ISBN: 978-958-15-0444-2

POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE MICROALGAS EN ZONAS ÁRIDAS Editores. Javier Vanegas y Ruth Elena Hernández-Benítez

Centro Agroempresarial y Acuícola - SENA Regional Guajira

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-Sin Derivar

POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE LAS

MICROALGAS ZONAS ÁRIDAS

Primera Edición, 2018

Editorial

SERVICIO NACIONAL DE

APRENDIZAJE - SENA Bogotá (978-958-15)

ISBN: 978-958-15-0444-2

……………………..

Centro Agroempresarial y Acuícola - SENA Regional Guajira. Fonseca, La Guajira Kilómetro 1 salida a Barrancas http://sena-caa.blogspot.com/

Atribución - Sin Derivar - No Comercial Esta Obra deberá ser citada del siguiente modo: Autores del Capítulo (2018). Nombre del Capítulo. En Vanegas J y Hernández-Benítez RH. Potencial Biotecnológico de las Microalgas en Zonas Áridas. Bogotá, Colombia. Con el apoyo de: Universidad Antonio Nariño Universidad Jorge Tadeo Lozano Universidad Popular del Cesar Universidad Militar Nueva Granada

POTENCIAL BIOTECNOLÓGICO DE MICROALGAS EN ZONAS ÁRIDAS Editores. Javier Vanegas y Ruth Elena Hernández Benítez

Centro Agroempresarial y Acuícola - SENA Regional Guajira

PRESENTACIÓN.

El libro “Potencial Biotecnológico de Microalgas en Zonas Áridas” es una recopilación de

resultados de investigación que muestran como las microalgas pueden ser una solución a importantes problemáticas de zonas áridas. Las microalgas tienen múltiples usos en el sector comercial como fertilizante, alimentos para humanos, comida de animales, fuente de nuevos agentes farmacológicos y químicos como colorantes, cosméticos y vitaminas entre otros. El cultivo de microalgas mitiga el efecto invernadero y puede contribuir a biorremediar aguas contaminadas. Este libro aborda los principales usos biotecnológicos de las microalgas, desde el aislamiento hasta su escalado. Las regiones áridas, como La Guajira, presentan importantes ventajas competitivas para hacer uso y explotación de las microalgas debido a la gran biodiversidad de ecosistemas en la región, altas tasas de iluminación durante el año, disponibilidad de agua de mar para el cultivo de microalgas y potencial uso de suelos improductivos. A pesar de las condiciones propicias que tiene el país para el cultivo de microalgas el uso de estas se ha limitado a labores de piscicultura y algunos acercamientos a la explotación de Spirulina y Chlorella en el Caribe Colombiano. 

Para propiciar el uso y explotación de las microalgas es necesario difundir los potenciales de las microalgas, apoyar los trabajos de los diversos grupos de investigación y crear una masa crítica de profesionales que puedan respaldar el uso de microalgas como el modelo de desarrollo de la región.

AGRADECIMIENTOS. Los autores agradecemos al SENA, la Universidad Antonio Nariño, la Universidad Jorge Tadeo Lozano, la Universidad Popular del Cesar y la Universidad Militar Nueva Granada. Igualmente, a los evaluadores del libro que enriquecieron esta obra.

CUERPO DIRECTIVO Director Nacional Carlos Mario Estrada Molina Coordinador Grupo de Investigación, Innovación y Producción Académica Emilio Eliecer Navia Zúñiga Directora Regional Linda de Jesús Tromp Villareal Subdirector Centro Agroempresarial y Acuícola Ángel María Maestre Peralta Coordinador Académica Centro Agroempresarial y Acuícola Javier Antonio Carillo Pinto Líder del Grupo de investigación INNOVA Y EMPRENDE CAA Ruth Elena Hernández Benítez Líder Sistema de Investigación, Desarrollo tecnológico e Innovación SENNOVA Daldo Ricardo Araujo Vidal

Tabla de Contenido.

Aplicaciones de las Microalgas ................................................................................................... 9 1. Uso Comercial de las Microalgas........................................................................................ 10 2. Aplicaciones de las Microalgas en Colombia ...................................................................... 12 Bibliografía ............................................................................................................................... 13

Diversidad de Microalgas Asociadas a Zonas Costeras. Estudio Caso La Guajira, Caribe ... 16 1. Introducción ....................................................................................................................... 18

Contaminación y Reducción de Ecosistemas ........................................................................ 18 Diversidad Microbiana en Manglares .................................................................................... 19 Diversidad de Microalgas en Ambientes Salinos ................................................................... 19 Diversidad de Microalgas por Métodos no Dependientes de Cultivos .................................... 20 Técnicas de Secuenciación Masiva ...................................................................................... 20

2. Estudios de Caso ............................................................................................................... 21 Cianobacterias de Suelo Rizosférico en Manglar de La Guajira ............................................ 21 Aislamiento y Caracterización de Cianobacterias a Partir de Cultivos de Arroz ..................... 21

3. Descripción de Cianobacterias Aisladas en Arrozales de Fonseca...................................... 24 Bibliografía ............................................................................................................................... 28

Actividad Promotora de Crecimiento Vegetal por Cianobacterias en Ambientes Semiáridos, Caso La Guajira .......................................................................................................................... 33

1. Introducción ....................................................................................................................... 35 Producción Agrícola en La Guajira ....................................................................................... 35 Mecanismos de Acción de la Fitoestimulación por Cianobacterias ........................................ 36 Promoción de Crecimiento por Cianobacterias ..................................................................... 37 Inoculación de Cianobacterias en Cultivos de Arroz .............................................................. 37

2. Estudios de Caso ............................................................................................................... 39 Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal Asociadas a Arthrospira platensis ................. 39 Sustancias Húmicas como Bioestimulantes que Ayudan al Desempeño de los Biofertilizantes ............................................................................................................................................ 40

Bibliografía ............................................................................................................................... 42 Las Microalgas en la Industria Cosmética ................................................................................ 46

1. Introducción ....................................................................................................................... 48 2. Definición de Cosmético y Biocosmético............................................................................. 50 3. Microalgas y Cosmética. .................................................................................................... 50

Carotenoides ........................................................................................................................ 54 Antioxidantes........................................................................................................................ 54 Vitaminas y Minerales .......................................................................................................... 55

4. Mercado Cosmético en Colombia y el Mundo. .................................................................... 55 5. Microalgas y Desarrollo Biotecnológico en la Región Caribe Colombiana ........................... 57 Bibliografia ............................................................................................................................... 58

Metabolitos Secundarios y sus Derivados, en Microalgas. ..................................................... 61 1. Microalgas Potenciales en la Obtención de Compuestos Bioactivos. .................................. 63

Spirulina. .............................................................................................................................. 63 Chlorella ............................................................................................................................... 64 Pyrrhophyta (Dinoflagelados) ............................................................................................... 65 Bacillariophyceae (Diatomeas) ............................................................................................. 66 Haematococcus ................................................................................................................... 67 Amphidinium ........................................................................................................................ 67 Symbiodinium....................................................................................................................... 68 Haptophyceae ...................................................................................................................... 69 Karenia Brevis ...................................................................................................................... 70 Capsosiphon Fluvescens ...................................................................................................... 72

2. Principales Metabolitos de Microalgas y las Rutas Biosintéticas. ........................................ 73 Isoprenoides ........................................................................................................................ 73 Ácidos Grasos ...................................................................................................................... 75

Bibliografía ............................................................................................................................... 77 La Espirulina una Oportunidad Como Alimento Funcional ..................................................... 79

1. Introducción ....................................................................................................................... 81 2. Historia de la Espirulina ...................................................................................................... 82 3. Condiciones de Cultivo ....................................................................................................... 83 4. Producción a Nivel Mundial y Nacional. .............................................................................. 84 5. Composición Nutricional de la Espirulina ............................................................................ 85

i. Composición Proximal .................................................................................................. 85 ii. Contenido de Minerales ................................................................................................ 85 iii. Contenido de Vitaminas ................................................................................................ 86 iv. Contenido de Lípidos ................................................................................................ 86 v. Composición de Aminoácidos ....................................................................................... 86

6. Método de Conservación de Espirulina ............................................................................... 86 La Actividad de Agua (aw) .................................................................................................... 87 i. Técnicas de Secado ..................................................................................................... 88 ii. Efecto del Secado Sobre la Calidad de los Alimentos.................................................... 90

7. Alimentos Funcionales ....................................................................................................... 92 i. Definición de Alimento Funcional y Características ....................................................... 92 ii. Alimentos Funcionales en Japón ................................................................................... 93 iii. Alimentos Funcionales en Europa ................................................................................. 95 iv. Alimentos Funcionales en Estados Unidos ................................................................ 95 v. Alimentos Funcionales en América Latina ..................................................................... 95

8. La Espirulina como Alimento Funcional .............................................................................. 96 i. Proteína ........................................................................................................................ 96 ii. Aminoácidos ................................................................................................................. 96 iii. Ácidos Grasos Esenciales ............................................................................................ 96 iv. Minerales .................................................................................................................. 97 v. Vitaminas...................................................................................................................... 97 vi. Pigmentos................................................................................................................. 98 vii. Efectos Beneficiosos en la Salud .............................................................................. 98 viii. Dosis de Espirulina ................................................................................................... 99

9. Productos Comerciales a Base de Espirulina ...................................................................... 99 Bibliografia. ............................................................................................................................ 100

Arthrospira (Spirulina) platensis: Propiedades, Usos y Perspectivas .................................. 103 1. Características Generales y Antecedentes Históricos ....................................................... 104 2. Propiedades, Usos y Beneficios ....................................................................................... 107

Pigmentos y Vitaminas ....................................................................................................... 108 Lípidos y Ácidos Grasos ..................................................................................................... 109 Otros Componentes de la Biomasa .................................................................................... 109

3. Cultivo y Producción ......................................................................................................... 110 Iluminación ......................................................................................................................... 110 Agitación ............................................................................................................................ 111 Tipos de Fotobiorreactores ................................................................................................. 112

4. Perspectivas .................................................................................................................... 114 Medios con Urea Como Fuente de Nitrógeno ..................................................................... 114 Uso de Dióxido de Carbono Producido en Fermentación Alcohólica ................................... 114 Reaprovechamiento del Medio ........................................................................................... 117 Uso del Efluente de la Producción de Biogás ...................................................................... 118

Bibliografía ............................................................................................................................. 118 Desarrollo y Adaptación de Tecnologías de Producción de Biomasa de Microalgas .......... 121

1. Introducción ..................................................................................................................... 123 2. Sistemas de Producción Comercial de Biomasa de Microalgas ........................................ 123 3. Sistemas Abiertos ............................................................................................................ 124

Estanques o Piscinas Abiertas ........................................................................................... 124 Reactor Tipo Raceway ....................................................................................................... 124 Reactor de Capa Delgada .................................................................................................. 125

4. Sistemas Cerrados ........................................................................................................... 125 Reactor de Paneles Planos ................................................................................................ 126 Reactores Tubulares .......................................................................................................... 126 Reactores Horizontales ...................................................................................................... 126 Reactores Helicoidales ....................................................................................................... 127

5. Principales Parámetros en los Sistemas de Cultivo........................................................... 127 6. Diseño de Fotobiorreactores Para el Cultivo a Escala de Microalgas ................................ 127 7. Métodos Para la Recuperación de Biomasa de Microalgas ............................................... 129

Floculación ......................................................................................................................... 130 Flotación ............................................................................................................................ 130 Filtración ............................................................................................................................ 131 Centrifugación .................................................................................................................... 131 Separación Magnética ........................................................................................................ 132 Secado Solar...................................................................................................................... 132

Bibliografia ............................................................................................................................. 133 Diseño y Caracterización de Fotobiorreactores Tipo airlift Para el Cultivo de Microalgas .. 136

1. Introducción ..................................................................................................................... 138 2. Reactores Tipo airlift ........................................................................................................ 139 3. Secciones de un Reactor airlift ......................................................................................... 140

Raiser ................................................................................................................................ 140 Downcomer ........................................................................................................................ 141 Separador de Gas .............................................................................................................. 141 Base .................................................................................................................................. 141

4. Retención de Gas............................................................................................................. 141 5. Hidrodinámica de los Reactores airlift ............................................................................... 142 6. Caracterización de Reactores airlift .................................................................................. 142

Evaluación de la Hidrodinámica de Reactores .................................................................... 143 Evaluación de la Transferencia de Masa en el Reactor ....................................................... 144

7. Materiales y Métodos ....................................................................................................... 145 Fotobiorreactor ................................................................................................................... 145 Ensayo de Trazadores ....................................................................................................... 145 Determinación del Coeficiente Volumétrico Global de Transferencia de Masa .................... 146 Cultivo de Microalgas y Fijación de CO2 ............................................................................. 146

8. Resultados y Discusión .................................................................................................... 146 Ensayo de Trazadores ....................................................................................................... 146 Estimación del Coeficiente de Transferencia de Masa gas-líquido ...................................... 148 Ensayos de Crecimiento Celular ......................................................................................... 149 Estimación de la Fijación de Dióxido de Carbono ............................................................... 150

9. Conclusiones ................................................................................................................... 150 Bibliografía ............................................................................................................................. 151

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Aplicaciones de las Microalgas

Javier Vanegas Ruth Elena Hernández-Benítez

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Aplicaciones de las Microalgas.

Javier Vanegas1, Ruth Elena Hernández-Benítez2 1. Biólogo, MSc en Microbiología, Doctor en Biotecnología, Profesor Asistente, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 2. Ingeniera Química, MSc en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo, Centro Agroempresarial y Acuícola, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Riohacha. Resumen.

Las microalgas son microorganismos fotosinteticos muy versátiles que ocupan toda clase de ambientes, prestan importantes servicios ecosistémicos como la emisión de oxígeno y la captura de dióxido de carbono y son fuente de multiples usos de interés comercial. Este capítulo es una introducción al potencial de las microalgas para la obtención de sustancias activas como antibióticos, antimicóticos, antioxidantes, antiprotozoarios, antivirales, toxinas, suplementos nutricionales, fertilizantes, obtención de biocombustibles y bioremediación de aguas contaminadas. Las zonas áridas, como la Guajira, presentan importantes ventajas competitivas para la explotación de microalgas como la alta iluminosidad durante todo el año, la disponibilidad de agua de mar, extensos territorios poco productivos y una gran diversidad de microalgas adaptadas a las condiciones limitantes de la región. Palabras Claves: microalgas, biotecnología, usos y aplicaciones. Abstract.

Microalgae are photosynthetic microorganisms very versatile that occupy all kinds of environments, provide important ecosystem services such as the emission of oxygen and the capture of carbon dioxide and are a source of multiple uses of commercial interest. This chapter is an introduction to the potential of microalgae for obtaining active substances such as antibiotics, antimicotics, antioxidants, antiprotozoal, antiviral, toxins, nutritional supplements, fertilizers, biofuel production and bioremediation of contaminated water. The arid zones, such as La Guajira, present important competitive advantages for the exploitation of microalgae such as high light throughout the year, the availability of sea water, extensive areas with low production and a great diversity of microalgae adapted to the limiting conditions of the region. Keywords. microalgae, biotechnology, uses and applications.

1. Uso Comercial de las Microalgas. Las microalgas son microorganismos fotosintéticos eucariotas que pueden contribuir entre el 40 - 50% del oxígeno de la atmósfera y vivir en ambientes extremos tanto acuáticos como terrestres (Falkowski y Raven, 2013). Las microalgas además de su condición de productores primarios, regulan el régimen gaseoso y tienen acción depuradora, por lo que son consideradas como uno de los indicadores más importantes de las alteraciones del medio marino (Barra et al., 2014). Es por esto que al alterarse la composición de la

comunidad de microalgas, como resultado del estrés ambiental, se modifica la estructura, función y productividad del sistema (Prosperi, 2000).

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Tradicionalmente los organismos terrestres han sido empleados como fuente de sustancias activas de interés biomédico y otras aplicaciones industriales, sin embargo, los organismos marinos constituyen una fuente poco explotada y de enormes perspectivas; estos están sometidos a condiciones ambientales únicas (presión elevada, alta concentración de sales, depredación, etc.) que provocan la síntesis de moléculas que no tienen equivalencia con los organismos terrestres (Garateix, 2005). Por lo tanto en el ecosistema marino se pueden encontrar claves para solucionar problemas actuales de la sociedad, gracias a su biodiversidad puede contribuir como una herramienta útil donde se pueden descubrir nuevos agentes farmacológicos y químicos. Las microalgas tienen múltiples usos en el sector comercial como fertilizante en cultivos de interés comercial como el arroz, alimentos para humanos, comida de animales, fuente de alimento en acuicultura (Priyadarshani y Rath, 2012), en la búsqueda de nuevas moléculas con interés medico tales como antibióticos, antimicoticos, antioxidantes, antiprotozoarios, antiviral y toxinas (A11bed et al., 2009; Ahmed et al., 2014, Patel et al., 2015; Zakaria y Kamal, 2016) y el desarrollo de cosméticos (Wang et al., 2015). De la

misma manera las microalgas pueden obtener aceites de ácidos grasos poliinsaturados y omega 3 como suplementos nutricionales (Ryckebosch et al., 2014). Se han extraído colorantes naturales con múltiples usos (Spolaore et al., 2006), se ha comercializado clorofila (Huesemann y Benemann, 2009) y diferentes tipos de biocombustibles (Harun et al., 2010). Como valor agregado, las microalgas han mostrado mitigar el efecto

invernadero por las altas tasa de captura de CO2, y bioremediar problemas de contaminación de aguas industriales por la absorción de metales pesados y fósforo (Renuka et al., 2015).

Las microalgas como Arthrospira, Chlorella, Dunaliella salina y Aphanizomenon flos-aquae han sido empleadas como suplementos nutricionales por su alto contenido proteico y producción de vitaminas (Carballo-Cardenas et al., 2003; Spolaore et al., 2006). Las

microalgas han sido incorporadas en la alimentación de camarones, moluscos y peces de interés comercial por su alto contenido de N, la producción de vitaminas, altos contenidos

de ácidos grasos insaturados y la producción de pigmentos carotenoides como la astaxantina (Spolaore et al., 2006; Yaakob et al., 2014; Basri et al., 2015). Las especies más frecuentes en alimentación en acuicultura son Chaetoceros, Chlorella, Isochrysis, Nannochloropsis, Pavlova, Phaeodactylum, Skeletonema, Tetraselmis y Thalassiosira (Muller-Feuga, 2000). De la misma manera las microalgas como Chlorella y Arthrospira

han sido usadas como suplemento alimenticio en animales de granja y mascotas como caballos, gatos, pájaros ornamentales, peces de acuario, perros, toros y vacas (Becker, 2004; Thajuddin y Subramanian, 2005).

A partir de Lyngbya majuscula se han aislado metabolitos secundarios como el malingolido, con actividad antibacterial (Burja et al., 2001), apratoxina, lagunamida y escitonemina con actividad antitumoral (Costa et al., 2012; Tripathi et al., 2012) y la calquitoxina, un bloqueador de los canales de sodio (Shimizu, 1993), a partir de Nostoc sp

se han aislado Nostociclamida y Nostodiona, compuestos con actividad antifúngica (Bhadury y Wright, 2004). Pigmentos carotenoides de microalgas como D. salina han sido explotados comercialmente en sectores alimentario y cosmético (Ben-Amotz, 2004). A partir de

cianofitos se han aislado proteínas coloreadas con una amplia utilización como moléculas marcadoras fluorescentes empleadas en análisis clínicos e inmunológicos (Sekar y

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Chandramohan, 2008). De la misma forma se hace explotación comercial de astaxantinas producidas por las microalgas H. pluvialis y de ficobiliproteínas por Arthrospira y Porphyridium con un mercado global estimado de US$ 50 millones (Spolaore et al., 2006). En el desarrollo de ácidos grasos poliinsaturados con explotación comercial se han empleado microalgas como Crypthecodinium cohnii, Isochrysis galbana, Nannochloropsis sp, Nitzschia laevis, Phaeodactylum tricornutum, Porphyridium purpureum, Schizochytrium y Ulkenia sp (Nichols, 2003). Derivados de microalgas como Chlorella, Arthrospira, Nannochloropsis oculata, D. salina han sido empleados para el desarrollo de cosméticos (Spolaore et al., 2006).

Los compuestos bioactivos presentes en algas y microalgas son variables. Aparte de sus componentes nutritivos, las algas y microalgas contienen compuestos bioactivos de alta capacidad antioxidante, como carotenoides y polifenoles (Wang et al., 2010; Souza et al., 2011; Wijesinghe y Jeon, 2012; Michalak y Chojnacka, 2015). Se han investigado los pigmentos naturales de las algas encontrando actividad antioxidante, anticancerígena, antiinflamatoria, entre otras (Pangestuti y Kim, 2011). Diversos autores han demostrado que la fucoxantina de diferentes tipos de algas y microalgas tiene un efecto anticancerígeno, antiinflamatorio, antiobesidad, antioxidante, fotoprotector, neuroprotector y preventivo de osteoporosis (Shimoda et al., 2010; Zorofchian et al., 2014).

2. Aplicaciones de las Microalgas en Colombia. En el contexto mundial, en países como Estados Unidos, los miembros de La Comunidad Económica Europea, Australia, China, Israel, Japón, Chile, y Cuba, entre otros, han establecido industrias con base en el uso de especies de microalgas de valor económico para la producción de cosméticos, farmacéuticos y nutracéuticos, los cuales tienen alta demanda en el mercado internacional, incluyendo el nuestro (Leal, 2001), e incluso especies de alto valor nutricional del género Spirulina (Arthrospira) son utilizadas en programas de seguridad alimentaria en comunidades vulnerables de países del África, China y India (Henrikson, 1994). Existen algunos acercamientos hacia la bioprospección de microalgas a nivel nacional y latinoamericano para la restauración de ecosistemas (De-Bashan y Bashan, 2007), desarrollo de prototipo de fotobiorreactores, uso de promotores de crecimiento (Ramos et al., 2016; Hernández et al., 2014) y uso de microalgas para la producción de biocombustibles (Cabeza y Rojas, 2015). Montenegro (2008) reporta que en el Laboratorio de Algas de La Universidad Nacional de Colombia, se realizan investigaciones sobre metabolitos de microalgas de valor comercial, alimento vivo para peces y crustáceos, biocombustibles, tratamiento de aguas residuales, bioindicadores de metales pesados en suelos contaminados, y desarrollo de tecnologías a nivel de fotobiorreactores a escala de banco y piloto. Nosotros consideramos que la Guajira presenta importantes ventajas competitivas para hacer uso y explotación de las microalgas en diversos procesos biotecnológicos debido a la gran biodiversidad de ecosistemas de la región, altas tasas de iluminación a lo largo del año, la disponibilidad de agua de mar para el cultivo de microalgas y potencial uso de suelos improductivos. Hasta ahora sólo se han estudiado alrededor de 20 especies de microalgas con fines biotecnológicos (Chu, 2012), siendo un porcentaje minúsculo dentro del casi millón de especies de microalgas que podrían existir (Guiry, 2012). A pesar de las condiciones propicias que tiene el país para el cultivo de microalgas el uso de estas se ha limitado a labores de piscicultura (Leal, 2001) y algunos acercamientos a la explotación de

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Spirulina y Chlorella en el Caribe Colombiano.

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Diversidad de Microalgas

Asociadas a Zonas Costeras.

Estudio Caso La Guajira,

Caribe

Ruth Elena Hernández-Benítez

Katerine Yaneth Liñan Montero

Álvaro Cabrera Rodríguez

Janeth Rojas Ortega

Daldo Ricardo Araujo Vidal

Ingrid Paola Figueroa

Javier Vanegas

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Diversidad de Microalgas Asociadas a Zonas Costeras. Estudio Caso La Guajira, Caribe.

Ruth Elena Hernández-Benítez1, Katerine Yaneth Liñan Montero2, Álvaro Cabrera

Rodríguez3, Janeth Rojas Ortega4, Daldo Ricardo Araujo Vidal5, Ingrid Paola Figueroa6, Javier Vanegas7

1. Ingeniera Química, MSc en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo, Centro Agroempresarial y Acuícola, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Riohacha. 2. Microbióloga, Centro Agroempresarial y Acuícola, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Riohacha. 3. Biólogo Marino, MSc en Ciencias Marinas, Doctor (c) en Ciencias Marinas, Facultad de Ciencias, Universidad de La Guajira, Riohacha. 4. Bióloga Marina, MSc en Ciencias Marinas, Doctora (c) en Ciencias Marinas, Facultad de Ciencias, Universidad de La Guajira, Riohacha. 5. Ingeniero de Alimentos, Especialización en Gerencia de la Ciencia y la Tecnología, MSc en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo, Doctor (c) en Gestión de la Innovación, Centro Agroempresarial y Acuícola, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Fonseca. 6. Ingeniera Biotecnológica, MSc en Ciencias Microbiológicas, Investigadora, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 7. Biólogo, MSc en Microbiología, Doctor en Biotecnología, Profesor Asistente, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. Resumen.

