobiorreactores a escala industrial, que se puedan utilizar dentro de los posibles parámetros biológicos y económicos, aún está en curso. Sin embargo, en los últimos dos años, el uso de unidades de tamaño medio ha demostrado su utilidad en el sector forestal, especialmente en la producción de peces marinos y bivalvos en Europa y Estados Unidos.

En general, los fotobiorreactores se iluminan artificialmente con lámparas ultravioleta (UV) con ondas de radiación específicas en el rango de 400 a 700 nm. Este tipo de cultivo se puede ubicar en interior o exterior, pero las condiciones de cultivo anteriores son muy estables y permiten mantener una densidad celular / ml con perfiles de nutrientes homogéneos y optimizados.

Buike, microalgas, Tabla 1

Parámetro Sistemas abiertos Sistemas cerrados

Riesgo de contaminación Elevado Muy bajo
Pérdidas de dióxido de carbono Elevado Bajo
Pérdidas por evaporación Elevado Bajo
Eficiencia fácil de usar Pobre Excelente
Área requerida Grande Pequeña
Costos de inversion Bajo Elevado
Incrementando la producción Fácil Difícil

Tabla 1. Comparación de sistemas abiertos y cerrados en cultivo de microalgas.

Sistemas de producción abiertos

En general, los sistemas abiertos (al aire libre) representan el método clásico de producción de biomasa de algas unicelulares e incluyen piscinas, tanques y senderos artificiales, generalmente operados a profundidades de 15 a 45 cm y no más de 1 metro.

Durante los últimos 50 años, muchos países han utilizado diferentes métodos comerciales para producir algas, pero ahora existen tanques redondos estandarizados con flujos axiales, para una mayor homogeneidad del cultivo, y flujos longitudinales, que son más populares donde el espacio físico es limitado.

Vistas de la producción comercial de Spirulina spp en sistemas de cultivo abiertos, incluidos contenedores circulares de flujo longitudinal en China y Japón.

Las instalaciones de producción abiertas ofrecen algunas ventajas, especialmente en términos de disponibilidad de luz natural y facilidad de construcción. Sin embargo, se han informado limitaciones significativas de esta tecnología en los últimos 40 años, que incluyen:

  • Actualmente, solo un número limitado de especies de microalgas operan en sistemas abiertos.
  • Los sistemas abiertos requieren grandes áreas para mantener una proporción aceptable de área / volumen.
  • Baja eficiencia de asimilación de dióxido de carbono atmosférico; su oferta es casi siempre el primer factor limitante para los sistemas abiertos.
  • El nivel máximo de producción por densidad celular / ml es mucho más bajo que para los sistemas biodinámicos
  • En muchos casos, los costos operativos por kilogramo de biomasa cosechada son más altos en los sistemas convencionales debido a su mayor demanda de mano de obra, agua y energía.
  • La calidad del producto final es variable y muy difícil de manipular.
  • La contaminación de depredadores, competidores y patógenos es una solución muy común y costosa; por ejemplo, debido al diseño del sistema de tanque utilizado, las pérdidas por evaporación son elevadas.

A pesar de una serie de innovaciones a lo largo de los años, incluido el control de temperatura, el goteo de micronutrientes, la inyección directa de CO2 y la homogeneización mecánica, la productividad de estos sistemas sigue siendo muy baja en comparación con los sistemas fotobiorreactores de última generación, lo que les otorga una clara ventaja técnica a pesar de su mayor costo.

Sistemas de producción cerrados

La producción de cantidades suficientes de microalgas no contaminadas de alta calidad es un desafío continuo para muchos laboratorios larvarios locales, que a menudo resulta en el uso de alternativas más bajas o de algas insuficientes y, en casos extremos, el uso de agua coloreada. ni siquiera contiene microalgas.

Las demandas de las técnicas culturales abiertas tradicionales para la mano de obra, el espacio y los sistemas de suministro de aire y agua son altas. En situaciones que requieren condiciones axénicas (libres de otros organismos vivos), los costos operativos aumentan exponencialmente. Hoy, vemos que los beneficios iniciales de estos sistemas han sido superados por las limitaciones inherentes de la producción abierta.

Como resultado de esta situación, se han desarrollado sistemas comerciales cerrados para la producción de microalgas. Muchos de estos sistemas ya se encuentran en operación en criaderos, principalmente en Europa y Estados Unidos, pero existen muchas oportunidades para implementar esta área en los laboratorios de producción de larvas de nuestra región.

Un ejemplo del uso de fotobiorreactores en un laboratorio comercial de larvas de ostras en Nueva Escocia, Canadá.

Fotobiorreactores modernos

Los fotobiorreactores modernos (RBA) permiten la automatización completa del proceso de producción de microalgas y proporcionan densidades celulares muy altas (> 106) con un valor nutricional alto y costos operativos comparables y a veces más bajos para microorganismos con alto valor nutricional y costos comparables y a veces más bajos. y completamente libre de contaminantes. De hecho, una de las ventajas más importantes de las RBA es la bioseguridad que ofrecen, lo que reduce significativamente los riesgos económicos de producción.

En los sistemas convencionales, se ha demostrado ampliamente que los organismos patógenos que crecen con microalgas se transfieren directamente a cultivos de larvas y que no se producen efectos depresivos en ciertas microespecies de Vibrios y, de hecho, las bacterias y microalgas cocultivadas expresan sinergia en lugar de supresión.

«Los reactores cerrados proporcionan un entorno de bioseguridad al reducir el potencial de contaminación de los cultivos. El control del entorno microbiano es de suma importancia ya que afecta la tasa de supervivencia y, en consecuencia, la rentabilidad de nuestras operaciones ”, comenta Pride Farms (Galicia, España), sobre los beneficios reales de la tecnología de fotobiorreacción.

Criaderos de camarones Las tecnologías cerradas de producción de microalgas pueden ser una inversión rentable en la producción de enfermedades del camarón con baja incidencia y baja bioseguridad en los sublagos.

Perspectivas

Para los criaderos de camarón en Ecuador, el uso de tecnología para la producción continua de microalgas en un ambiente cerrado y totalmente controlado afectaría directamente la calidad y el volumen de las larvas. Para los criaderos ubicados en áreas con alta y baja bioseguridad de enfermedades del camarón, las nuevas tecnologías de producción cerrada podrían ofrecer una alternativa viable a pesar del costo relativamente alto de la inversión inicial.

Referencias disponibles del autor.

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