La diversidad de microalgas en el país es poco explorada y está amenazada por diversos tensores de origen humano. La mayoría de estudios de la diversidad de microalgas se fundamenta en técnicas dependientes de cultivo. Ecosistemas como manglares, el océano y ambientes salinos revelan una alta diversidad de microalgas. Se reportó que las ordenes Synechococcus, Oscillatoria y Halomicronema fueron las cianobacterias

predominantes en la desembocadura del Río Ranchería (La Guajira) mediante secuenciación masiva. En campos de arroz de Fonseca (La Guajira) se aislaron las siguientes cianobacterias: Anabaena sp, Aphanocapsa sp, Chlorella sp, Chrococcus sp, Gloeocapsa sp, Golenkinia sp, Microcystis sp, Oedogonium sp, Oscillatoria amphibia, Oscillatoria limosa, Pseudoanabaena sp, Scenedesmus obliquus, Scenedesmus quadricauda y Spirogyra sp. Estas cianobacterias podrían promover el rendimiento y la

productividad de cultivos de interés comercial en la zona. Palabras Claves: Diversidad, microalgas, manglares, arroz, cianobacterias. Abstract.

The diversity of microalgae in the country is little explored and is threatened by diverse tensors of human origin. Most studies of microalgae diversity are based on culture-dependent techniques. Ecosystems such as mangroves, the ocean and saline environments reveal a high diversity of microalgae. It was reported that the orders Synechococcus, Oscillatoria and Halomicronema were the predominant cyanobacteria at

the mouth of the Rio Ranchería (La Guajira) by means of massive sequencing. In rice fields of Fonseca (La Guajira) were isolated the following cyanobacteria: Gloeocapsa sp,

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Chlorella sp, Scenedesmus quadricauda, Scenedesmus obliquus, Anabaena sp, Chrococcus sp, Aphanocapsa sp, Microcystis sp, Pseudoanabaena sp, Golenkinia sp, Oscillatoria limosa, Oscillatoria amphibia, Spirogyra sp and Oedogonium sp. These cyanobacteria could promote the yield and productivity of crops of commercial interest in the area. Keywords: Diversity, microalgae, mangroves, rice, cianobacteria.

1. Introducción. Colombia es uno de los países de mayor megadiversidad del mundo (Arbeláez-Cortés, 2013). No obstante, la información generada de la diversidad marina es escasa con respecto a la relación de ecosistemas terrestres (Díaz y Acero, 2003; Arbeláez-Cortés,

2013). Los ecosistemas del Caribe colombiano cuentan con una gran variedad de ecosistemas terrestres, marinos y marino-costeros, que actualmente están amenazados por los efectos de impactos ambientales resultantes de las decisiones políticas de desarrollo y ocupación del territorio (Márquez et al., 2014). El océano y su representación

cómo el hábitat más extenso de la biósfera, alberga una amplia y compleja variedad biológica aún desconocida (Parra, 2006). El estudio de microalgas marinas ha permitido descubrir un repertorio metabólico inmenso al encontrado en Tierra (Duarte, 2006). Se estima que existen entre 200.000-800.000 especies de microalgas, de las cuales solo 35.000 han sido descritas (Cheng y Ogden, 2011) y una pequeña parte se cultivan a escala industrial con fines comerciales (Priyadarshani y Rath, 2012). El estudio de la biodiversidad de microorganismos se ha basado en métodos dependientes de cultivo que podrían representar solo entre el 0,1-1% de la diversidad total de una muestra (Borneman et al., 1996). El desconocimiento de la biodiversidad

taxonómica y funcional de las microalgas en nuestros ecosistemas es una pérdida importante en la implementación de políticas de conservación y procesos de bioprospección para el desarrollo del país (Melgarejo, 2003) ya que las microalgas tiene múltiples usos en el sector comercial e industrial (Priyadarshani y Rath, 2012). Contaminación y Reducción de Ecosistemas.

En los últimos 60 años los humanos han alterado los ecosistemas a un ritmo acelerado que en ningún otro período de tiempo a lo lardo de la historia, todo esto con el fin de resolver las demandas de agua, alimento, combustible, dulce, fibra y madera etc., generando una pérdida considerable e irreversible de la diversidad de la vida sobre la Tierra (Assessment, 2005). Por ejemplo, se estima que los manglares ocuparon el 75% de las costas tropicales y subtropicales del mundo (Duke et al., 2007). Sin embargo, su cobertura se ha reducido a un 50% (Kairo et al., 2001) debido a diversas actividades de origen antropogénico (Polidoro et al., 2010). Estos disturbios afectan de manera excesiva a los microorganismos como a la macrofauna del manglar y dificultan su funcionamiento, reforestación y rehabilitación (Holguín et al., 2001). Entre los principales tensores medio

ambientales para el Caribe colombiano encontramos el vertimiento de aguas residuales sin tratamiento, contaminación de fuentes de agua para consumo humano, deforestación y manejo inadecuado de residuos sólidos (Márquez et al., 2014). A pesar de la gran

diversidad de ecosistemas que alberga la Guajira solo un 23% de las áreas prioritarias están siendo protegidas y están sujetas a actividad antropogénica que amenazan perder su biodiversidad y servicios ambientales (Márquez et al., 2014).

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Diversidad Microbiana en Manglares.

Los microorganismos del manglar tienen una gran relevancia en el ciclaje de nutrientes (Alongi, 2009). No obstante, su diversidad taxonómica y funcional ha sido poco estudiada a nivel genético (Andreote et al., 2012, Nogueira et al., 2015, Alzubaidy et al., 2016). Por

ejemplo, la comunidad de cianobacterias de manglares han sido olvidadas y muchas veces subestimadas (Alvarenga et al., 2015). En manglares de borde de Brasil, las cianobacterias predominantes fueron Prochlorococcus y Synechococcus al usar técnicas moleculares (Rigonato et al., 2013). Por técnicas dependientes de cultivo en la India se

han reportado hasta 39 especies de cianobacterias pertenecientes a 12 familias (Silambarasan et al., 2012). Similares resultados han sido reportados por Kathiresan y Sakthivel (2013) con el predominio de especies de Oscillatoria, Lyngbya y Phormidium en

la India. No obstante, esta diversidad está influenciada por impactos antropogénicos. De la misma manera, se han identificado hasta 19 géneros de cianobacterias colonizando la filósfera de manglares con predominio del orden Nostocales y Oscillatoriales (Rigonato et al., 2012). Al igual que importantes cianobacterias diazotróficas (Toledo et al., 1995a, 1995b; Kyaruzi et al., 2003). Estos estudios demuestran la amplia distribución de

cianobacterias y su importancia para los manglares. El Ecosistema Lagunar costero de Navío Quebrado, Santuario de Flora y Fauna Los Flamencos, La Guajira está rodeado por una franja de mangle negro (Avicennia germinans) y blanco (Laguncularia racemosa), y la productividad primaria está dominada

principalmente por diatomeas, algas verdes y cianobacterias, con valores máximos en la primera temporada de lluvias de 1 mg Cl-1 h-1. Esta productividad en el ecosistema soporta la pesquería de camarones, peces y una alta diversidad de aves incluyendo el flamenco rosado (Phoenicopterus ruber) y aves marinas entre gaviotas (Sterna sp; Puffinus sp) cormoranes (Phalacrocorax sp), y garzas (Egreta sp; Ardea sp) (Bravo y Cabrera, 2015). Diversidad de Microalgas en Ambientes Salinos. En comparación con el océano, se ha estimado que la diversidad de cianobacterias es mayor en la zona litoral (e.g. supra, meso e infralitoral), donde en general se encuentran géneros bentónicos formadores de tapetes (e.g. Oscillatoria, Lyngbya, Scytonema, Microcoelus), de afloraciones (e.g. Trichodesmium) endolíticos en esqueletos coralinos vivos y/o muertos (e.g. Hyella, Solenia) o simbiontes (e.g. Aphanocaspa, Prochloron, Synechocystis, Borzia, Richelia) (Hoffman, 1999). Esta diversidad inesperada de

cianobacterias que conforman el picoplancton ha recibido cada vez mayor relevancia en géneros como Prochlorococcus, Synechococcus, Trichodesmium y Richelia (Zhaxybayeva

et al., 2007; Kathuria y Martiny, 2011) por su contribución de biomasa, nitrógeno y fósforo en ecosistemas marinos-costeros oligotróficos y pelágicos (Hoffman, 1999; Pittera et al., 2014). Aunque los estudios del picoplancton se han dirigido principalmente a la fracción procariota, las aproximaciones a la diversidad del componente eucariota son más extensas de lo que se esperaba en grupos de las clases Prasinophyceae (Chlorophyta), Bacillariophyceae (Heterokontophyta), Prymnesiophyceae (Haptophyta), Cryptophyceae (Chryptophyta), entre otros (Vaulot et al., 2008).

A largo del gradiente costero oceánico donde la salinidad y penetración lumínica aumenta con la distancia a la costa, las células del fitoplancton de tamaño grande son remplazadas por células de tamaño pequeño, predominando en las aguas oceánicas más claras y las células grandes predominan en las aguas costeras, cerca de ríos. La densidad de nanoplancton de tamaño intermedio es baja e invariable a lo largo del gradiente. Para

20

todas las clases de tamaño, la respuesta fotofisiológica, parametrizada como capacidad fotosintética disminuye de manera avanzada hacia aguas oceánicas. El componente del microplancton (> 20 μm) muestra un descenso más rápido de este parámetro seguido de la clase de tamaño más pequeña (0,2-2μm), el picoplancton. La clase de tamaño intermedio (2 - 20 μm), que comprende el nanoplancton, muestra la menor variabilidad a lo largo del gradiente. La abundancia de diazótrofos y la actividad de nitrogenasa son mayores en el rango intermedio de salinidad (Torres, 2010). Diversidad de Microalgas por Métodos no Dependientes de Cultivos. La diversidad de microalgas en Colombia es desconocida, la mayoría de estudios se han limitado a técnicas dependientes de cultivo con un enfoque ecológico o taxonómico (Ávila et al., 2015; Toro, 2015; Silva et al., 2016). No obstante, estos acercamientos dependientes de cultivo han perdido espacio frente a la discriminación molecular (Not et al., 2007).

Para establecer la composición de microalgas de un ecosistema es necesario combinar técnicas tanto dependientes e independientes de cultivo (Foster et al., 2009; Williams et al., 2016). Las técnicas independientes de cultivo pueden ser interferidas por el

recubrimiento de matrices de polisacáridos de cubiertas de cianobacterias durante la extracción de DNA que resultan en una menor estimación de la diversidad (Foster et al.,

2009). Del mismo modo, las técnicas de cultivo están sesgadas por el medio de cultivo, la competencia de las especies dominantes y las condiciones de crecimiento entre otras (Torices Alonso, 2015). Se ha reportado que solo el 30% de la composición de

cianobacterias se sobreponen entre técnicas dependientes y no dependientes de cultivo (Donachie et al., 2007).

Las técnicas moleculares se han fundamentado en la detección y caracterización de afloramientos de algas nocivas (Kudela et al., 2010) y la determinación de la diversidad de microalgas (Hubbard et al., 2008). Esta ha sido estimada principalmente mediante el uso de DGGE (Electroforesis en gel con gradiente de desnaturalización) y RFLP (Polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción) al amplificar genes filogenéticos (Bukowska et al., 2014, Bhatt et al., 2016, Jasser et al., 2017). En la actualidad las técnicas de secuenciación masiva han permitido explorar la diversidad de cianobacterias en costras de suelo (Williams et al., 2016) y tapetes acuáticos de la antártica que han permito revelar una mayor diversidad que la reportada por métodos tradicionales (Pessi et al., 2016). Técnicas de Secuenciación Masiva. Los nuevos acercamientos de secuenciación masiva están reemplazando técnicas ampliamente usadas como las librerías clónales, sin embargo necesitan un fuerte componente bioinformático ya que se generan millones de secuencias (Metzker, 2010). Estas técnicas han permitido estimar la diversidad eucariota de microalgas a partir de secuencias de 18S RNAr (Shalchian-Tabrizi et al., 2011) y de cianobacterias por el gen 16S RNAr (Williams et al., 2016). Las tecnologías de secuenciación masiva más

importantes son Roche/GS-FLX (454), Illumina/Genome Analyzer IIx (GAIIx), Illumina/HiSeq2000, ABI/SOLiD v.4, Pacific Biosciences/PacBio RS. Estas tecnologías varían con respecto a su rendimiento, longitud de lectura de pares de bases y marcos de lectura (Ebenezer et al., 2012).

21

Las estrategias de metagenómica y metatranscriptómica hacen uso de técnicas de secuenciación de alto rendimiento que, a través de herramientas bioinformáticas, han permitido revelar con elevada resolución la diversidad taxonómica y funcional de comunidades microbianas (Simon y Rolf, 2011; Segata et al., 2013). Mientras, la

metagenómica permite saber el contenido genético de la comunidad microbiana, la transcriptómica revela el contenido de expresión genética en un específico momento y lugar (Mitra et al., 2011). La metagenómica supera las limitaciones de técnicas como la

PCR en tiempo real y los microarreglos al no limitarse el número de genes y sondas a estudiar, no es necesario seleccionar genes objetivo (Moran, 2009) y requiere de bajos recursos comparativos para estudiar la diversidad microbiana (Warnecke y Hess, 2009). No obstante, existen grandes retos en el análisis bioinformático debido a la complejidad de la información que se pretende abordar; la mayor parte de las técnicas se basan en interpolar resultados sobre datos ya existentes. Por otra parte, la información biológicamente significativa y organizada no está disponible en cantidades deseables. Debido a la rápida evolución de la genómica, es necesaria la creación de herramientas matemáticas e informáticas de alta flexibilidad que permitan manejar grandes volúmenes de datos con un acceso ordenado y racional a repositorios públicos de información (Moore et al., 2010; Pereira de Castro et al., 2013).

2. Estudios de Caso.

Cianobacterias de Suelo Rizosférico en Manglar de La Guajira.

Mediante un estudio de la diversidad de cianobacterias presentes en suelo rizosférico del mangle Avicennia germinans en la desembocadura principal del río Ranchería, brazo Riito, en el Departamento de La Guajira, se detectaron cianobacterias mediante técnicas independientes de cultivo, aislamiento de ADN total del suelo, amplificación y secuenciación parcial del gen 16S RNAr. Los órdenes de cianobacterias identificados fueron Halomicronema, Oscillatoria y Synechococcus. El orden Synechococcus ha sido reportado como uno de los grupos de cianobacterias más abundantes en ambientes marinos (DeLong y Karl, 2005; Silva et al., 2014) y coincide con los resultados de bosques de manglar en Brasil (Rigonato et al., 2013). Synechococcus alcanza concentraciones de hasta 105-106 células/mL y es

considerado como uno de los mayores contribuidores a la fijación de CO2 que se lleva a cabo en las regiones oceánicas (Partensky et al., 1999). Oscillatoria es un orden de

cianobacterias que se caracteriza por ser organismos filamentosos que se dividen solo por fisión binaria, el género Oscillatoria PCC 7515 se caracteriza por su capacidad de fijación de nitrógeno (MacGregor et al., 2001). Oscillatoria es un grupo que se encuentra de manera común en el ambiente (Méjean et al., 2010). Halomicronema hongdechloris es la primera cianobacteria reportada que posee clorofila f junto con clorofila a (Chen et al.,

2012), crece de manera óptima en agua de mar, pero también tolera salinidades más altas (Li et al., 2014).

Aislamiento y Caracterización de Cianobacterias a Partir de Cultivos de Arroz.

Las cianobacterias son uno de los principales componentes de la microbiota en arrozales, estos contribuyen significativamente a la fertilización (Son et al., 2005). Para conocer la

diversidad de cianobacterias de cultivos de arroz de la Guajira en Fonseca se realizaron aislamientos en medio BG11. Mediante observación microscópica se identificaron las siguientes cianobacterias: Gloeocapsa sp, Chlorella sp, Scenedesmus quadricauda,

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Scenedesmus obliquus, Anabaena sp, Chrococcus sp, Aphanocapsa sp, Microcystis sp, Pseudoanabaena sp, Golenkinia sp, Oscillatoria limosa, Oscillatoria amphibia, Spirogyra sp y Oedogonium sp (Figura 1). Dey et al., (2010) reportaron la presencia en cultivos de arroz de la India de 58 taxas, 19

cianobacterias eran formadoras de heterocistos y 39 no formadoras de heterocistos. La cianobacteria más abundante fue Oscillatoria chalybea (9,90%) seguida por Oscillatoria subbrevis (8,96%), Phormidium purpurascens (8,49%), Cylindrospermum muscicola (8,01%), Oscillatoria clorina (8,01%), Anabaena constricta (5,66%), Oscillatoria princeps (5,18%) y Oscillatoria animalis (4,71%). Selvi et al., (2012) reportaron 30 especies de cianobacterias formadoras de heterocistes provenientes de siete géneros en cultivos de arroz. Las altas abundancias de cianobacterias formadoras de heterocistos fueron asociadas a bajos niveles de nitrógeno (Selvi et al., 2012). Song et al., (2005) mediante la técnica de biología molecular (DGGE) identificaron 24

filotipos de cianobacterias en cultivos de arroz. Las cianobacterias estaban representadas por 11 géneros, dos cianobacterias filamentosas formadoras de heterocistos (Nostoc y Scytonema), cinco filamentosas no formadoras de heterocistos (Leptolyngbya, Phormidium, Microcoleus, Spirulina, Chroococcidiopsis) y cuatro no unicelulares (Synechococcus, Cyanothece, Chamaesiphon, Synechosystis). Nueve secuencias presentaron cercanía con el género Leptolyngbya, cuatro al género Nostoc, tres al género Synechococcus y uno de cada uno de los géneros Chamaesiphon, Chroococcidiopsis, Cyanothece, Microcoleus, Phormidium, Scytonema, Spirulina y Synechosystis (Son et al., 2005). Mediante observaciones microscópicas Srivastava et al., (2009) encontraron que las comunidades de cianobacterianas de arroz se componían de los géneros Anabaena, Nostoc, Aulosira, Cylindrospermum, Gloeotrichia, Rivularia y Tolypothrix del orden Nostocales; Oscillatoria, Lyngbya y Phormidium de las Oscillatoriales; Fischerella y Hapalosiphon de Stigonematales; y Aphanothece y Gloeothece de los Chroococcales. Adicionalmente, Srivastava et al., (2009) mediante DGGE reporta seis fragmentos de PCR pertenecientes a Anabaena (A. doliolum, A. anomala, A. oryzae y A. variabilis), cuatro con Nostoc (N. endophytum, N. muscorum y Nostoc sp.CCG3), dos con Aulosira (A. fertilissima y Aulosira sp. PP615), Cylindrospermum (Cylindrospermum sp A1345 y CENA33), Gloeotrichia (ambas con G. echinulata) y Hapalosiphon (H. welwistchii y Hapalosiphon sp. CCG6), y uno con Rivularia (Rivularia sp PCC7116), Tolypothrix (Tolypothrix sp PCC7415) y Fischerella (F. muscicola). Srivastava et al., (2009) reportaron la presencia de cianobacterias no formadoras de heterocistos como Lyngbya, Oscillatoria, Phormidium, Aphanothece y Gloeothece. La identificación molecular obtenida por DGGE

no compartió identidad con las secuencias obtenidas de las cianobacterias cultivadas, lo que resalta la importancia de desarrollar los dos tipos de acercamiento para entender la biodiversidad de cianobacterias en agroecosistemas como el arroz. Del mismo modo, Srivastava et al., (2009) encontraron que los bajos niveles de salinidad favorecen el crecimiento de cianobacterias formadoras de heterocistos, mientras altas concentraciones de salinidad (≥ 4 ds m-1) seleccionan especies no formadoras de heterocistes.

23

a. Anabaena sp (100x) b. Aphanocapsa sp

(100x) c. Arthrospira sp

(100x) d. Chlorella sp (100x) e. Chroococcus sp

(100x)

f. Gloeocapsa sp (100x) g. Microcystis sp (40x) h. Oedogonium sp

(40x) i. Oscillatoria sp (40x) j. Oscillatoria

amphibia (100x)

k. Oscillatoria limosa

(100x) l. Pandorina sp (100x) m. Scenedesmus

obliquus (100x) n. S. quadricauda

(100x) o. Spirogyra sp

(100x)

Figura 1. Aislamiento de cianobacterias asociadas a cultivos de arroz en Fonseca Departamento de la Guajira.

24

3. Descripción de Cianobacterias Aisladas en Arrozales de Fonseca.

Anabaena sp, fig a. División: Cyanophyta Orden: Nostocales Familia: Nostocaceae Morfología: Cianobacteria filamentosa,

posee células cilíndricas o en forma de barril con diámetros de 3-6 µm, separadas por constricciones en la pared celular. Presenta tricomas profundos o ligeramente sinuosos. Medio de cultivo: BG11. Hábitat: Forman blooms en agua dulce,

aguas saladas y varias especies suelen ser encontradas en el suelo, algunas son capaces de vivir en ambientes extremos. Usos: indicador de toxicidad ambiental, biofertilizante, fuente de alimento para peces y aves acuáticas. Bibliografía: Bonilla, 2009. Aphanocapsa sp, fig b. División: Cyanophyta Orden: Chroococcales Familia: Merismopediaceae Morfología: Células esféricas a

irregulares con vaina común homogénea, hialina, amarillenta o incolora, con límites claros, dispuestas irregularmente en las colonias, alejadas entre sí, excepto después de la división; vaina individual poco evidente. Diámetro de las células de 3,0-3,5 µm. Medio de cultivo: BG11. Hábitat: Lagos y estanques, en

superficies terrestres y acuáticas como plantas, rocas y suelos. La mayoría de las especies son de agua dulce, otras ocurren en hábitats costeros salobres. Usos: Producción de pigmento

ficocianina. Bibliografía: Torres et al., 2012.

Arthrospira sp, fig c. División: Cyanophyta Orden: Oscillatoriales Familia: Phormidiacea

Morfología: Cianobacteria filamentosa

con células en forma de espiral (tricomas) y una fina vaina mucilaginosa. El grosor del tricoma varía de 6-12 µm y está compuesta por células cilíndricas. El diámetro de la hélice está entre 30-70 µm. Medio de cultivo: Zarrouk. Hábitat: Flotan de manera libre en lagos tropicales y subtropicales alcalinos ricos en carbonato y bicarbonato. Presentes en cuerpos de agua dulce como ríos, manantiales y estanques (Lu y Vonshak, 2002). Usos: Se elabora un suplemento dietético a base de Arthrospira, conocido como Spirulina, ayuda a la luchar contra

la malnutrición, desnutrición y las deficiencias de proteínas, como la enfermedad Kwashiorkor. Es una fuente de hierro con un alto grado de absorción. Fuente de pigmentos naturales, vitaminas y ácidos grasos. Bibliografía: Rodríguez-Cuesta et al.,

2006. Chlorella sp, fig d. División: Chlorophyta Orden: Chlorellales Familia: Chlorellaceae

Morfología: Células pequeñas, verdes,

esféricas de 2-12 µm de diámetro, aisladas o formando colonias flojas con forma irregular. Pueden ser confundidas con Golenkinia y Micractinium, pero estas poseen espinas diminutas. Las células de Chlorella se forman por división interna de la célula madre en 4-8 células hijas, que después se liberan. Medio de cultivo: Bristol, Guillard F/2

(Berges et al., 2001). Hábitat: Se encuentran en el suelo y agua dulce pero algunas especies, las más pequeñas se pueden encontrar

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formando parte del fitoplancton y como endosimbiontes en invertebrados, esponjas de agua dulce y ciliados. Usos: Tratamiento de agua potable y

residual, producción de lípidos. Bibliografía: Infante et al., 2012; Sandoval-Riofrío, 2013. Chroococcus sp, fig e.

División: Cyanophyta Orden: Chlorococcales Familia: Chrooccaceae Morfología: Colonias microscópicas de

células reunidas en grupos de 2-4 células, recubiertas de un mucílago refinado e incoloro, a veces difícilmente visible. Células esféricas de 0,8-1 µm de diámetro y de color verde-azulado. Medio de cultivo: BG11 (Ph 7,6

tamponado con HEPES 20 mM) (Rippka, 1988). Hábitat: Distribuido en aguas dulces,

menos en localidades salinas, principalmente en metafítonas de aguas de distinto tipo, también en biótopos aerófitos, térmicos y de suelo. Algunas especies viven en plancton de reservorios de agua sucias. Usos: Producción de oxígeno, depurador

de agua residual. Bibliografía: Serrano et al., 2004; Campos et al., 2007. Gloeocapsa sp, fig f. División: Cyanophyta Orden: Chroococcales Familia: Microcistácea Morfología: Las células secretan vainas

gelatinosas individuales que a menudo pueden verse como vainas alrededor de células recientemente divididas dentro de las vainas externas. Los pares de células recién divididos a menudo parecen ser solo una célula ya que las nuevas células se unen temporalmente. También se conocen como casquillos de resplandor,

un término derivado del tono amarillento dado por el casquillo. Medio de cultivo: BG11. Hábitat: Algunas especies son halófilas

de lagos hipersalinos. Usos: Biofertilizante, descontaminación de aguas. Bibliografía: Hernández-Pérez y Labbé,

2004; Cárdenas y Islas, 2015. Microcystis sp, fig g. División: Cyanophyta Orden: Chroococcales Familia: Microcistácea

Morfología: Células ovales a esféricas

entre 3-8 µm de diámetro y de color verdoso o azulado. Cuando se agotan los nutrientes se tornan en amarillento. Posee numerosas vesículas de gas para alcanzar la profundidad adecuada y obtener la intensidad de luz, concentración de oxígeno u otros nutrientes adecuados. Medio de cultivo: BG11 (Msagati et al.,

2006). Hábitat: Lagunas salobres y estanques. Usos: Producción de antibióticos. Bibliografía: De León, 2002; Sedan et al., 2004. Oedogonium sp, fig h. División: Chlorophyta Orden: Oedogoniales Familia: Oedogoniaceae Morfología: Filamentos no ramificados,

de células cilíndricas o capitadas, con la célula terminal redondeada y la basal de fijación. Cloroplasto parietal reticulado, con varios pirenoides. Medio de cultivo: Guillard F/2, 12,3 mg

L-1 de nitrógeno, 1,12 mg L-1 de fósforo. Hábitat: En aguas dulces, orillas de

lagos y estanques. Usos: Fuente de alimento para

animales, producción de biomasa, cosméticos.

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Bibliografía: Bourgougnon et al., 2011;

Lawton et al., 2014. Oscillatoria sp, fig i. División: Cyanophyta Orden: Chlorococcales Familia: Oscillatoriaceae

Morfología: Formada por largos filamentos de células aplanadas y sin vaina mucilaginosa de color verde oscuro. Medio de cultivo: BG11. Hábitat: Crecen en esteras en diferentes

substratos (lodo, piedras, fondo arenoso, etc.), principalmente en biotopos de aguas poco profundas, en regiones litorales de embalses y mares, en piscinas, ocasionalmente en suelos húmedos. Usos: Producción de antibióticos,

biofertilizante, industrias alimentarias y farmacéuticas. Bibliografía: Fuenmayor et al., 2009. Oscillatoria amphibia, fig j. División: Cyanophyta Orden: Nostocales Familia: Oscillatoriaceae

Morfología: Tricomas móviles, rectos o ligeramente curvados en finos tapetes. Células terminales de ápices redondeados más o menos paralelos, de 1,8-3 µm de diámetro. Células de 3-9 µm de longitud, con 1-4 gránulos de cianoficina en los septos. Medio de cultivo: BG11, Medio ASN-III (Rippka, 1988) con 100 mg mL-1 de cicloheximida. Hábitat: Planctónico en tanques de agua dulce, lagos y estanques, en el micro fitoplancton de ríos, en lagos salados, en suelos húmedos y en objetos sumergidos. Usos: Retención de contaminantes. Bibliografía: Alvarez et al., 1984.

Oscillatoria limosa, fig k. División: Cyanophyta Orden: Oscillatoriales Familia: Oscillatoriaceae Morfología: Filamentos rectos de 9-16

μm diámetro, verdes azules y verdes amarillentos. Células 2-6 μm largo, relación largo/diámetro 0,1-0,5 veces más anchas que largas, contenido celular granuloso, gránulos pequeños, escasos y dispersos; septos delgados, ápice recto, gránulos pequeños en hilera, una de cada lado, abundantes, sin constricciones; la apical ampliamente redondeada, caliptra delgada. Medio de cultivo: BG11. Hábitat: En aguas dulces o ligeramente

salobres. Tolerante a la contaminación, fondos de arena fina. Usos: Remoción de lodos activados, aguas domésticas y agrícolas. Bibliografía: Otaño y Bogarín, 2014;

Castrillón et al., 2013. Pandorina sp, fig l. División: Chlorophyta Orden: Chroococcales Familia: Volvocales Morfología: Se agrupa en apretadas y ordenadas formaciones cenobiales de 4, 8, 16 ó 32 células más o menos esféricas, que viven rodeadas de una capa hialina de mucílago de la que sobresalen radialmente los dos largos flagelos de cada uno de los individuos que forman esta agrupación. Cada uno de estos puede presentar un cloroplasto en forma de copa, a veces estriado radialmente, además de una mancha ocular diminuta y de color de rubí. Medio de cultivo: BG11. Hábitat: Agua dulce, en especial en

piscinas y zanjas, además aparecen a menudo en cultivos de muestras de suelos secos. Usos: Nutracéuticos. Bibliografía: Coleman, 1977.

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Scenedesmus obliquus, fig m. División: Chlorophyta Orden: Chlorococcales Familia: Scenedesmaceae Morfología: Microalgas verde colonial no

móvil constituida por células alineadas en una placa plana. La célula contiene un solo cloroplasto parietal, parecido a una placa, con un solo pirenoide. Los cenobios tetra celulares son escasos, con las células externas diferentes de las internas, pero con idéntico citoplasma. Las células ordinarias tienen 2-4/x de ancho, por 8-16/x de longitud. Medio de cultivo: F/2 (Greenbaum et al.,

1983). Hábitat: Agua dulce, suelos. Usos: Industrias de alimentos

balanceados para animales, tratamiento de aguas residuales, producción de biodiesel, altos niveles de amonio en efluente de digestión anaerobia. Bibliografía: Mandal y Mallick, 2009;

Ruiz-Marín et al., 2011. Scenedesmus quadricauda, fig n. División: Chlorophyta Orden: Chlorococcales Familia: Scenedesmaceae Morfología: Forma cenobios, en los

cuales las células del centro son cilíndricas y rectangulares, mientras que los extremos son más convexas (Komárek y Simmer, 1965). Además,

estas células externas poseen dos espinas de longitud similar que se proyectan hacia fuera con un ángulo de 45°C. Medio de cultivo: Bristol, Guillard F/2

(Brown et al., 2001). Hábitat: Especie indicadora de

ambientes eutróficos (Schwender et al., 1996) Agua dulce. Usos: Descontaminación de aguas residuales, suplemento alimenticio, biocombustible. Bibliografía: Ortega-Salas y Reyes-Bustamante, 2012; Ortún-Capellán, 2015; Rojo-Cebreros et al., 2016. Spirogyra sp, fig o. División: Charophyta Orden: Zygnematales Familia: Zygnemataceae

Morfología: Células reunidas en forma

de filamento simple. Presenta cloroplastos distribuidos a lo largo de una cinta en forma de espiral. Tiene aproximadamente entre 10-100 μm de ancho y puede llegar a varios centímetros de longitud. Medio de cultivo: BG11, Basal Bold.

Hábitat: Aguas dulces, como ríos y arroyos. También en aguas estancadas, como charcos y lagunas. Usos: Producción de biocombustible y alimentación animal. Bibliografía: Ruiz-Marín et al., 2011.

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Actividad Promotora de

Crecimiento Vegetal por Cianobacterias en

Ambientes Semiáridos, Caso La Guajira

Nelson Valero Valero Liliana Cecilia Gómez

Ruth Elena Hernández Benítez Daldo Ricardo Araujo Vidal Javier Vanegas

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Actividad Promotora de Crecimiento Vegetal por Cianobacterias en Ambientes Semiáridos, Caso La Guajira.

Nelson Valero Valero1, Liliana Cecilia Gómez2, Ruth Elena Hernández Benítez3, Daldo

Ricardo Araujo Vidal4, Javier Vanegas5 1. Biólogo, MSc en Microbiología, Doctor en Ciencias Agrarias, Profesor Asistente, Universidad de La Guajira, Riohacha. 2. Bacterióloga y Laboratorista Clínica, MSc en Microbiología, Universidad Popular del Cesar, Valledupar. 3. Ingeniera Química, MSc en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo, Centro Agroempresarial y Acuícola, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Riohacha. 4. Ingeniero de Alimentos, Especialización en Gerencia de la Ciencia y la Tecnología, MSc en Gerencia de Proyectos de Investigación y Desarrollo, Doctor (c) en Gestión de la Innovación, Centro Agroempresarial y Acuícola, Servicio Nacional de Aprendizaje SENA, Fonseca. 5. Biólogo, MSc en Microbiología, Doctor en Biotecnología, Profesor Asistente, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. Resumen.

Las cianobacterias tienen la capacidad de promover el crecimiento de plantas de interés comercial por medio de mecanismos como la fijación de nitrógeno, la producción de reguladores de crecimiento, la solubilización de P y metabolitos con actividad biocontroladora. Del mismo modo, las cianobacterias pueden mejorar la calidad del suelo y mitigar el efecto del estrés hídrico en plantas crecidas en suelos salinos. En cultivos como el arroz, la inoculación de cianobacterias ha permito mejorar los rendimientos y disminuir el uso de fertilizantes nitrogenados. La actividad de cianobacterias como Arthrospira platensis es potenciada por la co-inoculación con bacterias asociadas al mucilago de la cianobacteria. Estas bacterias han exhibido la capacidad de promover el crecimiento vegetal y producir reguladores de crecimiento tipo auxinas. Por otra parte, A. platensis al crecer con sustancias húmicas incrementa la biomasa, contenido de clorofila, carotenoides, ficocianina, ficoeritrina, proteínas, carbohidratos y lípidos. La inoculación de cianobacterias para promover el crecimiento de diversos cultivos esta extensamente reportada en la literatura pero necesita ser transferida y adoptada en la agricultura comercial. Palabras Claves: Promoción de crecimiento vegetal, cianobacterias, arroz, Arthospira, regiones semiáridas. Abstract.

Cyanobacteria have the ability to promote the growth of plants of commercial interest through mechanisms such as nitrogen fixation, production of growth regulators, solubilization of P and metabolites with biocontrol activity. Likewise, cyanobacteria can improve soil quality and mitigate the effect of water stress on plants grown in saline soils. In crops such as rice, the inoculation of cyanobacteria has allowed to improve yields and decrease the use of nitrogen fertilizers. The activity of cyanobacteria such as Arthrospira platensis is potentiated by co-inoculation with bacteria associated with mucilage of the cyanobacteria. These bacteria have exhibited the ability to promote plant growth and

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produce auxin-like growth regulators. On the other hand, A. platensis growing with humic

substances increases the biomass, content of chlorophyll, carotenoids, phycocyanin, phycoerythrin, proteins, carbohydrates and lipids. Inoculation of cyanobacteria to promote the growth of various crops is widely reported in the literature but needs to be transferred and adopted in commercial agriculture. Keywords: Promotion of plant growth, cyanobacteria, rice, Arthospira, semi-arid regions.

1. Introducción. Una estrategia para aumentar la productividad y rendimiento agrícola es la incorporación de biofertilizantes en base a cianobacterias. Por ejemplo, el uso de cianobacterias en cultivos como el arroz ha permitido reducir la aplicación de fertilizantes nitrogenados hasta en un 50% (Pereira et al., 2009; Prasanna et al., 2012), aumentar la asimilación de nutrientes en la planta (Vaishampayan et al., 2001), incrementar entre el 15-20% la producción de grano de arroz bajo condiciones de campo en diversos países del trópico (Innok et al., 2009) y mejorar la calidad del suelo (Jha y Prasad, 2006). De la misma forma

el uso de cianobacterias permite la captación de gases efecto de invernadero como el CO2 y la producción de O2 (Herrero y Flores, 2008). Esto contrasta con los manejos tradicionales del cultivo que implican el uso de una gran cantidad de fertilizantes nitrogenados con baja asimilación (50%), lo que genera problemas ambientales como la eutrofización de aguas, la producción de gases de invernadero y potenciales problemas de salud humana (Choudhury y Kennedy, 2004). A pesar del éxito de la inoculación de cianobacterias en plantas como el arroz en países asiáticos (Vaishampayan et al., 2001; Sharma et al., 2011) y algunos países de Suramérica (Pereira et al., 2009) esta estrategia no ha sido implementada en Colombia. El uso de cianobacterias como biofertilizantes presenta algunas ventajas competitivas frente al uso de rizobacterias. Las cianobacterias presentan mínimos requerimientos nutricionales para su crecimiento, rápidas tasas de crecimiento, exigentes condiciones de luminosidad como las del trópico (Herrero y Flores, 2008), alta competitividad por la tolerancia a altas temperaturas, radiación UV, desecación y estrés salino e hídrico (Singh et al., 2010). Esta plasticidad metabólica ha permitido que las cianobacterias sean

omnipresentes en todos los suelos agrícolas y mantengan una alta diversidad y abundancia en agroecosistemas como el arroz (Mishra y Pabbi, 2004; Song et al., 2005).

Producción Agrícola en La Guajira. La Guajira presenta una gran brecha en la producción agrícola con respecto a la media nacional (Gobernación de La Guajira, 2012). El mayor número de hectáreas cultivadas en la Guajira corresponden a los cultivo de maíz tradicional, café, sorgo, algodón, yuca, arroz de riego, maíz tecnificado, plátano, banano de exportación y frijol (Gobernación de La Guajira, 2012). La mayoría de cultivos como los frutícolas presentan rendimientos por debajo de la media nacional lo que indica la falta de inserción de nuevas tecnologías para disminuir la brecha productiva que tiene el Departamento. Por ejemplo, para el arroz de riego el promedio departamental es de 5,5 Ton ha-1 frente al promedio nacional de 6,4 Ton ha-1. La erosión y salinidad de suelos son factores limitantes en la competitividad del sector agropecuario. Se estima que el 81% del territorio de la Guajira presenta suelos con alta erosión y un 79% de salinidad alta o moderada (Márquez, 2014). Estos factores afectan el

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potencial productivo agrícola de la región al aumentar el estrés hídrico de la planta, reducir el desarrollo vegetal y el rendimiento del cultivo. Esta reducción de la productividad del suelo genera altos costos económicos por el aumento en el uso de insumos y la ejecución de obras de mitigación (Márquez, 2014). Los suelos de La Guajira con problemas de salinización se podrían remediar mediante el uso de cianobacterias. Las cianobacterias presentan alta tolerancia a factores estresantes que les permite sobrevivir en la superficie del suelo. Estos microorganismos toleran altas temperaturas, la radiación UV, la desecación y el estrés hídrico y salino gracias al desarrollo de estrategias de mitigación y mecanismos de defensa tales como la evitación, síntesis de moléculas antioxidantes y compuestos de absorción, la reparación de DNA por daño UV, la re-síntesis de proteínas (Singh et al., 2010) y acumulación de lípidos y ácidos grasos (Singh et al., 2002). Estas cualidades contribuyen al éxito competitivo de las cianobacterias en una amplia variedad de ambientes (Herrero y Flores, 2008). Las cianobacterias tiene la capacidad de reducir la salinidad del suelo entre un 25-30% (Uma y Kannaiyan, 1999) y ayudar a la mitigación del estrés hídrico de plantas crecidas en suelos áridos al mejorar las condiciones físico químicas de los suelos y las propiedades biológicas al aumentar la capacidad de retención de agua, mejorar la aireación del suelo, aumentar el estatus nutricional del suelo, promover la agregación del suelo y promover la actividad de la microflora del suelo (Singh et al., 2011). Wafaa et al.,

(2013) reportan que la aplicación de cianobacterias combinada con ácidos húmicos y enmiendas mejora el rendimiento de cultivos de arroz y trigo al crecer en suelos salinos. Rodríguez et al., (2006) proponen que la mitigación del estrés salino por cianobacterias como Scytonema hofmanni podría ser respuesta a la producción de reguladores como las

giberelinas e incluso se han sugerido como elementos esenciales para llevar a cabo la recuperación de suelos en vía de desertificación debido a su plasticidad metabólica (Singh et al., 2011).

La inoculación de microorganismos en plantas sometidas a estrés salino ha permitido la explotación de suelos poco productivos sin necesidad de desarrollar plantas con modificaciones genéticas para su resistencia a este tipo de estrés, la reducción de agroquímicos e incluso el uso de agua salobre o de mar para el cultivo de plantas halotolerantes con potencial económico (Mayak et al., 2004; Bashan et al., 2000). Por ejemplo, en suelos áridos, la inoculación de la cianobacteria Scytonema ha mejorado la

longitud y biomasa del ají al aumentar la retención de la humedad, el aumento de la disponibilidad de carbono y nitrógeno estimula la flora microbiana del suelo (López-Cortés y Maya-Delgado, 2003). Adicionalmente, en algunos trabajos se ha evaluado la inoculación con micorrizas para disminuir el estrés por sequía (Davies et al., 2002) y

mejorar la supervivencia de plantas ají en los procesos de aclimatación y pos-aclimatación (Estrada-Luna y Davies, 2003). Mecanismos de Acción de la Fitoestimulación por Cianobacterias. Las cianobacterias son una alternativa económica y ambientalmente idónea para disminuir la fertilización química de N y aumentar la producción en cultivos de interés comercial (Pereira et al., 2009; Gamal-Eldin y Elbanna, 2011; Prasanna et al., 2012). La principal actividad biofertilizante en cianobacterias ha sido atribuida a su capacidad para fijar N2 a expensas de la energía fotosintética producida por éstas (Vaishampayan et al.,

2001).

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Las cianobacterias ocupan una posición central en la fijación de N (Zehr, 2011; Wagner, 2012). El N fijado es liberado principalmente en la forma de polipéptidos y en menor cantidades por aminoácidos libres, vitaminas y sustancias semejantes a auxinas ya sea por exudación o por degradación microbiana después de la muerte celular (Vaishampayan et al., 2001). Bajo condiciones de campo, parte del N fijado se hace disponible para las plantas y el resto se reincorpora en el suelo (Vaishampayan et al., 2001). Las cianobacterias además de fijar N son capaces de producir reguladores de crecimiento como auxinas tipo ácido indolacético (Prasanna et al., 2009), citoquininas (Vaishampayan et al., 2001) y giberelinas (Rodríguez et al., 2006). Al igual que la emisión de vitamina B12 y aminoácidos con capacidad de estimular la germinación vegetal (Prasanna et al., 2008).

Las cianobacterias como Anabena sp, Calothrix braunii, Nostoc sp, Scytonema sp pueden aumentar la disponibilidad de P (Sharma et al., 2013) y producir fosfatasas extracelulares (Stihl et al., 2001). Igualmente, las cianobacterias tienen un gran potencial en el sector

agrícola como biocontroladores debido a la producción de una amplia variedad de metabolitos secundarios con actividad antiviral, antibacterial y antimicótico (Sharma et al.,

2011) como los sideróforos (Rastogi y Sinha, 2009). Las cianobacterias mejoran la agregación del suelo por la producción de mucílago que ayuda a la unión de partículas del suelo evitando su erosión y mejorando la capacidad de retención de agua (Herrero y Flores, 2008). Después de la muerte y descomposición, aumentan los contenidos de humus y N del suelo lo que conduce a un mejoramiento de la calidad del suelo (Roger y Kulasooriya, 1980). La acumulación de N en el suelo por el uso de cianobacterias puede llegar hasta los 50 kg N ha-1 (Roger y Ladha, 1992). Estos efectos son tanto acumulativos y residuales, evidentes a través de la acumulación del contenido de materia orgánica, el número de propágulos de cianobacterias en el suelo y el aumento del rendimiento y crecimiento vegetal (Ghosh y Saha, 1997). Promoción de Crecimiento por Cianobacterias. La aplicación de cianobacterias para promover el crecimiento de plantas de interés comercial ha sido ampliamente difundido (Vessey et al., 2003). Shariatmadari et al., (2013) reportan que las cianobacterias Anabaena vaginicola ISC90 y Nostoc calcicola ISC89 aisladas de arroz promovieron el crecimiento de plantas de pepino (Cucumis sativus), tomate (Solanum lycopersicum) y calabaza (Cucurbita maxima). Igualmente, la

promoción de crecimiento por la inoculación de cianobacterias se ha reportado en diferentes cultivos como trigo (Nain et al., 2010), soja (Bidyarani et al., 2015), tomate (Prasanna et al., 2013) y otros cultivos como algodón, caña de azúcar, maíz, ají, frijol, melón y lechuga (Shariatmadari et al., 2013). Inoculación de Cianobacterias en Cultivos de Arroz. Los efectos benéficos de la inoculación de cianobacterias han sido reportados extensamente en el modelo arroz (Kennedy et al., 2004). La aplicación de cianobacterias

en cultivos de arroz ha incrementado el rendimiento de grano en diversos países asiáticos como la India, China, Egipto, Japón y Filipinas (Vaishampayan et al., 2001; Sharma et al., 2011) y algunos países de Suramérica como Chile (Pereira et al., 2009). Los resultados

revelan un incremento en rendimiento de grano entre 15-20% en experimentos de campo (Innok et al., 2009). La inoculación no solo mejora el rendimiento de grano sino el aumento en el contenido de N del grano, el crecimiento vegetal (altura de planta, longitud

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de la hoja bandera biomasa vegetal y el número de macollas) y los componentes de rendimiento (Vaishampayan et al., 2001).

Los mejores resultados en la promoción de crecimientos parece obtenerse cuando se mezclan inóculos de poblaciones locales de cianobacterias a un bajo nivel de fertilizante nitrogenado (Mishra y Pabbi, 2004). Igualmente, la introducción de cianobacterias puede establecerse de forma permanente mejorando la calidad del suelo, si la inoculación se realiza de manera consecutiva para 3-4 ciclos de cultivo (Mishra y Pabbi, 2004). Prasanna et al., (2012) reportan incrementos en el rendimiento de arroz del 19% con respecto al control empleando como inoculante la cianobacteria Anabaena sp. Ellos determinaron que la mezcla entre rizobacterias promotoras de crecimiento vegetal (PGPR) y cianobacterias promovió la germinación y el crecimiento de las plantas de arroz reduciendo entre 40-80 kg ha-1 de N, además se mejoró componentes de la calidad del suelo como la retención de carbono y la actividad de la fosfatasa alcalina y deshidrogenasa. Este estudio constituyó el primer reporte para potenciar el uso de cianobacterias mediante la co-inoculación con PGPR (Prasanna et al., 2012). La inoculación con cuatro cianobacterias (Anabaena iyengariivar, Nostoc commune, Nostoc linckia y Nostoc sp) en suelos arroceros de Chile permitió una disminución de

hasta un 50% en el uso de fertilizantes nitrogenados (50 kg N ha-1) sin disminuir los rendimientos de grano 7,4 t ha-1 (Pereira et al., 2009). Similares porcentajes de reducción han sido reportados por otros autores (Quesada et al., 1997). Las cepas fueron

seleccionadas por presentar las mayores tasas de fijación de N2, rápido crecimiento, la tolerancia a la desecación y el crecimiento a diferentes temperaturas (Pereira et al., 2009).

Karthikeyan et al., (2007) reportaron que la inoculación con tres cianobacterias en plantas

de trigo promovió el crecimiento vegetal. El rendimiento de grano del tratamiento inoculado con el 33% de la fertilización de NPK fue significativamente igual al tratamiento no inoculado con fertilización completa. Estas cianobacterias pueden promover el crecimiento a través de la producción de auxinas, moléculas relacionadas con el control biológico de enfermedades y/o incremento en la formación de agregados, dando origen a mejoras en la bioestructura del suelo y por ende en la porosidad, esto debido a la emisión de mucílago/polisacáridos que actúan como agentes de unión entre las partículas del suelo (Karthikeyan et al., 2007).

Gamal-Eldin y Elbanna (2011) reportaron incrementos en grano de arroz por la inoculación del diazótrofo Rhodobacter capsulatus (bacteria fotótrofa púrpura del azufre) bajo condiciones de campo. La inoculación con R. capsulatus en combinación con el 50%

de la fertilización nitrogenada presentó el mismo rendimiento de grano que el obtenido con 100% de la fertilización nitrogenada (Gamal-Eldin y Elbanna, 2011). Estos resultados concuerdan con los reportados por Elbadry et al., (1999) quienes mostraron que la inoculación de plantas de arroz con R. capsulatus aumentó el rendimiento de grano de arroz bajo condiciones de invernadero. De la misma manera, Harada et al., (2005) encontraron que la inoculación de arroz con Rhodo pseudomonas aumentó el rendimiento

de arroz de grano entre el 9% y un 21% en combinación con la aplicación de tamo de arroz. Cuatro inoculantes con cianobacterias (Aulosira fertilissima, Anabaena sphaerica, Nostoc hatei, Cylindrospermum majusand y Westiellopsis prolifica) incrementaron

significativamente el rendimiento en grano y la paja de arroz ya sea solo o en combinación con fertilizantes químicos logrando un ahorro de 25 kg N ha-1 (Jha y Prasad, 2006).

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Además, se encontró un aumento en el balance de nutrientes de N total, N disponible, P total y P disponible para los tratamientos inoculados con fertilización (Jha y Prasad, 2006).

2. Estudios de Caso. En el Centro Agroempresarial y Acuícola del SENA de Riohacha y Fonseca se evaluó el efecto de la inoculación de diferentes cianobacterias sobre el crecimiento de plantas de arroz. Luego de tres meses de crecimiento el tratamiento con Gloeocapsa presentó incrementos significativos entre 8,8-15% en la altura de las plantas con respecto al control sin inocular. Los tratamientos con Oscillatoria no presentaron incrementos con respecto al

control sin inocular. La eficacia de las cianobacterias para aumentar el rendimiento de arroz varía dependiendo del tipo de suelo (Kennedy et al., 2004), la humedad, pH del suelo y la temperatura (Howarth et al., 1988). Por ejemplo, ensayos de campo realizados

en diferentes tipos de suelo demostraron que las cianobacterias complementan entre el 25-35% de urea-N para el cultivo de arroz en suelos ácidos salinos y rojos, mientras que su efecto fue menor en los suelos calcáreos y neutros (Hashem, 2001). No obstante, no todas las inoculaciones con cianobacterias generan promoción de crecimiento en arroz o rendimiento del grano (Innok et al., 2009). La adopción de este tipo de tecnologías por los agricultores es insignificante. Esto se debe principalmente a los problemas tecnológicos que rigen la calidad del inóculo, la persistencia y la corta vida útil del inóculo (Jha y Prasad, 2006). Bacterias Promotoras del Crecimiento Vegetal Asociadas a Arthrospira platensis. Las bacterias promotoras del crecimiento vegetal tiene la capacidad de asociarse con plantas, cianobacterias (Liba et al., 2006) y con hongos micorrizicos (Artursson et al.,

2006). La asociación inducida entre bacterias promotoras del crecimiento vegetal y microalgas han demostrado promoción en el crecimiento de microalgas (Lebsky et al., 2001, De-Bashan et al., 2011) mediante el intercambio de vitaminas, factores de

crecimiento o productos extracelulares benéficos, hormonas como auxinas, giberelinas y citoquininas. Por ejemplo, Sena et al., (2011) describieron diferentes bacterias que habitan asociadas a los cultivos de cianobacterias como Arthrospira platensis. Un estudio más detallado de estas interacciones puede ser conveniente para el desarrollo bioproductos o estrategias de manejo para un mejor aprovechamiento de microalgas y cianobacterias. Con base en lo anterior, Gómez et al., (2012a) postulan la existencia de asociaciones funcionales benéficas entre cianobacterias como A. platensis y bacterias que habitan en

su mucilago, de la misma manera como se han observado asociaciones entre bacterias y microalgas, de una forma análoga al establecimiento de bacterias benéficas en la rizósfera de las plantas gracias a los exudados radiculares. En este sentido, se aislaron las bacterias asociadas a un monocultivo de A. platensis y se comprobó la producción de ácido indolacético (AIA) por parte de las bacterias asociadas; así se logró concluir que en el cultivo autotrófico de A. platensis cohabitan bacterias naturalmente adaptadas a las

condiciones de salinidad y alcalinidad en que crece dicha cianobacteria. Entre las bacterias asociadas se encontraron las bacterias Bacillus okhensis, Exiguobacterium aurantiacum, Halomonas sp, Indibacter alkaliphilus, y Xanthomonas sp; todos los aislamientos resultaron ser productores de AIA (Gómez et al., 2012a).

Dada la capacidad para producir AIA por las cinco bacterias asociadas al cultivo de A. platensis se aportó evidencia sobre una posible asociación benéfica entre estos

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organismos y se propuso que esta asociación podría ser responsable de promover el crecimiento en las plantas en presencia de la cianobacteria. Por lo anterior, se desarrolló un experimento para evaluar el efecto promotor del crecimiento vegetal por estas bacterias, utilizando como modelo de estudio plantas de sorgo (Sorghum bicolor). Se encontró que las bacterias I. alkaliphilus y B. okhensis estimularon la germinación de semillas de S. bicolor, incluso con mayor actividad a la exhibida por la bacteria referencia Azospirillum brasilense. Las tres cepas bacterianas asociadas a A. platensis también desencadenaron incrementos significativos (p≤0,05) sobre parámetros morfoagronómicos, entre los que sobresalen el efecto de I. alkaliphilus y B. okhensis en el tamaño y peso seco de raíces y follaje (Gómez et al., 2012b). Por lo anterior se sugirió que estas bacterias muestran atributos como promotoras de crecimiento vegetal. Los resultados descritos anteriormente pueden constituir evidencia sobre mecanismos o estrategias ecológicas más complejas que presentan las cianobacterias para promover el crecimiento y desarrollo vegetal, pues quizá parte del efecto documentado pueda ser atribuido a la actividad complementaria de las bacterias asociadas; por otra parte, el hecho de que las bacterias asociadas a A. platensis, con actividad promotora del

crecimiento vegetal, son organismos halotolerantes y alcalófilos, constituye una característica conveniente para el uso de esta cianobacteria en cultivos sobre suelos salinos, como es el caso de buena parte del territorio semiárido de La Guajira. Sustancias Húmicas como Bioestimulantes que Ayudan al Desempeño de los Biofertilizantes. Recientemente se han agrupado a varios insumos biológicos para la agricultura dentro del concepto de “Bioestimulantes vegetales”, un bioestimulante vegetal se define como cualquier sustancia o microorganismo que al ser aplicado a las plantas puede desencadenar mejoras en la eficiencia nutricional, tolerancia al estrés abiótico y/o mejorar las características del cultivo, independiente de su estatus nutricional (Du Jardin, 2015). Los bioestimulantes son productos de origen natural que estimulan la eficiencia de los procesos fisiológicos y las interacciones ecológicas en la rizósfera de las plantas para mejorar su crecimiento y desarrollo, y así optimizar la calidad de los cultivos. Los bioestimulantes se clasifican en cinco categorías: los insumos a base de microorganismos (biofertilizantes), los ácidos húmicos y los ácidos fúlvicos, las proteínas y aminoácidos hidrolizados, y los extractos de algas verdes (Calvo, et al., 2014).

La materia orgánica humificada del suelo (MOH) es reconocida tradicionalmente por su gran influencia sobre la calidad física y química del suelo, pero además de estos efectos ampliamente conocidos, las sustancias húmicas (SH) que componen la MOH también pueden considerarse bioestimulantes vegetales debido a que exhiben bioactividad sobre las plantas. La bioactividad de la MOH puede ser definida como un fenómeno que comprende una serie de respuestas fisiológicas que conllevan a cambios positivos en la arquitectura de la raíz, la nutrición, el metabolismo vegetal y la comunidad microbiana de la rizósfera, en plantas tratadas con diferentes fracciones húmicas, principalmente ácidos húmicos y fúlvicos, lo que conlleva a la estimulación del crecimiento vegetal (Calvo et al., 2014; Canellas et al., 2015; Du Jardin, 2015). Esta bioactividad es un aspecto importante

puesto que conlleva a un mejor desempeño de las plantas en suelos con baja fertilidad o bajo condiciones limitantes. La bioactividad de la MOH está relacionada con la capacidad fitoestimuladora de manera similar al mecanismo de acción de las hormonas vegetales, efecto denominado “like auxin”. Este efecto puede tener implicaciones prácticas que resultan convenientes y prometedoras para mejorar la adaptación, el crecimiento y

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desarrollo de plantas sobre suelos en condiciones limitantes y con bajo contenido en materia orgánica, donde la MOH no es suficiente para desencadenar la bioactividad que estimule el desarrollo vegetal; un caso representativo de esta situación son los suelos bajo condiciones áridas, semiáridas y salinas del departamento de La Guajira. Canellas y Olivares (2014) proponen el uso de MOH, por su bioactividad, como un elemento clave para conseguir mejor comunicación celular entre la planta y los microrganismos, la colonización y el desempeño de microrganismos utilizados en los biofertilizantes, de tal forma que pueden actuar como coadyuvantes en el diseño de una nueva generación de biofertilizantes. Oosten et al., (2017) proponen que el uso de la combinación de bioestimulantes y bioefectores es una estrategia clave para lograr el éxito de la optimización de la fertilización tanto química como biológica en plantas de cultivo bajo condiciones de estrés abiótico. A través de varios experimentos se ha descrito que el tratamiento con SH en aplicaciones foliares o directamente al suelo genera cambios en la fisiología de las plantas, que conllevan a una mayor producción de exudados radicales que son liberados a través de la rizodeposición, así se ha propuesto que las SH tienen un efecto estimulador indirecto sobre la comunidad microbiana de la rizósfera, el cual está mediado por la fisiología de la planta en respuesta a los efectos hormonales de estas sustancias (Puglisi et al., 2009). Sin embargo, también se ha descrito que las SH favorecen por si mismas el crecimiento de microrganismos fotosintéticos, como microalgas (Gallego et al., 2013) y cianobacterias como Anabaena circinalis (Sun et al., 2017). A continuación se describen dos trabajos preliminares que se orientaron a determinar el papel bioestimulante de ácidos húmicos sobre la cianobacteria Arthrospira platensis, teniendo en cuenta su potencial como

biofertilizante para suelos bajo condiciones de estrés por salinidad y déficit hídrico. En un primer experimento se determinó el crecimiento y producción de pigmentos de A. platensis en medio de cultivo Zarrouk, en cultivos discontinuos bajo condiciones

controladas en fotobiorreactor, con adición de un carbón pobre tipo lignito, utilizado como fuente de materia orgánica humificada cuya biactividad ha sido previamente sugerida. Se evaluaron concentraciones de lignito de 10, 20, 30, 40, 50, 60 mg L-1, se utilizó AIA a 80 mg L-1 como referencia. A los 30 días de crecimiento se encontró que el lignito a 50-60 mg L-1 incrementó el peso seco de la cianobacteria en un 16-34% con respecto al control. Este incremento en biomasa es comparable al ocasionado por la adición de AIA que fue del 22%. Igualmente, el lignito promovió el incrementó en el contenido de clorofila a (45-61%), carotenoides (8-23%), ficocianina (56-36%), y ficoeritrina (9-16%) (Córdoba, 2011). Posteriormente se realizó la extracción de la fracción de ácidos húmicos a partir del lignito y se probó su efecto estimulante de crecimiento sobre A. platensis en cultivos en batch bajo condiciones controladas, se probaron concentraciones de 1, 10, 100 ppm en el medio Zarrouk y se determinó la producción de biomasa, pigmentos, proteínas, carbohidratos y lípidos por A. platensis. A los 30 días se observó que la aplicación de 10 ppm de ácidos húmicos ocasionó incrementos significativos con respecto al control en todas las variables, alcanzando incrementos del 16% en biomasa, 33% en contenido de clorofila a,

27% en carotenoides, 46% en ficocianina, 17% en ficoeritrina, 42% en proteínas, 31% en carbohidratos y 39% en lípidos (Cóbo, 2011). Los anteriores hallazgos aportan evidencia sobre la conveniencia del trabajo en el diseño de nuevos productos biofertilizantes a base de la combinación de MOH y cianobacterias, en busca de adaptar una estrategia que optimice el desempeño de los microorganimos

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benéficos y a su vez mejorar la adaptación de las plantas para interactuar efectivamente con los inoculantes, especialmente bajo condiciones de estrés, aspecto de alto interés para el caso de los suelos del departamento de la Guajira.

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173.

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Las Microalgas en

la Industria

Cosmética

Vaneza Paola Lorett Velásquez

Areli FloresGaspar

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4

Las Microalgas en la Industria Cosmética.

Vaneza Paola Lorett Velásquez1, Areli Flores-Gaspar2 1. Química Farmacéutica, MSc en Atención Farmacéutica Integral, Doctora Rerum Naturalium, Profesora Asistente, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 2. Química (UNAM), Maestría en Ciencias Químicas (UNAM), Doctorado en Ciencia y Tecnología Química (ICIQ-URV), Profesora Auxiliar, Facultad de Ciencias Básicas y Aplicadas, Universidad Militar Nueva Granada, Sede Campus Nueva Granada. Resumen.

El desarrollo de aplicaciones biotecnológicas a partir de microalgas en el área de la cosmética ha resultado de gran interés en las últimas décadas, demostrando así que la biomasa proveniente de microalgas pueden ser empleadas como una de las principales fuentes de metabolitos primarios con diversas propiedades de aplicación en la industria cosmética, entre estos metabolitos se destacan sustancias de naturaleza proteica, lipídica y polisacarida con propiedades antiinflamatorias, antioxidantes y nutricionales. Además, podemos mencionar que el conjunto de características de tecnologías limpias y sustentables que hacen de la cosmética un área de amplio futuro, como lo demuestra el creciente posicionamiento en el mercado global de la industria biocosmética. Colombia en su región caribe tiene una biodiversidad de microalgas con un amplio potencial de producción biotecnológico enfocado hacia la producción de sustancias de interés comercial a gran escala a partir de cultivos de cepas nativas. En el presente capítulo se realiza una revisión del uso de microalgas con fines cosméticos y su impacto en el área de la biotecnología. Palabras Claves: Microalgas, extractos de microalgas, metabolitos primarios, biocosméticos.

Abstract. In recent decades, the development of biotechnological applications of microalgae in the area of cosmetics has increased, demonstrating that the biomass obtained from microalgae can be used as one of the main sources of primary metabolites with a wide variety of applications in the cosmetic industry. These metabolites include substances such as proteins, lipids and polysaccharides, that have anti-inflammatory, antioxidant, nutritional, and moisturizing properties. Due to the important characteristics in clean technology and sustainability, the biocosmetic is field with a great future, as evidenced by the growing positioning in the global market of the cosmetics industry. Colombia and its Caribbean region have a wide biodiversity of microalgae with a large potential for biotechnological production of substances with commercial interest obtained from local sources. In this chapter we present a review of the use of microalgae for biocosmetic purposes and its impact in the biotechnological area. Keywords: Microalgae, microalgae extracts, primary metabolites, biocosmetics.

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1. Introducción.

Más del 70% de la tierra está cubierta por los océanos los cuales son el hogar del 90% de los organismos del planeta. El océano ofrece muchos ambientes únicos, recursos, y existen numerosos organismos marinos con un gran potencial para producir compuestos bioactivos que pueden ser utilizados como productos farmacéuticos, nutricionales y cosméticos (Gomez et al., 2009). En las últimas décadas se ha generado una tendencia

mundial enfocada hacia una demanda creciente por productos natural y sostenibles, un ejemplo de esto son los extractos de microalgas que tiene un valor de mercado significativo (Spolaore et al., 2006).

Las algas son un grupo de organismos extraordinariamente diversos pertenecientes a los eucariotas y eubacterias, muchas algas son en su mayoría fotosintéticas y tienen funciones biológicas y ecológicas similares a las de las plantas (Stengel et.al., 2011; Rodríguez et.al., 2010). En la actualidad han sido identificadas, más de 20.000 especies de algas (Christaki et al., 2013), y son las responsables de alrededor de 40-50% de la fotosíntesis que se produce en el planeta cada año (Qin et al., 2012). Las algas marinas

poseen una amplia gama de tamaños que pueden ir desde células individuales microscópicas de microalgas hasta organismos mucho más grandes, llamados Macrocystis, que pueden medir más de 30 m de largo (Gómez et al., 2009).

Las microalgas representan a un excepcional grupo especializado de microorganismos que se adaptan a diferentes ambientes acuáticos en todas las latitudes y ecosistemas del planeta. Son organismos autótrofos unicelulares, coloniales y filamentosos que tienen la habilidad de sobrevivir y proliferar a lo largo de un amplio rango de condiciones ambientales mediante la capacidad de cambio metabólico como respuesta a cada condición externa. Se ha estimado que actualmente existen alrededor de 50.000 especies, sin embargo, solo un limitado número ha sido estudiado y analizado (Richmond, 2013). En términos de productividad las microalgas son superiores a las convencionales plantas, por gozar de una limitada variación estacional, métodos de extracción más fáciles y materias primas abundantes (Christaki et al., 2013).

Las microalgas se reproducen mediante fotosíntesis convirtiendo la energía solar en energía química, estos microorganismos completan un ciclo entero de crecimiento en tan solo pocos días lo que los hace un sistema eficaz para la bioconversión de energía luminosa, elementos nutritivos y CO2 en biomasa que puede ser utilizable en diferentes áreas. Las microalgas han adquirido gran importancia ya que representan la solución a diferentes problemas en aspectos de generación de biocombustibles, farmacéuticos, cosméticos, nutracéuticos, alimentos funcionales y complementos alimenticios (Viscasillas y Pozo, 2005). La biotecnología de microalgas tiene su origen en la segunda mitad del siglo XX al buscar una alternativa para sustituir las proteínas animales y vegetales de consumo directo del ganado y del hombre, fue entonces que las microalgas empezaron a cultivarse para la producción de lípidos y proteínas. Actualmente, la biotecnología de microalgas es un campo dinámico y vasto, con un amplio mercado comercial estimado en 20,000 toneladas de producción por año (Richmond, 2013), la industria de la producción de biomasa para distintos fines es la principal aplicación en términos de mercado y volumen generado. El uso de biomasa microalgal incluye la nutrición humana y animal, biorremedación de aguas y suelos, fijación de carbono, biofertilización y la producción de biocombustibles, siendo esta última su principal aplicación.

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El creciente interés en la biotecnología de microalgas radica en sus características de tecnología sustentable lo que hace de esta disciplina un área de amplio futuro. Sin embargo, existen diferentes retos a vencer tales como la diversificación del aprovechamiento de la biomasa microalgal en áreas diferentes a biotecnología de combustibles. En los últimos años, el desarrollo de otras aplicaciones biotécnológicas empleando microalgas ha resultado de gran interés ya que las microalgas pueden ser empleadas como uno de los principales productores de metabolitos primarios. Dentro de las ventajas que representa el uso de microalgas en diferentes procesos biotecnológicos encontramos las siguientes:

Desde el punto de vista práctico, las microalgas tienen la habilidad de crecer en condiciones poco adecuadas para otro tipo cultivos forestales o agrícolas, las microalgas no requieren un espacio de tierra cultivable y pueden crecer sin la necesidad de emplear agua dulce empleando aguas residuales.

Tienen una velocidad de crecimiento y una mayor productividad comparada con cultivos forestales o agrícolas u otro tipo de plantas, todos los anteriores requieren un gran espacio de tierra para su cultivo.

Las microalgas pueden crecer en prácticamente todas las condiciones ambientales, únicamente requieren una cierta cantidad de luz solar, ciertos nutrientes y su crecimiento puede ser acelerado por la manipulación de diferentes condiciones externas como luz, nutrientes, pH, oxígeno, etc.

Según su especie y las condiciones de cultivo las microalgas pueden proveer diferentes tipos y cantidades de los compuestos bioactivos de valor agregado antes mencionados.

Debido a la gran variedad existente de microalgas y el gran valor biológico de sus derivados, las microalgas tienen diversas aplicaciones comerciales lo que da paso a un gran número de usos dentro del área de biocosméticos y farmacéuticos.

La elección correcta de la especie es el primer paso para el desarrollo de un proceso de producción, ya que el éxito depende de una excelente elección. La especie debe tener las características adecuadas para condiciones de cultivo peculiares, para obtener productos específicos. Entre las principales características deseables para cultivos a gran escala están: crecimiento rápido, alto contenido de productos de alto valor agregado, desarrollo en ambientes extremos, células grandes en colonias o filamentos de gran tolerancia a condiciones ambientales (Skjånes, 2013). El uso de cosméticos data desde tiempos remotos se han asociado a temas religiosos u ornamentales. Culturas antiguas producían sus propios productos cosméticos a partir de productos naturales como frutas, leches, vegetales, flores, semillas o compuestos minerales. La función de esos cosméticos era suavizar, vigorizar o embellecer la piel o el cabello. Las técnicas empleadas para producir los diferentes productos cosméticos se han mejorado con el paso del tiempo y actualmente existen metodologías altamente sofisticadas. Una nueva alternativa para la obtención de materias primas para la elaboración de cosméticos incluye numerosos procesos industriales como: físicos, químicos, biológicos, biotecnológicos y/o nanotecnológicos (Novak, 2014). Tomando en consideración todos estos aspectos, la industria biocosmética ha ganado ventaja en el aprovechamiento de muchas materias primas consideradas como “no usables” con el objetivo de obtener materiales de alto valor añadido con gran potencial

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biológico. En los últimos años, el desarrollo de aplicaciones biotecnológicas de microalgas en el área de la cosmética ha resultado de gran interés. Se ha demostrado que las microalgas pueden ser empleadas como uno de los principales productores de metabolitos primarios con diversas propiedades cosméticas debido a su composición bioquímica (Novak, 2014).

2. Definición de Cosmético y Biocosmético. De acuerdo con la definición de la Ley Federal de Alimentos, Medicamentos y Cosméticos (FDA) y el artículo L5131-1 del Código Salud Pública francesa, un producto cosmético es toda sustancia que va a ser frotado, vertido, rociado, introducido en o aplicado a partes externas del cuerpo, en particular la epidermis, sistemas de cabello , uñas, labios y órganos genitales externos, o para los dientes y las membranas mucosas de la cavidad oral así como también productos de limpieza, perfumes, aquellos que protege, modifica la apariencia, mantiene en buenas condiciones o ayuda a reducir los olores corporales (Wang et al., 2015). Es decir, los cosméticos son un conjunto de procedimientos y

tratamientos para alcanzar higiene personal y embellecimiento. De acuerdo a la definición del Diccionario Médico (Segen, 2012), un biocosmético es un producto cosmético que se ha producido empleando las diferentes técnicas biotecnológicas o un cosmético que tiene un mecanismo de acción basado en principios biológicos. En un biocosmético se utiliza, en al menos un paso de su producción, algún residuo industrial. Este residuo industrial puede sufrir transformaciones físicas, químicas, biológicas o biotecnológicas que permitan una mejor concentración, purificación o bioactivación de las moléculas de interés. Los residuos que pueden ser considerados como fuentes potenciales de biocosméticos son aquellos que tienen al menos algún compuesto con propiedades importantes como: potencial antioxidante, alto contenido de compuestos fenólicos, capacidad para mejorar propiedades sensoriales, actuar como suavizante y aligerador o que da brillo.

3. Microalgas y Cosmética.

El uso industrial de algas o sus derivados puede verse involucrado en alguna de las siguientes etapas:

1. Uso como agente gelificante o moderador de la textura en las diversas formas cosméticas utilizando los polisacáridos extraídos de la pared celular como el agar, el ácido algínico y los carragenos.

2. Preparados a los que son añadidos agentes activos extraídos de las microalgas

con actividad limpiadora, hidratante, antiarrugas, desecante, antioxidante, etc. El consumo humano de microalgas se ha restringido a algunas especies ya que existen estrictas regulaciones para su uso. En la tabla 1 se muestran las principales microalgas que se han establecido en el mercado de nutracéuticos y cosmética con una alta producción anual.

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Tabla 1. Datos de producción anual y aplicaciones de las algunas especies de microalgas. (Adaptada de Viscasillas y Pozo (2005) y Arrieta (2008)).

Microalga Producción anual (ton)

Substancias Aplicación cosmética

y otros productos

Spirulina 3000

Proteínas (aminoácidos) Vitaminas grupo B, A y E Hierro y otros minerales Lipasas Tetrapirroles

Hidratante Antienvejecimiento Nutrición ficobiliproteínas

Dunaliella 1200 Betacarotenos y vitamina F Glicerol.

Hidratante Nutrición.

Chlorella 2000 Proteínas Vitaminas A, B, C y E

Nutriente de la piel

Aphanizomenon 500 Nutrición

Haemoatococcus pluvialis

300 Carotenoides tipo Astaxantina Acuacultura

Cryptheconidium cohnil

240 Ácido docohexanóico (DHA). Nutrición.

Schyzochytrium 10 DHA Nutrición.

Chlorella vulgaris y Dunaliella salina son las microalgas más extensamente utilizadas en el campo de la biotecnología de microalgas, específicamente en la elaboración de biocosméticos, debido a los altos niveles de proteínas que producen (40-60% de proteínas).Sus extractos poseen activos biológicos tales como factores de crecimiento, anti-inflamatorios, sustancias cicatrizantes, antioxidantes y emolientes (Safi, 2014).

Tabla 2. Pigmentos contenidos en C. vulgaris (Adaptada de Safi 2014)

Pigmento µg g-1 de peso seco

β-caroteno 7-12,000 astaxantina 550,000 Luteina 362,000 Clorofila a 250-9630 Clorofila b 72-5770 Feofitina a 2310-5640 Violaxantina 10-37

El pigmento más abundante en la C. vulgaris es la clorofila, que puede obtenerse en 1-2%

del peso seco, además de este pigmento, se encuentran cantidades importantes de carotenoides como las mencionadas en la tabla 2. Los pigmentos en las plantas tienen la función de actuar como fotoprotectores y blanqueadores durante una fuerte exposición a

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la radiación y al oxígeno (Safi, 2014). Por lo anterior los pigmentos tienen múltiples aplicaciones con actividad antioxidante, el extracto de C. vulgaris estimula la síntesis de

colágeno en la piel y es usada en productos con efectos regenerador de arrugas (González, 1992; Spolaore et al., 2006). Los pigmentos extraídos de la C. vulgaris,

también han mostrado tener un efecto protector contra degeneración de la retina, reguladores de colesterol en sangre y como preventivos contra enfermedades crónicas como: enfermedades cardiovasculares o cáncer de colón (Safi, 2014).

La especie D. salina es bien conocida en la industria biotecnológica, esta microalga es

capaz de vivir en condiciones ambientales extremas tales como alta salinidad, bajo pH, alta radiación y temperaturas bajo cero (Jin y Melis, 2003). Además, es conocida por producir aproximadamente el 10% de β-caroteno de su peso seco bajo condiciones de estrés. Los productos más comunes que incluyen β-caroteno, son polvo de algas seca para uso humano y polvo de algas seca para la alimentación animal (Lamers, 2008). Sus usos incluyen la eliminación de radicales libres, promoción de la coloración en carnes, yema de huevo y precursores de vitamina A (Arrieta, 2008).

Tabla 3. Composición de biomasa microalgal basado en materia seca. (Adaptada de Lee y Hung, 2009)

Microalga %Proteína %Carbohidratos %Lípidos

Anabaena cylindrica 43-56 25-30 --

Botryococcus braunii 40 2 33

Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21

Chlorella pyrenoidosa 57 26 2

Dunaliella salina 57 32 6

Dunaliella tertiolecta 29 14 11

Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20

Isochrysis galbana 41 5 21

Porphyridium cruenium 28-39 40-57 19-14

Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-39

Scenedesmus dimorphus 8-18 21-52 16-40

Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14

Scenedesmus quadricauda 47 -- 2

Spyrogyra sp. 6-20 33-64 11-21

Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7

Spirulina plantesis 42-63 8-14 4-11

Synechoccus sp. 63 15 11

Tetraselmis maculata 52 15 3

Tetraselmis suecica 39 5 21

Lo anterior demuestra que las aplicaciones biotecnológicas, es decir, el aprovechamiento de la biomasa de microalgas, depende en gran medida de su composición bioquímica (Lee y Hung, 2009). El componente más importante de la biomasa microalgal con las proteínas, las cuales junto con los lípidos y carbohidratos puede representar hasta el 90% del peso seco total. Los demás componentes como vitaminas (B1, B2, B3, B6, B12, E, K, D), pigmentos, antioxidantes, ácidos nucleicos y demás componentes menores, representan el 10% restante (Bertha y Voltolina, 2007).

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En la tabla 3 se muestran algunos ejemplos de composición de biomasa de diferentes microalgas basados en términos de los principales componentes antes mencionados (Lee y Hung, 2009). Los porcentajes pueden variar en función de la especie y de las condiciones de cultivo. Se ha demostrado que el crecimiento de microalgas a grandes velocidades favorece el contenido de proteínas reduciendo el contenido de lípidos, por el contrario, un crecimiento a baja velocidad favorece el contenido de lípidos y reduce la cantidad de proteínas (García-Cuadra, 2012). El alto contenido proteico de varias especies microalgales es una de las principales razones para ser consideradas como una fuente de proteína no convencional. Por lo anterior, su aprovechamiento recae principalmente en la alimentación humana o animal (Brennan, 2010). Los lípidos están compuestos de glicerol, bases esterificadas de ácidos grasos saturados e insaturados comúnmente llamados PUFA (Polyunsaturated fatty acid) que van de 12 a 22 átomos de carbono, estos tienen un rol importante en la célula y el metabolismo de los tejidos; proporcionan regulación térmica y de la fluidez de la membrana, transporte de electrones y oxígeno (Cardozo, 2007). Según la especie y las condiciones de cultivo, el contenido de lípidos puede variar entre el 40-85%. De todos los ácidos grasos en microalgas, tienen especial interés algunos de las familias omega-3 y omega-6 a los cuales se les atribuye una importancia terapéutica en enfermedades inflamatorias, cardíacas, reumáticas, entre otras. De hecho, en Europa se adiciona PUFA’s a fórmulas infantiles y también se desarrollan huevos “omega” los cuales provienen de gallinas alimentadas con microalgas de los géneros Schyzochytrium y Cryptheconidium (Patil y Gislerod, 2006).

El ácido docosahexaenóico (DHA, 22:6), es uno de los PUFA’s más importantes ya que constituye un componente mayoritario de la materia gris y la retina, es clave en el desarrollo neurológico humano así como en el tejido cardiaco (Pereira et al., 2004). La

empresa Market-DHASCO produce DHA en un 40-50% en peso seco a partir de cultivos de Cryptheconidium cohnii y su producción en el 2003 llegó a 240 toneladas. Otros ácidos poliinsaturados presentes en las microalgas son los siguientes: Ácido eicosapentanoíco (EPA, C20:5), GAL (C18:3), ácido linoléico (ALA, C18:3n-3), ácido docosopentanóico (DPA, C22:5n-3). (Montes et al., 2014).

Los polisacáridos obtenidos de microalgas tienen utilidad en las industrias alimenticias, de cosméticos y farmacéutica. Los carbohidratos pueden ser encontrados en forma de almidón, glucosa, azúcares u otros polisacáridos. Los polímeros de mayor aprovechamiento son polisacáridos anionicos de al menos 10 monómeros que incluyen pentosas y son producidos de manera extracelular. Su aplicación se da en cobertura de alimentos, emulsificantes y gelificantes, floculantes e hidratantes. Además, se han reportado efectos de estimulación celular y humoral del sistema inmune por polisacáridos sulfatados producidos por microalgas (Pulz y Gross, 2004). Además de los lípidos, carbohidratos y proteínas, en el área de nutracéuticos y cosmética existen metabolitos primarios como carotenoides, antioxidantes, vitaminas y minerales, que también resultan de gran interés ya que son una fuente natural de una gran variedad de compuestos que pueden ser empleados como ingredientes en la preparación de productos antimanchas, productos anti-edad, agentes hidratantes y antioxidantes,

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además, las microalgas también se pueden encontrar en productos de protección solar y del cuidado del cabello. (Sheehan, 1998; Stolz Y Obermayer, 2005; Rios-Nurby, 2009; Bernal, 2011; Priyadarshani y Rath, 2012). Como organismos fotosintéticos, las microalgas contienen una serie de pigmentos (carotenoides) captadores de la luz que cumplen con funciones fotoprotectoras. Existen cerca de 400 tipos descritos, pero solo unos pocos son comercializados (Fonseon, 2003). Carotenoides. En la industria los carotenoides son utilizados como colorantes naturales, aditivos alimenticios y en la formulación de cosméticos actuando como pro-vitamina A. Además, estos compuestos poseen una actividad antiinflamatoria intrínseca al ser capaces de contrarrestar los efectos de las especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que permite la prevención de dolencias degenerativas (Arrieta, 2008). A continuación, se mencionan algunos de los pigmentos de mayor interés comercial: La principal fuente de producción de β-caroteno a partir de microalgas la constituye la D. salina ya que puede acumular hasta un 14% de su peso seco en forma de β-caroteno,

como consecuencia se convierte en una potencial fuente de este pigmento lo que ha estimulado una gran inversión comercial (Guevara, 2004). Esta microalga es cultivada en estanques abiertos gracias a que se trata de un organismo halotolerante capaz de crecer con concentraciones 3 M de NaCl, lo que evita la competencia con otras algas. Su utilización comercial comprende el empleo como colorante alimentario natural, fuente de vitamina A (se trata del precursor de esta vitamina) y como fármaco antioxidante en la prevención del cáncer (Krinsky, 2003). La Astaxantina es una molécula que tienen diferentes áreas de aplicación, en la industria farmacéutica es utilizada como marcador en el seguimiento de células, como agente antioxidante y antitumoral; en la industria biocosmética se utiliza como colorante y antioxidante (Rendón, 2013). Haematococcus pluvialis es una de las principales

microalgas utilizada para producir este pigmento ya que es capaz de acumular entre el 5-3% de esta sustancia en su peso seco. La axtaxantina tiene una gran aplicación en la acuicultura, su mercado mundial anual supera los US$ 200 millones y el producto se vende a US$ 2500 kg-1(Spolaore, 2006). Otros pigmentos que también se encuentran presentes en las microalgas son: cantaxantina, clorofila, ficocianina, picoertina, fucoxantina, leuteína y zeaxantina. Estos últimos (leuteína y zeaxantina) son estereoisómeros y son utilizados en la coloración de pescado, pollo, coloración de medicamentos y de cosméticos, La luteína es producida por microalgas del género Muriellopsis y comprende un mercado de US$ 150 millones año-1

en EUA. (Fonseon, 2003). Antioxidantes.

Los antioxidantes previenen el deterioro productos susceptibles de oxidarse, pueden aplicarse en el desarrollo de cosméticos, productos farmacéuticos o plásticos. Algunos de estos son: catalasas, polifenoles, superóxido dismutasa, tocoferoles. Dentro de los antes mencionados, los flavonoides constituyen un grupo de polifenoles caracterizados por un anillo de benceno con uno o más grupos hidroxilo. Los polifenoles son una clase compuestos con alta actividad antioxidante. Otras propiedades biológicas como

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anticarcinogenicidad, antimutagenicidad, antialerginicidad, blanqueamiento y anti-edad, han sido reportadas para antioxidantes naturales y sintéticos (Moure, 2001; Cano, 2012). Algunas especies de microalgas pertenecientes a los géneros Botryococcus, Chlorella, Dunaliella, Nostoc, Phaeodactylum, Polysiphonia, Scytosiphon, Spirulina (Hajimahmoodi,

2010 y Medina-Félix, 2014) se sido evaluadas en la producción de antioxidantes con el objetivo de mejorar las técnicas de extracción y en aumentar la concentración en la producción de compuestos fenólicos. (Custódio, 2012 y Saranya, 2014). Vitaminas y Minerales.

Los minerales tienen un papel importante en el funcionamiento metabólico del cuerpo humano. La cantidad de minerales en las microalgas es determinada después de la incineración de la biomasa mediante un análisis de espectrometría de absorción atómica. Para el caso del perfil vitamínico encontrado en una microalga, este depende de las condiciones de crecimiento. Las vitaminas son clasificadas como hidrofílicas (C y B) e hidrofóbicas (A, D, E y K). Para la C. vulgaris ha sido posible identificar y cuantificar el perfil de minerales y vitaminas presentes, ver tabla 4. Las vitaminas representan un papel importante en el crecimiento celular, tienen actividad antioxidante y pueden actuar como captadores de radicales mejorando la circulación sanguínea y mejorando la función muscular (Safi, 2014).

4. Mercado Cosmético en Colombia y el Mundo.

La estadística nacional en materia de industria cosmética según los estudios realizados por la Asociación Nacional de Empresarios de Colombia (ANDI), desde su cámara de la industria cosmética y de aseo, muestran que el sector cosmético ha experimentado un gran crecimiento en términos de producción, ventas y comercio exterior. En menos de una década, el sector paso de exportar US$ 65.6 millones en 1996 a US$ 870.30 millones en 2014 y tan solo en el primer periodo del año 2015 (Enero-Abril) el valor calculado fue de US$ 151.128.412 (ANDI Cámara de la Industria Cosmética y de Aseo 2015). Según datos del año 2017, el país se ha posicionado en el cuarto lugar del mercado del sector cosmético para Latinoamérica. Las cifras estimadas por la Cámara de la Industria

Tabla 4. Perfil de minerales y vitaminas de C. vulgaris (Adaptada de Safi, 2014)

Microelemento o vitamina Contenido (mg 100 g-1)

Sodio 1.35 K 1.13-2.15 Mg 0.34-0.44 P 0.36 B1 (tiamina) 1.5-2.4 B2 (riboflavina) 4.8-6.0 B3 (niacina) 23.8 B5 (ácido pantoténico) 1.0-1.7 B7 (biotina) 191.6 B9 (ácido fólico) 26.9 B12 (cobalamina) 125.9 C (ácido ascórbico) 15.6-100.0 E (tocoferol) 20.0-2787.0 A (retinol) 13.2

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Cosmética y de la ANDI proyectan para el 2017 el mercado puede ascender 3.054 millones de dólares, es decir, el sector crecería 3,3% en términos de valor contra el año inmediatamente anterior. Esta proyección indica que al 2020 se ubicaría en 3.414 millones de dólares por lo cual el sector cosmético podría llegar a crecer entre 2015-2020 un 7,7%. A nivel mundial en las últimas décadas ha aumentado significativamente el interés hacia el estudio de microalgas como una nueva fuente de biomasa para la producción de compuestos biológicamente activos (Rodríguez, 2010); debido a sus características exclusivas, se han adaptado a las condiciones específicas y extremas de los entornos en los cuales se desarrollan. Las microalgas crecen mucho más rápido y muestran una mayor eficiencia fotosintética en comparación con las plantas. El promedio por unidad de área de la productividad de biomasa es de hasta 20 kg m-2 por año, con un potencial de mejora empleando la selección de cepas, mejorando la tensión y la ingeniería de procesos (Williams y Laurens, 2010). El mercado de los cosméticos y de los productos de cuidado personal ha incrementado su interés en el uso de fuentes de origen natural. En ese sentido, se ha observado un particular interés en los extractos de microalgas ya que la composición química de los extractos obtenidos son fuente de proteínas, vitaminas, exopolisacáridos, minerales, y pigmentos (Pulz y Gross, 2004; Viscasillas y Pozo, 2005) que son capaces de acelerar los procesos de regeneración, curación cutánea, mantener la humectación de la piel, estimular los fibroblastos y proteger los melanositos (Barajas, 2010). Se ha observado que bajo condiciones óptimas de crecimiento la producción de los distintos nutrientes es similar entre las especies. Sin embargo, cuando las algas son sometidas a reacciones de estrés este comportamiento cambia y las especies de algas utilizan métodos diferentes para compensar los cambios realizados en su entorno y dependiendo de la capacidad de manejar los distintos tipos de estrés, las algas producirán diferentes metabolitos secundarios con el fin de aumentar sus posibilidades de supervivencia, y este tipo de metabolitos son los considerados como compuestos bioactivos (Hu, 2004). La industria cosmética tiene una facturación anual estimada de US$ 170 millones, según el análisis financiero reportado por Eurostaf, una Empresa con sede en Francia. En este análisis se mostró que el mercado de la belleza mundial y la industria cosmética seguirá creciendo, con un factor significativo que contribuye al desarrollo de la clase media en muchos países emergentes (Arora, 2012) como es el caso de Colombia. Sin embargo, a

pesar de este futuro prometedor, deben ser implementadas más investigación para mejorar los productos cosméticos, y un área de interés particular debe ser enfocada hacia la mayor utilización de ingredientes naturales a fin de satisfacer las solicitudes de los clientes y de la misma manera imprimir y resaltar un alto nivel de innovación, que integre en gran medida herramientas biotecnológicas con una alta sostenibilidad ambiental. Desde hace más de cuatro décadas se han desarrollado diferentes procesos con el fin de obtener extractos de algas, principalmente pigmentos, entre los que destacan, la extracción sólido-líquido con disolventes orgánicos, a los cuales en algunos casos se le añaden operaciones de ultrafiltración para mejorar la selectividad de los mismos (Rebeller,1982). Sin embargo, para conseguir compuestos de diversas polaridades en los extractos de microalgas se emplean altas cantidades de disolventes orgánicos y complejas etapas concentración (Vincenzini, 1983). Otras investigaciones enfocadas en la obtención de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) a partir de microalgas fueron basadas en procesos de saponificación empleando mezclas de hexano y etanol, así como también,

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la formación de complejos con urea y su posterior aislamiento, utilizando HPLC en fase inversa, con metanol y agua como fase móvil (Cartens, 1996 y Gimenez, 1998).

5. Microalgas y Desarrollo Biotecnológico en la Región Caribe Colombiana.

Un potencial eje de producción en Colombia sin lugar a dudas es en desarrollo biotecnológico enfocado hacia la producción de sustancias de interés comercial, a escala industrial a partir de cultivos de cepas nativas. Se hace necesario aumentar la investigación para explorar, identificar, entender y finalmente, hacer uso de productos naturales en el área cosmética, los cuales se pueden traducir en acciones que permitan el aprovechamiento de la biodiversidad de algas en la región de la costa norte colombiana. González (2009) un grupo de investigadores colombianos pertenecientes al Centro de Investigaciones para el Desarrollo sostenible en Industria y Energía de la Universidad Industrial de Santander apoyados por el Instituto Colombiano del Petróleo ICP-ECOPETROL presentan una revisión basada en recopilar los métodos de extracción de aceites que han sido utilizados en la obtención de lípidos a partir de microalgas a escala de laboratorio. Ellos destacan el uso de microalgas como materia prima para los llamados combustibles de tercera generación, afirmando que a partir del alto contenido en lípidos se estima una gran producción de biodiesel; para lo cual reportan un trabajo de laboratorio donde se emplearon diez especies de microalgas colombianas para la extracción de aceites. Ese mismo año el equipo de trabajo en el marco del proyecto mencionado divulga los avances alcanzados en el área de bioprospección de microalgas con especies nativas colectadas en ambientes naturales correspondientes a las aguas del Golfo de Morrosquillo, aguas internas de la Bahía de Cispatá, al Caño Tijó, la Ciénaga de Cicará, la Ciénaga de la Virgen de Cartagena y aguas dulces de la región de Punta Bolívar, adicionalmente ellos agregan un alga previamente bioprospectada en el embalse de Betanía; logrando la transesterificación de aceite sintético simulado de C. vulgaris.

Resultados publicados en el año 2011 mostraron una comparación en términos de calidad de un aceite vegetal extraído de dos especies de microalgas, Chlorella nativa, aislada de la bahía de Cartagena (Colombia) y Dunaliella salina como fuente de biodiesel. Se reportó

que los aceites extraídos contaban con óptimas propiedades para la producción de biodiesel, de acuerdo con la norma técnica colombiana referente a grasas y aceites. Se evidenció que ambos aceites mostraron alta eficiencia para reacciones de transesterificación y en consecuencia son ideales para la producción de biodiesel (Alvear, 2011). En Riohacha capital de la Guajira, en los últimos años con el apoyo financiero del Servicio Nacional de aprendizaje (SENA) y la fundación Terraazul centro de desarrollo tecnológico, han propuestos alternativas en el desarrollo de subproductos de origen microalgal a escala industrial en Colombia utilizando sistemas de cultivos cerrados y por otro lado, destacar el beneficio ambiental que la producción representa. Entre los resultados obtenidos vale la pena resaltar que la cinetica de crecimiento observada para la especie Chlorella sp. No dependió del volumen de cultivo empleado, aunque sí de los aportes o

agregados al medio de cultivo y especialmente de factores ambientales característicos de esta zona geográfica como las altas temperaturas que favorecen la temperatura del agua en rangos óptimos para el crecimiento de microalgas y el alto nivel de brillo solar en el departamento de La Guajira lo que permite un mayor aprovechamiento de la luz solar (Gomez, 2013).

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El departamento de La Guajira sin lugar a dudas cuenta con diversas herramientas brindadas por la naturaleza que permiten apoyar la sostenibilidad de la comunidad. El aprovechamiento, tecnificación y desarrollo de las riquezas naturales, específicamente la diversidad de microalgas en el extenso ambiente marino y desértico de la región puede ser empleada en la generación de una dinámica investigativa que facilite mostrar al departamento como un foco de crecimiento en la industria cosmética.

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Metabolitos Secundarios y

sus Derivados, en

Microalgas

Andrés Mauricio Rojas Sepúlveda

Clara Juliana Durango García

Andrés Darío Betancourth Uribe

Jhoan Sebastián Osorio

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Metabolitos Secundarios y sus Derivados, en Microalgas.

Andrés Mauricio Rojas Sepúlveda1, Clara Juliana Durango García2, Andrés Darío Betancourth Uribe3, Jhoan Sebastián Osorio4

1. Químico, Doctor en Ciencias, Docente Asistente, Universidad Antonio Nariño, Pereira. 2. Química, Doctora en Ciencias, Docente Asistente, Universidad Antonio Nariño, Armenia. 3. Químico, Doctor en Ciencias, Docente Asistente, Universidad Antonio Nariño, Armenia. 4. Químico, Doctor en Ciencias, Docente Asistente, Universidad Antonio Nariño, Armenia. Resumen.

Las microalgas son microorganismos que presentan una gran diversidad, en términos de sus características celulares, color y biodiversidad. Curiosamente, las microalgas se utilizan actualmente como productores de biocompuestos por los biocombustibles, cosméticos, alimentos y la industria farmacéutica. Además, tal importancia se basa en el contenido de productos naturales con estas características. La presencia de diferentes entidades químicas contenidas en metabolitos secundarios, así como sus derivados semisintéticos, han evidenciado ciertos potenciales terapéuticos. Debido a la riqueza química de estos organismos y sus aplicaciones, es necesario realizar más investigaciones sobre este tema. Palabras Claves: Microalgas, productos naturales, derivados semisintéticos. Abstract.

Microalgae are microorganisms that present a great diversity, in terms of their cellular characteristics, color and biodiversity. Interestingly, microalgae are currently used as producers of biocompounds by the biofuels, cosmetics, food and pharmaceutical industries. Furthermore, such importance is based on the content of natural products with these characteristics. The presence of different chemical entities contained in secondary metabolites as well as their semisynthetic derivatives has evidenced certain therapeutic potentials. Due to the chemical richness of these organisms and their applications it is necessary to conduct further research on this topic. Key words: Microalgae, natural products, semisynthetic derivatives.

Las microalgas son un grupo de microorganismos con gran diversidad de colores, formas y características celulares. Según Talero et al., (2015) el mayor interés sobre estos

organismos, radica en su capacidad para automodular el metabolismo según las condiciones ambientales que los rodeen. Por esta razón generan una amplia gama de moléculas bioactivas con roles fisiológicos, llamadas sustancias poliméricas extracelulares (EPSs). Mishra et al., (2011) definió las EPSs como productos metabólicos acumulables

en la superficie de las microalgas, a las cuales proporciona protección mediante la estabilización de la estructura de la membrana contra el ambiente externo. Además de proporcionar carbono y energía durante la inanición. Las EPS, son matrices heterogéneas de polímeros compuestos por polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos y fosfolípidos. En este sentido, según Talero et al., (2015) al ser fotoautótrofos, poseen simples

requerimientos de crecimiento y modulan la capacidad de su metabolismo, por tanto son

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organismos atractivos para la demanda de las industrias farmacéuticas, alimenticias, cosméticas o biodiesel.

1. Microalgas Potenciales en la Obtención de Compuestos Bioactivos.

Spirulina. El estudio de los compuestos bioactivos de la microalga Arthrospira (Spirulina), la han

hecho una de las especies más estudiadas, ya que su alto contenido en proteínas (50-70% p/p) le proporcionan características de alto valor nutricional. Sin embargo otros compuestos de interes han sido identificados, estos corresponden a moléculas del tipo fenólico (tocoferoles, Tabla 1) y pigmentos como el β-caroteno (1) y la ficocianina (2), importantes antioxidantes con actividad antitumoral reportada por Talero et al., (2015). Vitaminas B1, B2 y B12, oligoelementos (hierro, calcio, magnesio, fósforo y potasio) y ácidos grasos poliinsaturados también han sido reportados.

Tabla 1. Estructura general de diferentes tocoferoles

Tocoferol R1 R2 R3 Nombre

CH3 CH3 CH3 α-tocoferol

CH3 H CH3 β- tocoferol

H CH3 CH3 γ- tocoferol

H H CH3 δ- tocoferol

(1)

(2)

Entre las características destacadas de algunas microalgas como Spirulina platensis, se

pueden mencionar las estrategias de defensa antivirales desarrolladas durante sus miles de siglos de evolución. En los últimos años, las moléculas antivirales naturales han ganado importante atención como una fuente potencial de nuevos tratamientos para las enfermedades humanas. En particular, el estudio de las propiedades antivirales de los polisacáridos marinos, ha llevado a la identificación de una serie de moléculas prometedoras tal como fue mencionado por Mader et al., (2015). Los estudios realizados

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por Schaeffer y Krylov (2000) en extractos acuosos de esta especie han demostrado destacados resultados en la inhibición del virus del herpes HSV-1, cuyas actividades biológicas son sugeridas a la presencia de polisacáridos sulfatados. Entre este grupo de compuestos Lee et al., (1998) reportó el aislamiento de un

polisacárido sulfatado: “calcium spirulan” (Ca-SP), cuya composición se basa en: ramnosa, 3-O-metil-ramnosa, 2,3-di-O-metilramnosa, 3-O-xilosa, ácido urónico, éster sulfatado e iones calcio en la estructura (3). Hayashi et al., (1996) determinó el efecto

inhibitorio de este compuesto sobre la replicación de virus como: herpes HSV-1 (HeLa), citomegalovirus HCMV (HEL), sarampión (Vero), paperas (Vero), influenza (MDCK), polio (Vero), coxsackie (Vero) y VIH-1 (MT-4). Cabe mencionar que en la quelación de los iones de calcio a los grupos sulfato se considera indispensable para los efectos antivirales. La remoción del ion calcio o su reemplazo por el sodio, llevó a una disminución para la inhibición dosis-dependiente del efecto neuropático y de la formación sincicio inducida por HIV-1.

(3)

Chlorella. Género de microalgas perteneciente al grupo de las Chloropyta, rica en clorofila, proteínas (53%), polisacáridos (23%), lípidos (9%), oligoelementos (5%), vitaminas y aminoácidos esenciales, la evidencian como una fuente alimentaria importante en la cocina japonesa. Entre otras propiedades importantes de este grupo de microalgas, se destaca la presencia de sustancias bioactivas de interés medicinal. Kokou et al., (2012) demostró la inhibición del crecimiento de bacterias del género Vibrio, así como la actividad antitumoral, anticoagulante y antioxidante de los extractos. Esta última gracias a la presencia de compuestos como la luteína (4), α y β-caroteno, ácido ascórbico y α-tocoferol. Sin embargo, la molécula bioactiva más importante identificada fue el β-1,3 glucano (5), un

inmunoestimulador que reduce los radicales libre y el colesterol. La eficacia de este compuesto contra úlceras gástricas, estreñimiento, prevención de la arterosclerosis e hipercolesterolemia fue reportada por De Morais et al., (2015).

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(4)

(5)

Pyrrhophyta (Dinoflagelados). Son organismos unicelulares conocidos como (Dinoflagelados). Elevadas concentraciones de dichos organismos causan alta mortalidad de peces. Entre los compuestos bioactivos más importantes EI Gamal (2010) reportó la presencia de saxitoxina (6), neosaxitoxina y gonyautoxina producidas por las microalgas del género Alexandrium, una serie de toxinas

que pueden acumularse en algunas especies marinas de consumo humano, causando graves problemas de salud pública según lo indicado por la ONU (2005). Cardoso y Lewis (2017), evidenció la importancia de estos compuestos como bloqueadores de los canales de sodio, por lo cual son moléculas importantes en el desarrollo de selectivos y potentes analgésicos. Otro grupo de compuestos que actúan sobre el sistema de transducción de señales en la célula han sido extraídos de especies cómo Prorocentrum y Dinophysis. Entre estos se destacan el ácido okadáico (7), un

importante inhibidor de las proteínas fosfatasas, específicamente la fosfatasa serina/treonina. Otra molécula de interés es la goniodomina A (8) extraída de Goniodoma

(Alexandrium) sp., la cual presentó fuerte actividad antifúngica (EI Gamal, 2010).

(6)

66

(7) (8)

Bacillariophyceae (Diatomeas). El ácido Domoico (9) se ha aislado de Pseudonitzschia multiseries y de otras especies; es un agonista nocivo del glutamato que causa el envenenamiento amnésico de crustáceos. Adams et al., (2009) evidencio que la administración de bajas dosis del ácido en ratas

durante períodos críticos de la maduración del sistema nervioso central, produce cambios duraderos en el aprendizaje y la memoria, lo que evidencia la importancia de la señalización óptima glutamatérgica a los procesos normales del neurodesarrollo. EI Gamal (2010) aisló un nuevo tipo de bicilariólidos eicosanoides cíclicos (10) y (11), los

cuales tienen actividad inhibitoria contra la fosfolipasa A2.

(9) (11)

(10)

67

Haematococcus. La Haematococcus pluvialis es una microalga verde eucariótica unicelular perteneciente a la clase Chlorophyceae. Puede crecer bajo condiciones autotróficas o heterotróficas y es comercialmente bien conocida por su capacidad para producir cantidades masivas de astaxantina (12), según Pignolet et al., (2009) La astaxantina es un cetocarotenoide rojo usando como alimento para peces y cuya capacidad anitoxidante es mayor a la de otro tipo de carotenoides según Naguib (2000) la astaxantina del alga Haematococcus está

bajo consideración para la autorización por la FDA y ya ha sido autorizada su venta en varios países europeos como ingrediente de suplemento dietético para consumo humano.

(12)

Amphidinium. Son un tipo de microalgas pertenecientes al grupo de los dinoflagelados, los cuales producen biotoxinas que generan la aparición de algas de consumo nocivas y contaminación de moluscos y pescados de la dieta humana. La mayoría de toxinas pertenecen al grupo de los anfidinólidos: B (8), E (13), F (14), los cuales demostraron

elevada citotoxicidad. Sin embargo, un interesante estudio realizado por Kobayashi y Ishibashi (1993), divulgó cómo el anfidinólido D (15), un epímero (en la posición C-21) del anfidinólido B también extraído de la especie, demuestra 100 veces menos citotoxicidad.

(13)

68

(14)

(15)

Symbiodinium. Es un género de algas dinoflageladas de la familia Symbiodiniaceae, clase Dinophyceae. Se conocen comúnmente por zooxantelas, del latín Zooxanthellae, que viene a significar "pequeños animales amarillos", en referencia a su color marrón-dorado. Nakamura et al., (1995) aisló dos compuestos vasoconstritivos llamados zooxantelatoxinas (16) de un

cultivo de zooxantela (simbiontes de los dinoflagelados), los cuales se basan en una estructura éster-poliol sulfatada que induce respuesta contráctil de la aorta del conejo a 7E10-7 M. Por otra parte, una especie de Symbiodinium simbionte del molusco Fragum sp permitió la identificación del compuesto simbioramida (17). El reporte de Kobayashi y Ishibashi (1993) sobre este compuesto, sugirió una actividad citotóxica débil contra células L1210 in vitro con un valor IC50 de 9,5 μg ml-1. Adicionalmente, se encontró que el compuesto era activador de Ca2+-ATPasa del retículo sarcoplásmico (RE). La Ca2+-ATPasa juega un papel clave en la relajación muscular al activar el bombeo de Ca2+ desde el citoplasma hacia el lumen de RE, por lo tanto la simbioramida puede servir como una herramienta química valiosa para estudiar los mecanismos regulatorios de los sistemas de bombeo RE Ca2. Otro compuesto aislado a partir de especies simbiontes, es el diterpeno 16-desoxisarcopina (18), purificado de una microalga Symbiodinium sp, presente en los pólipos del tejido blando del coral Sarcophyton sp.

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(16)

(17)

(18)

Haptophyceae. Son algas microscópicas, unicelulares, que están ampliamente distribuidas en los océanos y a menudo constituyen una proporción importante de fitoplancton marino. Un hallazgo molecular interesante tuvo lugar en el género Hymenonmonas. El esterol sulfatado himenosulfato (19), fue purificado, y estudiado su capacidad en actividad de liberación de iones Ca2+ en el retículo endoplasmático, incluso se evidenció que tiene un

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efecto 10 veces más poderoso que la cafeína. En este estudio publicado por Kobayashi y Ishibashi (1993), también se incluyeron otros compuestos de interés como monoglicolípidos, digalactosildiacilglicerol (20), y ácido octadecatetranoico.

(19)

(20)

Karenia brevis. Es una microalga del grupo de los dinoflagelados encontrada principalmente en el golfo de México. Sasso et al., (2012) divulgó una serie de neurotoxinas basadas en polieteres policíclicos (policétidos): brevisamida (21) y brevisin (22), las cuales actúan sobre los canales de sodio.

(21)

(22)

71

Scenedesmus. En las algas verdes (filo Chlorophyta) encontramos el género Scenedesmus, uno de los principales géneros de microalgas conocido por su capacidad para sintetizar compuestos complejos y altamente diversos con propiedades específicas para la inhibición enzimática. Según Hielscher-Michael et al., (2016) el género Scenedesmus se clasifica en microalgas como Scenedesmus rubescens, Scenedesmus producto-capitatus, Scenedesmus accuminatus, Scenedesmus pectinatus, Tetradesmus wisconsinensis y Eustigmatos magnus. Batliwalla et al., (2005) sugirieron que dichas especies contienen sulfolípidos

complejos capaces de inhibir enzimas de gran interés para el tratamiento de enfermedades, como la enzima glutamil ciclasa, está relacionada a múltiples procesos patofisiológicos y diversas enfermedades como la enfermedad de Alzheimer. Hielscher-Michael et al., (2016) realizaron estudios sobre la capacidad inhibitoria de los extractos metanólicos las especies del género Scenedesmus sobre la enzima glutamil

ciclasa, en donde se evidenció que dicha actividad eran principalmente responsable de 3 sulfolípidos: 1,2-di-O-palmitoil-3-O-(6’-deoxi-6’-sulfo-D-glucopiranosil)-glicerol (23), 1-O-palmitoil-2-O-linolenil-3-O-(6’-deoxi-6’-sulfo-D-glucopiranosil)-glicerol (24) y 1-O-linolil-2-O-palmitoil-3-O-(6’-deoxi-6’-sulfo-D-glucopiranosil)-glicerol (25). Los compuestos

biológicamente activos identificados presentan una estructura formada por un esqueleto central de sulfoquinovosil (26), el cual se encuentra esterificado por 2 ácidos grasos que

pueden ser ácido palmítico, ácido linoléico o ácido linolénico.

Reshef et al., (1997) indicó que los sulfolípidos también han demostrado un amplio espectro de actividad biológicas como actividad inmunosupresora y efectos antivirales contra VIH, estos últimos sugeridos previamente por Gustafson et al., (1989) y

demostrados por Naumann (2009). Diversos compuestos patentados han sido sintetizados en base a una estructura diseñada por Buchholz et al., (2006) obteniendo los compuestos con actividad inhibitoria de la glutamil ciclasa reportados por Buchholz et al.,

(2009). Estas moléculas sintéticas presentarón grupos farmacóforos comunes con los sulfolípidos 23, 24 y 25, por lo cual se le atribuye la capacidad inhibitoria de estos a las semejanzas estructurales (Figura 1).

O

SO3-

HO

HO

OH

O OR2

OR1

24 R1 = C17H29CO R2 = C15H31CO

25 R1 = C17H31CO R2 = C15H31CO

26 R1 = C15H31CO R2 = C15H31CO

(23) R1 = C17H29CO R2 = C15H31CO

(24) R1 = C17H31CO R2 = C15H31CO

(25) R1 = C15H31CO R2 = C15H31CO

72

Figura 1. Comparación de las características estructurales del inhibidor de la glutamil ciclasa (1)-(3-(1H-imidazol-1-il) propil)-3-(3,4-dimetoxiphenil) tiourea (2) con los sulfolípidos inhibidores de la

glutamil ciclasa (23, 24 y 25).

Capsosiphon Fluvescens. La microalga Capsosiphon fluvescens es una especie perteneciente a las algas verdes (filo Chlorophyta), Hwang et al., (2008) la describe como un interesante alimento funcional

gracias a una gran variedad de compuestos que resultan interesantes biológicamente gracias a sus efectos inhibitorios sobre células cancerígenas principalmente gástricas, dicha capacidad ha sido atribuida a la presencia de antioxidantes variados y a compuestos como polisacáridos, glicoproteínas y polisacáridos sulfatados. Kwon y Nam (2007) reportó que la especie Capsosiphon fluvescens está provista de

polisacáridos con la capacidad de inducir la apoptosis en las células de cáncer gástrico, dicho estudio fue realizado mediante el análisis de un extracto acuoso de la microalga observando su efecto sobre el crecimiento y la señalización de la apoptosis en el cáncer gástrico. Na et al., (2010) logró purificar los polisacáridos solubles en agua presentes en la especie Capsosiphon fluvescens, confirmando su actividad biológica y su capacidad en la

modulación de la función inmune de los macrófagos RAW264.7, convirtiéndolos en compuestos con aplicación como inmunoestimuladores. Identificando como principal metabolito responsable de la actividad inmunoestimuladora a un polisacárido sulfatado carente de unión ha compuesto proteicos, reportado como SPS-CF o polisacárido glucoronogalactomanosa sulfatado. Estudios posteriores, permitieron proponer la estructura del polisacárido sulfatado compuesto principalmente por unidades de galactosa y manosa. Karnjanapratum et al., (2012) realizó el aislamiento y estudio del compuesto químico de interés al comprobar sus capacidades inmunomodulatorias, estableciendo su esqueleto principal mediante el análisis por espectroscopia de resonancia magnética nuclear y cromatografía de gases acoplada a masas. El polisacárido sulfatado además presentó una potente actividad

O

SO3-

HO

HO

OH

O OR2

OR1

Interacción con la enzima: estructura central capaz de realizar interacciones lipofilicasy grupos funcionales para la formación de puentes de hidrógeno.

N

N NH

NH

S

O

O

Unión de propil

Grupo para enlazamiento a metales

(1) (2)

73

antitumoral, esto es debido a su capacidad para estimular el sistema inmune del hospedero.

2. Principales Metabolitos de Microalgas y las Rutas Biosintéticas. Los productos naturales (o metabolitos secundarios) son compuestos con una inmensa diversidad de actividades biológicas y por lo tanto han sido fundamentales en el descubrimiento de fármacos. Las microalgas han sido fuentes potencialmente importantes de metabolitos secundarios altamente bioactivos que podrían representar pistas útiles en el desarrollo de nuevos agentes farmacéuticos. Durante las últimas cuatro décadas, se han aislado numerosos compuestos nuevos de organismos marinos y se ha demostrado que muchas de estas sustancias poseen interesantes actividades biológicas. Isoprenoides. Los isoprenoides son los metabolitos secundarios menos frecuentes en las microalgas si se compara su carga metabólica con las macroalgas. Cardozo y Lewis (2007) evidenciaron que a pesar de su escaso porcentaje, los esteroles son uno de los constituyentes químicos más importantes y así como componentes nutricionales esenciales en los ecosistemas acuícolas. Tal es el caso de muchos hidrobiontes, especialmente bivalvos como el Pecten maximus cuya capacidad para sintetizar este tipo

de compuestos es generalmente baja. Las subclases más importantes de este tipo de compuestos identificadas en microalgas son los sesquiterpenos, los diterpenos y, los triterpenos. Estos últimos se encuentran en forma de poliésteres tales como tirsiferol (26), enshuol (27) o brotiococceno (botryococcus brounii) (28). Un ejemplo interesante lo ofrece Sasso et al., (2011) quien divulgó la identificación de un isoprenoide altamente ramificado aislado de la diaomea Haslea ostrearia (30).

(26)

(27)

74

(28)

(29)

El precursor activado isopentenil pirofosfato (IPP) y su isómero dimetilalil pirofosfato (DMAPP) puede formarse a través de la vía clásica de mevalonato o de la ruta alternativa de fosfato de metileritrol (MEP). La vía del mevalonato en el citosol está implicada en la formación de esteroles y sesquiterpenos, mientras que la vía de MEP en el plástido conduce al fitol y a los carotenoides. Complementariamente Sasso et al., (2011) indicó que la mayor parte de microalgas tienen ambas vías, al igual que las plantas superiores, con la excepción de las clorofitas, que sólo tienen la vía del MEP. En la tabla 2 se indican algunos esteroles identificados en microalgas.

Tabla 2. Estructura de esteroles identificados en microalgas

Estructura general R Nombre

Cholesta-5-22E-dien-3β-ol

24-Metilcholesta-5-24(28)-dien-3β-ol

24-Etilcholesta-5-22E-dien-3β-ol

24-Etilcholesta-5-en-3β-ol

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En la tabla 3 se indican algunas especies y las rutas metabólicas de isoprenoides estudiadas.

Tabla 3. Especies de microalgas y la ruta metabólica de isoprenoides

Especie Ruta metabólica

Mevalonato MEP

Streptophyta Klebsormidium flaccidum + + Mesostigma viride + + Spirogyra sp + + Chlorophyta Botrycoccus braunii + Chlamydomonas reinhardtii + Chlorella sp + Dunaliella salina + Gloeotilopsis planctonica + Micromonas sp + Ostreococcus sp + Scenedesmus obliquus + Tetraselmis striata + Trebouxia asymmetrica + Volvox carteri + Rhodophyta Cyanidioschyzon merolae + Cyanidium caldarium + + Galdieria sulphuraria + + Heterokontophyta Haslea ostrearia + Nitzschia ovalis + + Phaeodactylum tricornutum + + Rhizosolenia setigera + + Haptophyta Emiliania huxleyi + + Euglenophyta Euglena gracilis + +

De otro lado, es importante mencionar a los carotenoides. Estos son metabolitos primarios producidos más conocidos, producidos por todos los organismos fotosintéticos, están involucrados en la recolección de luz y la fotoprotección. Los carotenoides como metabolitos secundarios no necesarios para la fotosíntesis son producidos por muchas microalgas verdes bajo condiciones de estrés y pueden ser acumulados en altos niveles. Algunas especies serían potenciales para producir carotenoides industrialmente. Por ejemplo, las clorofitas unicelulares Haematococcus pluvialis y Dunaliella salina se utilizan

para la producción de astaxantina y β-caroteno respectivamente. Ácidos Grasos. Estos son biomoléculas de naturaleza lipídica formada por ácidos grasos con cadenas hidrocarbonadas largas. Los ácidos grasos con dos o más enlaces dobles interrumpidos con metileno son esenciales para la función celular normal. En relación a las microalgas,

76

Cardoso y Lewis (2007), definieron el papel fundamental de los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) en el metabolismo celular y tisular, incluyendo la regulación de la fluidez de la membrana, el transporte de electrones y oxígeno. En particular, existe un interés creciente por una familia de PUFA tipica (ω-3) denominada ácido eicosapentaenoico (EPA) y el ácido docosahexaenoico (DHA). La importancia terapéutica de estos tipos de ácidos grasos poliinsaturados ha sido claramente demostrada por estudios clínicos y epidemiológicos. EPA realiza muchas funciones vitales en las membranas biológicas y sirve como precursor de un grupo de eicosanos, sustancias similares a hormonas como las prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos que son cruciales en la regulación de la fisiología del desarrollo. La biosíntesis de EPA se produce a través de una serie de reacciones que se pueden dividir en dos etapas distintas. En primer lugar, la síntesis del ácido oleico (18: 1 ω9) a partir de acetato, seguida de conversión en ácido linoleico (18: 2 ω-6) y ácido α-linolénico (18: 3 ω-3). Los pasos subsiguientes de desaturación y elongación escalonada forman un PUFA ω-3 (Figura 2). El papel de la EPA dentro de la célula, donde está normalmente esterificada (mediante actividades de ciclooxigenasa y lipoxigenasa) para formar moléculas lipídicas complejas. Los PUFA se han encontrado en una amplia variedad de clases de microalgas marinas, entre las cuales se destacan: Chlorella minutissima (45%), Nannochloropsis sp. (35%), Monodus subterraneus (32,9%), Hetermastrix rotundra (28%), Pseudopedinella sp. (27%), Navicul incerta (25,2%).

Figura 2. Biosintesis de ácidos grasos ω-3 hasta hormonas humanas esenciales

Agradecimientos. Los autores agradecen a la Vicerrectoría de Ciencia, tecnología e innovación de la Universidad Antonio Nariño, así como a la Facultad de Ciencias.

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La Espirulina una

Oportunidad Como

Alimento Funcional

Martha Patricia Tarazona Díaz

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La Espirulina una Oportunidad Como Alimento Funcional.

Martha Patricia Tarazona Díaz

Ingeniera de Alimentos, Profesora Asociada II, Facultad de Ingeniería, Universidad Jorge Tadeo Lozano, Bogotá.

Resumen.

La Espirulina es una microalga azul-verde simbiótica, multicelular y filamentosa, se reproduce por fisión binaria. Es un alimento natural que se encuentra en entornos acuáticos de alta alcalinidad, actualmente se cultiva en ambientes acuáticos controlados para garantizar su calidad y seguridad. La Espirulina es un organismo primitivo que se originó hace unos 3.500 millones de años, y las civilizaciones aztecas y africanas conocían de los beneficios en la salud. Sin embargo, con la investigación científica se ha podido comprobar el perfil nutricional de la Espirulina y sus efectos beneficiosos para la salud. Ésta es una fuente rica en proteínas, más digerible que la carne, contiene aminoácidos esenciales y no esenciales, ácidos grasos esenciales, ácidos nucleicos (ADN y ARN), vitaminas, minerales, pigmentos como la ficocianina y clorofila además de una amplia gama de fitoquímicos. La técnica más utilizada es la deshidratación en la cual se elimina la mayor cantidad de agua libre y se obtiene un polvo azul-verdoso, que es utilizado como ingrediente para incorporar en alimentos funcionales. Debido al alto valor nutricional, se ha comprobado que ésta tiene efectos beneficiosos para la salud, por ejemplo en afecciones intestinales o renales, diabetes mellitus, acné, enfermedades cardiovasculares, cáncer, SIDA, algunos tipos de tumores, anemia, aumenta la respuesta inmune, favorece la eliminación de sustancias tóxicas, es utilizada después de tratamientos de radioterapia y quimioterapia. Además es utilizada como un alimento para combatir la malnutrición. Es este capítulo, inicialmente se describen algunas generalidades de la Espirulina, seguidamente se cita la evolución en el tiempo que ha tenido este alimento, la composición nutricional, las diferentes técnicas de secado como método de conservación, aspectos de los alimentos funcionales y la Espirulina como alimento funcional. Palabras Claves: Espirulina, Arthrospira sp, alimentos funcionales, nutrición. Abstract.

Spirulina is a symbiotic, multicellular and filamentous blue-green microalga, reproduced by binary fission. It is a natural food that is found in aquatic environments of high alkalinity, currently cultivated in controlled aquatic environments to guarantee the quality and safety of Espirulina. Espirulina is a primitive organism that originated about 3.500 million years ago, and the Aztec and African civilizations knew about the health benefits. However, with the scientific investigation it has been possible to verify the nutritional profile of Espirulina and its beneficial effects to health. Espirulina is a rich source of protein, more digestible than meat, contains essential and non-essential amino acids, essential fatty acids, nucleic acids (DNA and RNA), vitamins, minerals, pigments such as phycocyanin and chlorophyll and a wide range of phytochemicals. The most commonly used technique is dehydration in which the greatest amount of free water is removed and a blue-green powder is obtained, which is used as an ingredient to be incorporated into functional foods. Because of the high nutritional value, Espirulina has been shown to have beneficial health effects, for example in intestinal or renal conditions, diabetes mellitus, acne, cardiovascular diseases,

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cancer, AIDS, some types of tumors, anemia, increases the immune response, favors the elimination of toxic substances, is used after treatments of radiotherapy and chemotherapy. In addition to being used as a food to combat malnutrition. It is this chapter, initially describes some general aspects of Espirulina, then cites the evolution in time that has had this food, nutritional composition, different drying techniques as a method of conservation, aspects of functional foods and finally Espirulina as functional food. Keywords: Espirulina, Arthrospira sp, functional foods, nutrition.

1. Introducción.

La Espirulina es una microalga azul-verde simbiótica, multicelular y filamentosa, se reproduce por fisión binaria. Puede tener forma de barra o disco. Es fotosintética por lo tanto es autotrófico. Su pigmento fotosintético principal es ficocianina, que es de color azul. Estas bacterias también contienen clorofila a y carotenoides. Algunas contienen el pigmento phycoythrin, dando a las bacterias un color rojo o rosado (FAO, 2008). La palabra Espirulina en latín significa espiral, por la forma de su estructura (Álvarez y Bague, 2011). Estas microalgas son pertenecientes a dos géneros separados Espirulina y Arthrospira y consta de unas 15 especies. De estos, Arthrospira platensis es el más común y

ampliamente disponible y la mayor parte de la investigación publicada se refiere a esta especie (FAO, 2008). Su geometría es de espiral, sus células cilíndricas miden de 3-13 micras de diámetro y su largo puede tener entre 100-200 micras. Es un cultivo ideal para zonas desérticas, por crecer en medios acuosos alcalinos y salobres, y presenta pocas posibilidades de contaminación. La Espirulina muestra un óptimo crecimiento entre 35-37°C en condiciones de laboratorio. Al aire libre, parece que un aumento en la temperatura hasta 39°C durante unas horas no daña el alga azul verdosa, ni su capacidad de fotosíntesis. Las cepas termófilas o termotolerantes de Espirulina pueden ser cultivadas a temperaturas entre 35-40°C. Dicha propiedad tiene la ventaja de eliminar los contaminantes microbianos mesófilos. La temperatura mínima a la que tiene lugar el crecimiento de la Espirulina es de unos 15°C durante el día. Por la noche, la Espirulina puede tolerar temperaturas relativamente bajas. La resistencia de la Espirulina a los rayos ultravioleta parece ser bastante altos (FAO, 2008). La Espirulina tiene gran aplicación en la industria alimentaria y como suplementos de vitaminas y proteínas en acuicultura. En muchos países de África, se utiliza como alimento humano, cuyo proceso es recolección del agua natural y secado. También, en muchos países de Asia se utiliza como suplemento proteico y como un alimento saludable (FAO, 2008). Dentro de su composición tiene un alto contenido de proteínas (65-70%), todos los aminoácidos esenciales y no esenciales, tienen minerales como potasio, calcio, zinc, magnesio, manganeso, selenio, hierro y fósforo. Vitaminas como piridoxina (B6), biotina, ácido pantoténico, ácido fólico, inositol, niasina o ácido nicotínico, riboflavina (B12), tiamina (B1), tocoferol (E), cianocobalamina (B12), azúcares complejos naturales, carotenoides, enzimas y ácidos grasos esenciales (Álvarez y Bague, 2011). La Espirulina es considerada como una alternativa de alimentación en el futuro, sobre todo para países en desarrollo. Sin embargo, a pesar de la amplia publicidad sobre la importancia de la Espirulina en la dieta y los beneficios para la salud, todavía no se

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considera como un cultivo potencialmente clave en las zonas costeras y alcalinas, por lo cual es importante dar a conocer este alimento por medio de la transferencia del conocimiento científico acerca de la composición de la Espirulina, efectos beneficiosos en la salud y el desarrollo de nuevos productos funcionales.

2. Historia de la Espirulina.

La Espirulina es un organismo primitivo que se originó hace unos 3.500 millones de años (FAO, 2008). En 1827, Turpin realizó el aislamiento de Espirulina de un arroyo de agua fresca (Álvarez y Bague, 2011). En 1852, Stizenberger, publicó el primer informe taxonómico, en el cual dio el nombre de Arthrospira basado en su forma helicoidal y estructura multicelular (FAO, 2008). En 1932, Geitler debido a la morfología helicoidal común, reunificó a los miembros de los dos géneros bajo la designación de Espirulina sin considerar la presencia del tabique, sólo la similitud morfológica (FAO, 2008). En 1940, Dangeard publicó sobre el consumo de dihé (Espirulina) por las personas de la etnia Kanembu en África. Hasta la fecha, se sigue cosechando en los bordes del lago Chad, ésta es filtrada en el suelo arenoso cerca de los ríos, donde las condiciones para el desarrollo de la Espirulina son las adecuadas, se realiza un secado y finalmente se obtiene una salsa amarga. Esta variedad producida en Chad tiene un mejor valor nutricional que las algas cultivadas en digestores anaeróbicos, además de ser 100 veces más económico que las vendidas en los países desarrollados (FAO, 2010). En 1964, Jean Léonard, publicó sobre pasteles comestibles verdosos que se vendían en los mercados nativos de Fort-Lamy (ahora N'Djamena) en Chad (Léonard, 1966). En 1967, la Espirulina fue establecida como "una fuente maravillosa de alimentos en el futuro" en la Asociación Internacional de Applied Microbiology (Sasson, 1997). En 1970, se realizaron investigaciones con fines industriales sobre el alto contenido (60-70%) de proteína y la calidad de los aminoácidos esenciales de la Espirulina (FAO, 2008). En 1974, la Espirulina fue declarada como la mejor comida para el futuro, en la conferencia mundial de la alimentación de la Naciones Unidas (IIMSAM, 2014). En 1989, estos microorganismos se clasificaron por separado en dos géneros: Espirulina y Arthrospira; Arthrospira máxima y A. platensis son las especies más importantes en este género y entre éstas existían diferencias taxonómicas en filamentos, vacuolas y cubierta externa o regularidad de cápsula de cada filamento (Tomaselli et al., 1996; Tomaselli,

1997). En 1980, surgen proyectos financiados por organizaciones no gubernamentales (ONG’s) europeas con carácter humanitario para combatir la desnutrición infantil en poblaciones rurales vulnerables de África.

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En 2001, surge la Institución Intergubernamental para el uso de Espirulina contra la desnutrición (IIMSAM, 2014). Entre sus objetivos se encuentra difundir el consumo de Espirulina como un alimento para combatir la malnutrición severa en el mundo, cuenta con un panel internacional de expertos que proveen apoyo tecnológico, científico, operacional y una asesoría en biológia e ingeniería. (IIMSAM, 2014). En 2003, se designa la institución Intergubernamental pro utilización de la microalga Espirulina para corregir la malnutrición (decisión 2003/212 del Consejo), por el consejo económico y social de las Naciones Unidas (IIMSAM, 2016). En 2007, se llevó a cabo un proyecto de 1.4 millones de dólares financiado por la Unión Europea y dirigido por la FAO, en el procesamiento tradicional de Dihé en el lago Chad, donde se les enseñó a las mujeres locales buenas prácticas de higiéne, procesado, empaquetado y comercialización de productos (FAO, 2010). En 2015, en el anteproyecto de enmiendas al sistema internacional de numeración de alimentos aditivos (cac/gl 36-1989), se propuso el INS (International Numbering System for Food Additives) 134 como número adecuado para el extracto de Espirulina. Se citó

que ésta es una alternativa popular a los colores azules sintéticos y ya está aprobado su uso en Estados Unidos, China, República de Corea y Japón (FAO, 2015). En 2017, Estados Unidos, propone la sustancia, extracto de Espirulina para la evaluación de la inocuidad y establecimiento de especificaciones para su uso como colorante por parte del comité mixto FAO/OMS de Expertos en Aditivos Alimentarios (JECFA). Solicitud realizada por IACM (International Association of Color Manufacturers).

3. Condiciones de Cultivo. La Espirulina crece en medios adversos por ejemplo se encuentra en el suelo, pantanos, agua dulce, agua salobre, agua de mar y aguas termales. El agua salina (> 30 g L-1) con un pH alto (8,5-11) favorece la buena producción de Espirulina, especialmente cuando existe un alto nivel de radiación solar en altitud en los trópicos. Por ejemplo, en lagos del Valle del Riff de África oriental, el pH puede alcanzar valores cercanos a 11 y el carbonato de sodio es abundante, el crecimiento de Espirulina platensis se produjo entre 20-70 g de

sal por litro. Un pH alto (8,2-8,5) puede explicar la capacidad de este microorganismo de utilizar el amoniaco como fuente de nitrógeno a valores de pH alcalinos elevados (FAO, 2008). La tendencia socioeconómica del cultivo de Espirulina ha mostrado dos connotaciones: de tipo social y comercial. De tipo social, surgen los cultivos artesanales de Espirulina los cuales son realizados a pequeña escala en huertas caseras o granjas multifamiliares con la finalidad de complementar la dieta alimentaria tradicional; construidos con materiales locales de bajo costo y operados con técnicas sencillas, según el entorno cultural de la comunidad (Bemariana, 2008) debido a ello se les ha propuesto como una alternativa para la supervivencia de pequeñas comunidades rurales y familiares en el desarrollo y consolidación de los cultivos a pequeña escala, constituye la base de partida para la industrialización de Espirulina a mayores escalas (Ayala y Ayala, 2010).

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Los logros durante la implantación de las granjas de cultivo artesanal de Espirulina en África y Asia, indican que un adecuado manejo debe prever y tener en cuenta las costumbres e idiosincrasia de los potenciales usuarios, estrategias para sensibilizar y capacitar a la población local sobre los beneficios nutricionales, los recursos tecnológicos disponibles, los abastecimientos de materia prima básica, y la calidad del medio ambiente; así mismo, el diseño de estrategias a largo plazo para asegurarse que las poblaciones manejen las técnicas necesarias para producir localmente su propia Espirulina (Hug y Weid, 2011). Las experiencias de estos sencillos cultivos artesanales, han sido tomadas como ejemplo y transferidas a ciudades de países como Francia, donde la cultivan en el jardín de la casa con la finalidad de producir diariamente una pequeña cantidad para el consumo doméstico. Así mismo, esta novedad ha dado la base para la proyección de “microgranjas algas inteligentes” en grandes centros urbanos, como una modalidad de cultivo en jardín que se adiciona a las nuevas o existentes en el hogar, la comunidad, jardines urbanos, la azotea, parques móviles y edificios (Ayala y Ayala, 2010). De tipo comercial, casi la totalidad de los cultivos industriales de Espirulina para la producción de alimentos son realizados en biorreactores tipo raceway con tamaños de

0,1-0,9 hectáreas, a cielo abierto o en sistema de invernadero en zonas de altitud o de clima templado con tecnologías de tipo semi-industrial e industrial, y de manera general, el promedio de producción anual de las empresas es de 300 toneladas de biomasa seca (Belay, 1997; Shimamatsu, 2004). Las producciones a gran escala de tipo comercial son llevadas a cabo en países como China, EEUU, Japón, India, Tailandia, Rusia, Francia, Alemania, Israel, Italia, España, Ecuador, Chile, Cuba, entre otros; siendo los cuatro primeros los principales productores (Medina y Lara, 2005). Aunque en poca magnitud, la producción de biomasa de valor nutricional de Espirulina también se realiza en biorreactores más sofisticados y de mayor capital tecnológico, fotobioreactores, sistemas con escaso o ningún contacto con la atmósfera que presentan mayor eficacia en el rendimiento productivo pero con muchas limitaciones de tipo biológico y tecnológico aún no superadas, cuyos modelos actuales se ajustan a países de clima frio, además de ser utilizados más que todo para la producción de metabolitos funcionales de alto valor económico (Ravindra-Manda et al., 2012).

4. Producción a Nivel Mundial y Nacional.

Países como África y Asia, cuentan con una experiencia de más de 30 años de cultivo artesanal de Espirulina con buenos resultados en el mejoramiento de la alimentación y salud de las comunidades pobres vulnerables. Los niños y adultos desnutridos tratados en sus dietas tradicionales con suplementos alimenticios a base de Arthrospira sp. Han

demostrado una rápida recuperación; así mismo, su efectividad para la prevención y/o tratamiento de enfermedades cardiovasculares y algunos tipos de cáncer (Torres-Duran et al., 2006; Cárdenas et al., 2010; Birot et al., 2012). También el cultivo de Espirulina

contribuye al mejoramiento de la calidad de vida y de sus condiciones socioeconómicas, reflejándose en una mayor propagación en los últimos años; emergiendo como una actividad agrícola, limpia, sostenible y proyectándose como herramienta de desarrollo, que contribuye además, a potenciar la autonomía alimentaria a nivel local en las comunidades (Hug y Weid, 2012). En Colombia, a pesar, de tener condiciones climáticas de país tropical, con un potencial energético solar diario multianual aproximado a 4,5 kWh m-2, tan solo se inició en esta última década el cultivo de Espirulina en la modalidad comercial con una planta industrial localizada en el Departamento del Meta, así mismo, se han realizado algunas

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investigaciones tanto en cepas de A. platensis como de A. máxima a nivel de cultivos

experimentales de laboratorio a pequeña escala sobre optimización de parámetros de cultivo (Torres y Correa, 2008), y evaluación de efluentes residuales orgánicos. De igual manera, diversas publicaciones que señalan la importancia que representaría para el país el desarrollo de cultivos industriales y artesanales de Espirulina como una alternativa para los programas de sustitución de cultivos, y para el mejoramiento de la alimentación de niños y ancianos (Merchan, 2007).

5. Composición Nutricional de la Espirulina.

i. Composición Proximal Componente Composición por 100 gramos Referencia

Agua 4,68g; 5,77g, 4-6g (Tailandia), 6g (Malasia), 9g (Bangladesh).

FAO, 2008; Dewi et al.,

2016; USDA, 2017. Proteína 57,47g; 65-70g; 59,16g; 65g (Francia),

55-70g (Tailandia), 60g (Malasia), 60g (Bangladesh).

FAO, 2008; Álvarez y Bague, 2011; Dewi et al.,

2016; USDA, 2017 Total lípidos 7,72g; 1,40g; 4g (Francia), 5-7g

(Tailandia), 6g (Malasia), 7g (Bangladesh).

FAO, 2008; Dewi et al., 2016; USDA, 2017.

Carbohidratos (por diferencia)

23,90g; 24,50g; 19g (Francia), 14g (Malasia).

FAO, 2008; USDA, 2017; Dewi et al., 2016.

Fibra dietética total

3,6g; 3g (Francia), 5-7g (Tailandia), 6g (Malasia), 7 g (Bangladesh).

FAO, 2008; USDA, 2017.

Azúcares totales 3,10 g. USDA, 2017

Adaptada de USDA (2017)

ii. Contenido de Minerales

Componente Composición por 100 gramos

Calcio, Ca 120 mg

Hierro, Fe 28,50 mg

Magnesio, Mg 195 mg

Fósforo, P 118 mg

Potasio, K 1363 mg

Sodio, Na 1048 mg

Zinc, Zn 2 mg

Adaptada de USDA (2017)

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iii. Contenido de Vitaminas

Componente Composición por 100 gramos

Vitamina C, total ácido ascórbico 10,1 mg Tiamina 2,380 mg Riboflavina 3,670 mg Niacina 12,820 mg Vitamina B6 0,364 mg Folato 94 µg Vitamina A 29 µg Vitamina E (α-tocoferol) 5 mg Vitamina D (D2+D3) 0 mg Vitamina K 25,5 µg

Adaptada de USDA (2017)

iv. Contenido de Lípidos Componente Composición por 100 gramos

Ácidos grasos saturados 2,650 g Ácidos grasos monoinsaturados 0,675 g Ácidos grasos poliinsaturados 2,080 g Ácidos grasos trans 0 g Colesterol 0 mg

Adaptada de USDA (2017)

v. Composición de Aminoácidos

Componente Composición por 100 gramos

Ácido aspártico 4981,8mg; 5200-600mg (Tailandia), 5370mg (Malasia). Ácido glutámico 8373,6mg; 7300-9500mg (Tailandia), 7040mg (Malasia). Serina 3235,7mg; 3840mg (Malasia) Glicina 3071,0mg; 6660mg (Malasia). Histidina 1188.2mg; 2810mg (Malasia). Arginina 3927,6mg; 4940mg (Malasia). Treonina 2940,1mg; 3350mg (Malasia). Alanina 4232,1mg; 10810mg (Malasia). Prolina 2270,3mg; 4110mg (Malasia). Valina 3574,8mg; 4020mg (Malasia). Isoleucina 3059,6mg; 3850mg (Malasia). Leucina 5081,0mg; 5900-6500mg (Tailandia), 8370mg (Malasia). Fenilalanina 2694,6mg; 2600-3300mg (Tailandia), 4100mg (Malasia). Lisina 3261,2mg; 2600-3600mg (Tailandia), 4630mg (Malasia). Adaptada de FAO (2008); Dewi et al., (2016)

6. Método de Conservación de Espirulina

La Espirulina es un alimento funcional, sin embargo las técnicas de procesamiento pueden afectar o fomentar los efectos beneficiosos que aporta para la salud, a

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continuación se mencionan algunas técnicas utilizadas en la conservación de la Espirulina. La Espirulina fresca (la biomasa prensada), puede conservarse mediante congelación (-18°C), refrigeración (2 días a 7°C; 10 días a 1°C) o salazón (1 mes-10% de sal), sin embargo este último modifica la consistencia, se vuelve más fluida, el color se torna más oscuro (la ficocianina azul es liberada) y se generan cambios en el sabor. Comercialmente, se utiliza el método de secado como método de conservación y al ser removida el agua libre contenida, tiene menor riesgo microbiano, por lo tanto el producto se puede conservar entre 1-5 años, sin embargo es un método costoso y genera cambios en el color y sabor del producto (Jourdan, 2000). El agua en los alimentos se encuentra en diferentes estados energéticos, es decir que no toda el agua tiene las mismas propiedades fisicoquímicas, por tanto, se encuentra como agua libre y agua ligada. El agua libre, es el agua que tiene movilidad y está disponible,

para participar en reacciones de deterioro de los alimentos, congela a -20°C, por lo tanto también es llamada agua congelable. El agua ligada es la proporción que está fuertemente unida al alimento, por medio de puentes de hidrógeno, y no se congela a -20°C, por lo tanto también es llamada agua no congelable. La deshidratación es una operación de transferencia de masa de contacto gas-sólido, debido a que la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación a la fase gaseosa. Es una operación unitaria mediante la cual se elimina la mayor parte del agua de los alimentos, con lo cual se puede prolongar la vida útil al disminuir la actividad de agua presente. La Actividad de Agua (aw).

Se define como la relación existente entre la presión de vapor de agua del alimento y la presión de vapor saturado a la misma temperatura. Se usa para caracterizar el estado de equilibrio del agua en una matriz alimenticia que iguala la presión de vapor relativa de equilibrio, del agua en la atmósfera circundante. Para alcanzar el equilibrio habrá una transferencia de masa de agua del alimento al entorno o viceversa hasta llegar a dicho equilibrio. La aw, es un factor clave para el crecimiento microbiano, producción de toxinas y resistencia al calor de los microorganismos. Los valores de aw van de 0,1 para alimentos secos, hasta 0,9 para los de alta humedad. A menor aw los alimentos son estables a temperatura ambiente (excepto los tratados térmicamente y comercialmente estériles como los enlatados), a mayor aw y más cercano a 1 que es la del agua pura los alimentos son más inestables. Con una actividad acuosa entre 0,2-0,25 posee una máxima termorresistencia de las esporas bacterianas, por ejemplo en la leche entera en polvo 2-3% de agua, verduras deshidratadas (5% de agua), copos de maíz (5% de agua), con una actividad acuosa entre 0,3-0,4 posee una mínima velocidad de oxidación este es el caso de alimentos desecados, especias, pastas alimenticias, huevo en polvo entero (5% de agua), cortezas de pan (3-5% de agua) y galletas saladas o similares (Fellows, 2000), en este grupo también se encuentra la Espirulina comercial en polvo con un 3-6% de humedad (FAO; 2008). Es de gran importancia la disminución de la actividad de agua en la Espirulina ya que inhibe el crecimiento microbiano, la actividad enzimática, el pardeamiento no enzimático y la oxidación lipídica. Además, al disminuir su peso y volumen, se reducen los gastos de transporte y almacenamiento. En el proceso de deshidratación de la Espirulina se deben controlar varios factores debido a que la temperatura altera las características organolépticas y nutricionales. De igual manera se

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debe controlar la rehidratación del producto durante el almacenamiento, por medio del empaque y condiciones adecuadas de temperatura y humedad relativa. La disminución de la humedad de la Espirulina ha sido uno de los métodos más antiguos usados para su conservación, al reducir el contenido de agua a un nivel bajo reduciendo la velocidad de mecanismos de deterioro biológico. Inicialmente se utilizaba el secado al sol, no obstante, actualmente sigue siendo empleado por pequeños productores, en este proceso se debe controlar el tiempo de exposición directa al sol, debido a que en tiempos prolongados la clorofila de la superficie es destruida y la Espirulina se tornará en colores grisáceos o azulados. La desecación es un proceso que no requiere maquinaria de deshidratación, con ésta técnica los alimentos son esparcidos en terrazas a superficies planas, donde se les remueve regularmente hasta que ha finalizado su desecación. En algunos países de África la Espirulina se recoge del agua natural, se seca y se come, se utiliza como suplemento proteico y alimento para el consumo humano, también como dieta complementaria para la alimentación de aves de corral (FAO, 2008). En los secadores solares los productos se deshidratan mediante un flujo de aire previamente calentado aprovechando la energía solar. El proceso de conservación más empleado para la Espirulina es el secado al sol y la utilización de secadores solares por ser sencillo, económico, no requiere aporte energético, ni mano de obra especializada. Sin embargo, la velocidad de deshidratación es baja comparada con un deshidratador artificial, el método no facilita el control de la variables de calidad, por lo tanto la Espirulina es de menor calidad y mayor heterogeneidad. También, el proceso depende del horario solar, condiciones atmosféricas, y requiere mayor mano de obra que otros métodos de secado (Fellows, 2000). Sin embargo con la industrialización de la Espirulina se han utilizado otras técnicas como secado mediante aire caliente, secado mediante superficies calientes y liofilización.

i. Técnicas de Secado. Secado mediante aire caliente.

En los procesos de secado mediante aire caliente, la eliminación del agua de la Espirulina o de cualquier alimento sometido a este proceso, se da mediante la relación entre la cantidad de vapor de agua que se encuentra en el aire, la temperatura del aire y la cantidad de aire que pasa sobre el alimento. Cuando el aire caliente pasa sobre la Espirulina húmeda el vapor de agua se difunde a través de la membrana y es arrastrado por la corriente de aire, se genera así un gradiente de presión de vapor desde el interior de la Espirulina hasta el aire seco y este gradiente constituye la fuerza impulsora para la eliminación del agua (Fellows, 2000). Algunos equipos utilizados en este proceso de secado mediante aire caliente son:

Los deshidratadores de tolva o arcón; en donde el alimento es atravesado por un flujo de aire caliente a una velocidad relativamente baja, son equipos económicos de fácil adquisición y funcionamiento.

Los deshidratadores de cabina o de bandejas, son utilizados en pequeñas producciones (1-20 tn día-1) o para planta piloto, en este equipo el alimento se deshidrata sobre bandejas perforadas o de malla. Esto son equipos económicos de

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fácil funcionamiento sin embargo, se controla con dificultad, dependiendo del diseño del equipo, debido a que el producto que está más cerca a la fuente de calor se seca más rápido (Fellows, 2000). En este tipo se secadores, entra el aire del ambiente, el cual se calienta con vapor, y por medio de un ventilador recircula se transfiere hacia la superficie de las bandejas, aproximadamente entre el 10-20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo y el resto es recirculado, también se puede utilizar un calor eléctrico, es especial cuando el calentamiento es bajo. Algunas de las ventajas de éstos equipos es el ahorro de tiempo, mayor productividad y mejor manejo del producto.

Los secadores por atomización o pulverización son equipos que utilizan una temperatura del aire entre 150-300°C. En estos secadores se obtienen productos en polvo a partir de materiales líquidos, de forma casi instantánea se obtiene un sólido seco utilizando aire caliente como medio de suministro del calor necesario para el secado (150-250°C; 5-30 s). En esta técnica es importante la microencapsulación de las partículas, lo cual consiste en que partículas individuales o gotas de un material activo se rodean por una cubierta para producir cápsulas en el rango de micras a milímetros, conocidas como microcápsulas. Cuando las partículas poseen un tamaño inferior a 1 µm, el producto resultante del proceso de encapsulación recibe la denominación de nanocápsulas. Los principales encapsulantes en la industria alimentaria son los carbohidratos u otro material polimérico, entre estos los carbohidratos (almidón y derivados, maltodextrinas, jarabes de maíz, sacarosa, ciclodextrina, carboximetilcelulosa, etc), gomas (arábiga, mezquite, guar, alguinato de sodio, carragenina), lípidos (ceras, parafinas, grasas, ácido esteárico, mono y diglicéridos), proteínas (gelatina de soya, caseinatos, suero de leche, gluten), los cuales proporcionan una emulsión estable durante el secado.

Los equipos de secado por atomización tienen un sistema de alimentación del líquido, un dispositivo de atomización (boquillas de atomización), cámara de secado y sistema colector de producto seco. El tipo de atomizador determina la energía requerida para formar el aerosol, el tamaño y la distribución de tamaño de las gotas, la trayectoria y velocidad de las gotas, el tamaño de la partícula final. Entre los tipos de atomizadores se encuentran el de ruedas giratorias, boquillas a presión de un fluido, dos fluidos y tres fluidos. Entre las ventajas de la utilización de ésta técnica de secado es que permite la producción de grandes cantidades en la operación continua y con un equipo relativamente simple, produce partículas relativamente uniformes, esféricas. Puesto que la temperatura de funcionamiento del gas puede extenderse de 150-600°C, la eficacia es comparable a la de otros tipos de secadores directos. En cuanto a las desventajas, no es flexible es decir que una unidad diseñada para la atomización fina puede no poder producir un producto grueso, además es necesaria una alta inversión inicial comparada con otros tipos de secadores continuos. Secado mediante superficies calientes.

En este tipo de deshidratadores el calor es transmitido al alimento por conducción. Algunos tipos de deshidratadores por contacto, son las bandejas a vacío, cintas a vacío, platos, película fina, por lotes rotatorios, entre otros (Fellows, 2000).

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Secado por liofilización.

El proceso de liofilización, se basa en el desecado de determinados materiales por medio de la sublimación del agua contenida en éstos. Se realiza congelando el producto y se remueve el hielo aplicando calor en condiciones de vacío, de esta forma el hielo sublima evitando el paso por la fase líquida. Dicha técnica constituye un efectivo sistema de preservación de elementos biológicos como células, enzimas, vacunas, virus, levaduras, sueros, algas, frutas, vegetales y alimentos en general. Todos estos materiales contienen sustancias volátiles o termosensibles que no se ven afectadas por este proceso, ya que se trabaja a temperaturas y presiones reducidas. Lo más importante del método es que no altera la estructura fisicoquímica del producto y admite su conservación sin cadena de frío, debido al bajo porcentaje de humedad permite obtener un producto con elevada estabilidad microbiológica. Asimismo, el hecho de no requerir refrigeración facilita su distribución y almacenamiento. El proceso de liofilización tiene sus orígenes en el Imperio Inca, en el altiplano andino a 4000 metros sobre el nivel del mar. Allí los pobladores realizan un producto denominado Chuño, resultado de la deshidratación de la papa. La técnica consiste en dejar las papas cosechadas sobre el suelo, de manera que durante la noche se congelen como consecuencia de las bajas temperaturas, y durante el día el sol y el viento seco produzcan el cambio de estado del agua (desde el sólido al vapor sin mediar la fase líquida). Con el paso de los años se desarrolló industrialmente esta técnica de conservación que integra dos métodos confiables: la congelación y la deshidratación. Entre las ventajas de este método de conservación se encuentra la ausencia de temperaturas altas por lo tanto previene el daño térmico y conserva vitaminas, antioxidantes y componentes nutricionales del producto, brinda al alimento una mayor recuperación de las propiedades al rehidratarlo que con otros métodos de secado, debido a que elimina la humedad pero mantiene la forma del producto, asimismo mantiene mayor estabilidad del color. Dentro de las desventajas se encuentra el largo tiempo de procesamiento, por lo tanto alto consumo de energía y un costo alto de inversión inicial.

ii. Efecto del Secado Sobre la Calidad de los Alimentos

Durante el secado todos los productos alimenticios sufren cambios que se ven reflejados en la pérdida de calidad comparado con el producto fresco, sin embargo es necesario realizar un proceso de conservación para alargar la vida útil, lo importante es controlar todas la variables del proceso para determinar el tipo de tratamiento que minimice las pérdidas nutricionales. Efecto en la textura.

La textura de los alimentos se ve influenciada por la temperatura y la velocidad de deshidratación, la evaporación del agua hace que la concentración de los solutos aumente en la superficie, al utilizar altas temperaturas se generan cambios físicos y químicos en la superficie del alimento y conduce a la formación de una capa superficial dura e impenetrable llamado “acortezamiento” que reduce la velocidad de deshidratación y da como resultado un alimento seco en la superficie y húmedo en el interior (Fellows, 2000). En la Espirulina pulverizada la textura está relacionada con la densidad y la facilidad de rehidratación.

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Efecto en las características sensoriales.

Las sustancias volátiles de difusividad y volatilidad elevada son las primeras que se pierden debido a la temperatura de exposición. Un control adecuado de las variables de proceso en la primera etapa del secado minimiza éstas pérdidas. Los alimentos con características aromáticas como hierbas o especias se deben deshidratar a temperaturas bajas (Fellows, 2000). Dada la importancia de la Espirulina en la dieta existen páginas como Espirulina.com, la cual muestra al consumidor los parámetros sensoriales que debe tener la Espirulina, entre éstos se encuentran; la calidad de la Espirulina puede verse afectada dependiendo de dónde y cómo se produce. La diferencia puede ser en el sabor, color, olor y contenido nutricional. La Espirulina no debe tener un sabor fuerte o abrumador, debe ser de un color verde oscuro. No debe tener un olor de pescado fuerte. La mejora calidad de Espirulina proviene de productores que usan agua mineral fresca y crecen en ambientes con baja contaminación y mucha luz solar estos no usan nutrientes fermentados. Debe tener un ligero sabor amargo o de otro modo insípido. El sabor de Espirulina en polvo normalmente puede ser enmascarado por otros alimentos. Si el sabor es demasiado pesado, amargo o salado, pudo haber sido producida en un ambiente no controlado. La Espirulina de alta calidad puede ser fácilmente mezclado con otras formulaciones de comida y bebida y se vuelve insípido, mientras que la Espirulina de baja calidad sobre-potencia el sabor de otros alimentos. Debe tener un ligero olor a los océanos, generalmente no tiene un olor fuerte o picante. Si tiene un fuerte olor a pescado, podría significar que tiene un alto recuento microbiano. La Espirulina de alta calidad debe tener un olor más suave que la de baja calidad. Efecto sobre el color.

La evaporación del agua modifica las características superficiales del alimento, cambiando el color y la reflectancia. En el caso de la Espirulina, los cambios físicos que experimenta la clorofila se producen por el calor y la oxidación que tiene lugar en el proceso de deshidratación. Además, la oxidación y la actividad enzimática residual de la polifenoloxidasa favorece el desarrollo del pardeamiento durante el almacenamiento (Fellows, 2000). La Espirulina es naturalmente un pigmento azul-verde debido a su contenido de ficocianina y clorofila. Una vez que la Espirulina se seca y se empaca, ésta debe quedar de un color verde. La Espirulina con un tono verde oscuro suele ser más alta en calidad debido a su alta ficocianina, otros nutrientes y su alto contenido nutricional. Efecto sobre el valor nutritivo.

La Espirulina es una rica fuente de vitaminas como B1 (tiamina), B2 (riboflavina), B3 (nicotinamida), B6 (piridoxina), B9 (ácido fólico), B12 (cianocobalamina), vitamina C, vitamina D y vitamina E (FAO, 2008). Sin embargo, éstas se pueden ver afectadas por las temperaturas durante el proceso y por las condiciones de almacenamiento. En el caso de la riboflavina, a medida que se da el proceso de deshidratación ésta alcanza su proceso de sobresaturación y precipita. La vitamina C es sensible al calor y a la oxidación. Las vitaminas A, D, E y K se encuentran en su mayor parte en la materia seca del alimento, por esto no experimentan cambios significativos. La Espirulina es una buena fuente de proteína, y el proceso de deshidratación no cambia el valor biológico y la digestibilidad de las proteínas (Fellows, 2000).

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7. Alimentos Funcionales.

Una vez obtenida la Espirulina deshidratada es la materia prima que puede ser utilizada para la elaboración de alimentos funcionales. A continuación, se exponen algunas definiciones de alimento funcional, sus características y legislación en Japón, Estados Unidos, Europa y Colombia.

i. Definición de Alimento Funcional y Características.

Un alimento funcional no es un comprimido, ni una cápsula, ni ninguna otra forma de suplemento alimenticio. Deben consumirse como parte de un régimen normal. La demostración de sus efectos debe satisfacer las exigencias de la comunidad científica. Estos alimentos deben producir efectos beneficiosos sobre las funciones orgánicas, además de sus efectos nutricionales intrínsecos, apropiados para mejorar la salud, el bienestar y reducir el riesgo de enfermedades. Un alimento funcional puede ser:

Un alimento natural en el que uno de sus componentes ha sido mejorado mediante condiciones especiales de cultivo.

Un alimento en el que se ha añadido un componente para que produzca beneficios (por ejemplo, bacterias probióticas seleccionadas, de probados efectos beneficiosos sobre la salud intestinal).

Un alimento del cual se ha eliminado un componente para que produzca menos efectos adversos sobre la salud (por ejemplo, la disminución de ácidos grasos saturados).

Un alimento en el que la naturaleza de uno o más de sus componentes ha sido modificada químicamente para mejorar la salud (por ejemplo, los hidrolizados proteicos adicionados en los preparados para lactantes para reducir el riesgo de alergenicidad).

Un alimento en el que la biodisponibilidad de uno o más de sus componentes ha sido aumentada para mejorar la asimilación de un componente beneficioso.

Cualquier combinación de las posibilidades anteriores. La Unión Europea carece de una definición concreta de alimentos funcionales. Si bien, ha desarrollado una definición de trabajo, donde un alimento se denomina funcional si está satisfactoriamente demostrado que afecta de forma beneficiosa a alguna función determinada del organismo, que va más allá de su valor meramente nutritivo, de forma tal que es relevante tanto para mejorar la salud y el bienestar como para la reducción de riesgos de enfermedades (Pelayo, 2006). Actualmente, los cambios en el estilo de vida, han motivado que este tipo de alimentos formen cada vez más, parte de la alimentación, ofreciendo la posibilidad de mejorar la salud. Por tanto, el concepto de alimento funcional se ha globalizado y se ha popularizado entre los consumidores. Además, las industrias alimentarias ven la oportunidad de desarrollar nuevos productos en un mercado de rápida expansión (Riquelme, 2008).

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Según la conferencia de alimentos funcionales de EE.UU e Irlanda 2010, los alimentos funcionales son identificados como uno de los pilares centrales para el futuro desarrollo de la industria de alimentos a nivel internacional. Estos alimentos tienen un papel importante en las propiedades que pueden mejorar la salud de las personas que los consumen. Un alimento funcional contiene un componente responsable del efecto fisiológico que se declare en el producto, estos son los llamados compuestos bioactivos, los cuales tienen una actividad biológica dentro del organismo y proporcionan un efecto beneficioso en la salud. Entre estos, se encuentran los compuestos bioactivos presentes en productos hortofrutícolas, como ácido ascórbico, carotenoides (carotenos y xantofilas), vitamina E (tocoferoles y tocotrienoles), polifenoles (flavonoides, ácidos fenólicos) y otros como, cumarinas, estilbenos, ligananos y lignina. Los alimentos funcionales están relacionados con diferentes áreas de la fisiología humana, como crecimiento y desarrollo en la primera infancia, regulación de los procesos metabólicos básicos, defensa contra el estrés oxidativo, la fisiología cardiovascular, rendimiento cognitivo y mental, estado de ánimo y la rapidez de reacción y rendimiento y mejora del estado físico.

ii. Alimentos Funcionales en Japón.

En un esfuerzo nacional por reducir el costo creciente de la atención de salud, se estableció una categoría de alimentos potencialmente beneficiosos, denominados "alimentos de uso específico para la salud” (Foods for Specific Health Use, FOSHU). Son alimentos con declaración de propiedades saludables (Health claim). También llamados “alimentos saludables” (Health foods). Para ser considerados FOSHU, se requieren pruebas de que el producto alimenticio final, y no sus componentes individuales aislados, probablemente ejerza un efecto saludable sobre el organismo cuando se consume como parte de una dieta corriente. A continuación se citan algunos ejemplos de aplicación de las declaraciones de salud:

Mantenimiento y mejora de los índices clínicos de las condiciones físicas que pueden ser fácilmente medibles. Ejemplo: “Ayuda a mantener los niveles normales de glucosa en la sangre” o “Ayuda a promover la descomposición de la grasa corporal”.

Mantenimiento o mejora de una buena condición física y/o funciones biológicas. Ejemplo: “Ayuda a regular los movimientos intestinales” o “Ayuda a mejorar la absorción de calcio”.

Mejora temporal, pero no cambios en persistentes o crónicos en las condiciones fisicas. Ejemplo: “Útil para aquellos que se sienten físicamente fatigados”.

Reducción del riesgo de enfermedades Ejemplo: “Puede reducir el riesgo de osteoporosis”

A continuación se muestra el desarrollo de los alimentos para regímenes especiales (Hamano, 2011):

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Para aplicar a FOSHU, se debe mostrar la evidencia que el producto cumpla con eficacia, seguridad y calidad. En cuanto a la eficacia se deben realizar estudios in vitro y/o estudios clínicos en humanos, se debe determinar la cantidad de ingesta y las evidencias científicas de la declaración de salud. En cuanto a la seguridad, los alimentos deben ser seguros, y se debe demostrar los efectos de toxicidad a largo plazo y las consecuencias por la ingesta excesiva. Finalmente en cuanto a la calidad se debe demostrar el estudio de las propiedades físico-químicas de los componentes funcionales, métodos analíticos y las pruebas de estabilidad (Hamano, 2011). Japón es el país que más alimentos funcionales produce y con una legislación clara en la aprobación o denegación de una solicitud. Los alimentos funcionales deben estar

Alimentos para

mujeres embarazadas.

Lactantes. Alimentos para pacientes con

disfagia: Dificultad en la deglución.

Alimentos de uso específico para la salud. FOSHU, 1991.

Procedimiento seguido para la aceptación de alimentos con uso específico en la salud

Aplicación a: Food Safety Commission of Japan.

Estudio por la agencia de estudios del consumidor.

Estudio por la comisión de los consumidores. Evaluación de nuevos alimentos, revisión de eficacia.

Estudio por la comisión de seguridad de los alimentos. Evaluación por un grupo de expertos en nuevos alimentos.

Revisión de la seguridad.

Estudio por la comisión de los consumidores. Evaluación de nuevos alimentos, revisión de eficacia.

Revisión exhaustiva de eficacia y seguridad.

Estudio por el Ministerio de salud, trabajo y bienestar.

Alimentos para regímenes especiales (Reguladas por la Ley de promoción de la salud)

Alimentos para

pacientes (Uso médico).

Estudio por la agencia de asuntos del consumidor.

Aprobación o denegación.

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identificados con el sello de aprobación del ministerio de salud, trabajo y bienestar. Como ejemplo, de algunos alimentos funcionales en Japón, se pueden citar: un yogur que contiene gran cantidad de Lactobacillus como 10 tazas de yogurth. La declaración de salud es: “Ayuda al sistema inmune”. Un producto lácteo, eficaz contra la gripe. Contiene lactoferrina, que es una proteína de unión al hierro abundante en las lágrimas y fluido de la mucosa. La declaración de salud es: “Es antioxidante y tiene propiedades antivirales”. iii. Alimentos Funcionales en Europa.

Los fundamentos científicos de las reclamaciones potenciales para la salud son evaluadas por la autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA), pero las consideraciones sobre otros aspectos y la decisión final de aceptar o rechazar una reclamación corresponde a la comisión Europea. Como ejemplo, de algunos alimentos funcionales en Europa, se pueden citar: leche desnatada enriquecida con isoflavonas de soja destinados principalmente a mujeres post menopáusicas. Leche con la incorporación de fitoesteroles vegetales que aseguran que su consumo regula el colesterol.

iv. Alimentos Funcionales en Estados Unidos.

La FDA (Food and Drug Administration) es el ente encargado de aprobar si posee

suficiente evidencia científica que indique que un cambio en la ingesta dietaria de una substancia, resultará en un cambio específico en la salud.

v. Alimentos Funcionales en América Latina. En América Latina, Brasil es el país que encabeza la producción de alimentos funcionales. En Colombia se están dando pasos en la legislación para la incorporación de alimentos funcionales, con la vigencia del Decreto 3636 de noviembre de 2005. Reglamentación de productos de uso específico, incluidos productos importados con denominación del país

Procedimiento seguido para la aceptación de alimentos con uso específico en la salud.

Aplicación a: Agencia española de seguridad alimentaria y nutrición (AESAN).

Remisión a la Agencia Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) (organismo evaluador).

Evaluación del expediente de acuerdo a los estudios presentados y evidencias científicas.

Aprobación o denegación.

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de origen como “suplemento dietario” complemento alimenticio” o “nutracéutico”. Además la norma técnica Colombiana (NTC) 5839, en lo referente a bebidas funcionales.

8. La Espirulina como Alimento Funcional. Debido al aporte nutricional la Espirulina tiene una función importante en el organismo, aporte dado por sus propios componentes, a continuación se describe la funcionalidad de cada uno.

i. Proteína.

La Espirulina tiene un alto contenido de proteína (hasta un 70% de la biomasa deshidratada) con una mejor digestibilidad que otras proteínas debido a que carece de celulosa dura en la pared celular, la cual está formada por mucopolisacáridos blandos que le proporciona una mejor digestibilidad, después de las 18 horas más del 85% de su proteína es digerida y asimilada (FAO, 2008), lo tanto es una materia prima que se puede utilizar para el desarrollo de productos que contribuyan a mejorar la absorción intestinal. La absorción de la Espirulina es eficaz debido al sistema digestivo, entre 85-95%. Esto guarda relación con el sentido de giro de su espiral, compatible con el giro del ADN humano (FAO, 2008).

ii. Aminoácidos.

Los aminoácidos esenciales son los que el organismo humano no puede sintetizar y por lo tanto deben ser aportados de forma obligatoria por la dieta para atender las necesidades corporales (crecimiento y mantenimiento de estructuras) entre ellos están la fenilalanina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina. Los aminoácidos no esenciales son los sintetizados en el organismo a partir de otros aminoácidos o de otros metabolitos (alanina, ácido aspártico, asparragina, ácido glutámico, citrulina y serina) y los aminoácidos condicionalmente indispensables que se sintetizan por vías complejas a partir de otros aminoácidos como la arginina, cisteína/cistina, glutamina, glicina, prolina y tirosina (Reeds, 2000; Özcan y Senyuva, 2006). La Espirulina es una proteína completa, que contiene todos los aminoácidos esenciales aunque con cantidades reducidas de metionina, cistina y lisina, en comparación con las proteínas estándar como la carne, huevos o leche; Sin embargo, superior a todas las proteínas vegetales estándar, tales como las leguminosas (FAO, 2008). La Espirulina tiene un contenido balanceado de aminoácidos incluida metionina, la cual está ausente en la mayoría de las microalgas. La metionina que permite la formación de colina, precursor de la mielina y junto a la cisteína constituye la fuente de azufre para la conversión del cianuro en tiocianato, por lo que juega una función de destoxificación en relación con el cinauro. La Espirulina de utiliza en dietas de adelgazamiento por su contenido en fenilalanina, este aminoácido produce colecistokinina que actúa sobre el hipotálamo y controla la sensación de apetito (Álvarez y Bague, 2011). iii. Ácidos Grasos Esenciales.

La Espirulina tiene una gran cantidad de ácidos grasos poliinsaturados (1,5-2,0% de 5-6% de lipidos totales). Es rica en ácido γ-linolénico (36% de los ácidos grasos poliinsaturados totales) y también proporciona ácido linoleico (36% del total), ácido estearidónico, ácido eicosapentaenoico, ácido docosahexaenoico y ácido araquidónico (FAO, 2008). Los ácidos grasos esenciales se encuentran dentro de los lípidos constituyentes, en particular

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el ácido gamma linolénico es precursor de la prostaglandinas, éste tiene un efecto beneficioso en la artritis, la obesidad, el alcoholismo, enfermedades neurosiquiátricas y en estados inflamatorios (Álvarez y Bague, 2011). iv. Minerales.

Los minerales inorgánicos son necesarios para la reconstrucción estructural de los tejidos corporales y participan en procesos como la acción de los sistemas enzimáticos, la contracción muscular, las reacciones nerviosas y la coagulación de la sangre (Álvarez y Bague, 2011). La Espirulina es una rica fuente de potasio, y también contiene calcio, cromo, cobre, hierro, magnesio, manganeso, fósforo, selenio, sodio y cinc (FAO, 2008). La deficiencia de hierro se considera el primer desorden nutricional en el mundo y afecta hasta 2 millones de personas (Stoltzfus, 2001), en particular, a un 16% de las mujeres de 12-49 años (Looker et al., 2002). Esta deficiencia es considerada la causa más común de

anemia nutricional y afecta a la actividad física, la función cognitiva e inmune (Beard, 2001). El hierro es el elemento esencial para la producción de hemoglobina, la Espirulina tiene gran contenido de hierro (28,50 mg; USDA, 2017). De acuerdo a la biodisponibilidad del hierro presente en la Espirulina, se absorbe un 60% más que las tabletas de sulfato ferroso. Además, tiene la ventaja de tener bajos contenidos de yodo y sodio, por lo tanto mayores consumidores pueden tener acceso a esta (Álvarez y Bague, 2011). La deficiencia de minerales como Mn, B y Zn, se presenta cuando las dietas se basan principalmente en los alimentos básicos, tales como cereales molidos, que tienen un bajo contenido de minerales biodisponibles (Christou y Twyman, 2004). No obstante, esta deficiencia de minerales tiene mayor prevalencia en los países en desarrollo, donde los alimentos frescos son de difícil acceso. Sin embargo, en otros minerales como el Ca, su deficiencia es actualmente, conocida en todos los países industrializados (Gómez-Galera et al., 2010).

Actualmente, existe un creciente interés por el aporte de los minerales en la dieta para prevención de diversas enfermedades. La Espirulina contiene un alto contenido de minerales y su adición a determinados alimentos permitiría elaborar alimentos fortificados. Por ejemplo, en panificados, cereales para desayunos, lácteos, galletas, pastas, barras de cereales suplementadas con calcio (para prevenir osteoporosis) y snacks con minerales esenciales. También pueden ser de utilidad como ingredientes en alimentos enriquecidos, cuando se trata de resolver deficiencias de alimentación colectiva, es decir, poder suplir las deficiencias de micronutrientes que puedan existir en un país. Por tanto, los alimentos empleados como vehículos son los cereales, las fórmulas para lactantes (constituyen el grupo crítico en cuanto a la deficiencia de hierro), los lácteos, las margarinas, la sal, el azúcar, las bebidas. Por ejemplo, en muchos países, la harina de trigo es el vehículo más utilizado para la adición de minerales como hierro y zinc. Sin embargo, la aplicabilidad de la Espirulina debe estudiarse de acuerdo a la aceptación sensorial que puedan tener los productos básicamente por el color y el sabor.

v. Vitaminas. La Espirulina contiene betacarotenos (provitamina A) que junto con la vitamina E, protege las células contra el deterioro causado por los radicales libres (antioxidante). La vitamina A es esencial para las células epiteliales y para un crecimiento normal. La vitamina E se absorbe limitadamente por lo tanto se encuentra en bajas cantidades en el organismo.

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Una alimentación insuficiente es la causa del déficit de las vitaminas en el organismo, una dosis de tres gramos de Espirulina, cumple con el requerimiento de vitamina B12, sin necesidad de adicionar ningún otro tipo de producto de origen natural (Álvarez y Bague, 2011). vi. Pigmentos.

La Espirulina tiene pigmentos como carotenoides, clorofila y ficobilinas que representan el 20% de las proteínas. Las ficobilinas son compuestos fotosintéticos y dentro de éstos se encuentra la ficocianina (azul) y la ficoeritrina (roja). La ficocianina pigmento azul presente en altas concentraciones tiene efectos antioxidantes y antiinflamatorios (Álvarez y Bague, 2011). La clorofila es el pigmento verde también presente en altas concentraciones en la Espirulina. Existen dos tipos de clorofila, a y b. La diferencia entre ambas radica en que la clorofila a, tiene un grupo metilo en el carbono C-7, mientras que la clorofila b tiene un grupo aldehído. Las clorofilas y sus derivados son los responsables de los colores verde, azul y marrón oliva. Las clorofilas son utilizadas como aditivos alimentarios, en aceites, chicles, helados, bebidas refrescantes, en sopas preparadas y productos lácteos. Estos pigmentos son importantes por su utilización como colorantes y por los efectos benéficos para la salud que produce su consumo (Costa et al., 2003). Otros pigmentos encontrados

en la Espirulina son la xantofila, betacaroteno, equinenona, mixoxantofila, zeaxantina, cantaxantina, diatoxantina, 3 - hidroxiechinenona, beta-criptoxantina, oscilaxantina, ficobiliproteínas y aloficocianina (color verde-azulado) (FAO, 2008). vii. Efectos Beneficiosos en la Salud.

La Espirulina ha sido empleada como suplemento dietético en pacientes con afecciones intestinales o renales, diabetes mellitus, acné, enfermedades cardiovasculares, cáncer o SIDA. También ha sido estudiada para el tratamiento de enfermedades que presentan desórdenes neuropáticos como algunos tipos de tumores, anemias, ya sea por el nivel por el nivel de azúcar en sangre, por su efecto antioxidante o por el aporte de hierro, ácido fólico y vitamina B12. La Espirulina contiene sulfoglicolípidos, compuesto relacionado con la capacidad de aumentar la respuesta inmune y el estímulo de la función de los macrófagos, por lo tanto tiene una importante actividad antiviral. El consumo de Espirulina favorece la eliminación de sustancias tóxicas del organismo y reduce los efectos colaterales de algunos fármacos. Utilizada para tratar los estados de malnutrición proteíno-energética en niños (Álvarez y Bague, 2011). Se ha demostrado que el consumo de Espirulina reduce el nivel de lípidos en la sangre y en la disminución de los glóbulos blancos después de radioterapia y quimioterapia (FAO, 2008). Se ha demostrado que la Espirulina mejora la tasa de supervivencia de ratones después de la exposición a una dosis letal de radiación, prolongando el tiempo de supervivencia, mejorando su inmunidad y actividad del superóxido dismutasa (SOD) (FAO, 2008). La Espirulina ha sido estudiada en el estado físico de atletas. Los resultados mostraron que las atletas femeninas muestran un aumento en su nivel de hemocromo, mientras que los atletas masculinos no mostraron ningún aumento aparente después de tomar 10 g de pastillas de Espirulina por día durante cuatro semanas. La capacidad pulmonar de los deportistas juveniles de levantamiento de pesas fue mejorada. La píldora de Espirulina no tuvo ningún efecto sobre la presión arterial (FAO, 2008).

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viii. Dosis de Espirulina.

Como suplemento nutricional la dosis recomendada es de 2-3 tabletas o cápsulas (400 mg) con las comidas. El consumo de Espirulina en polvo puede ser de una cucharada sopera (15 g) en jugo de frutas para enmascarar su sabor. En dietas de adelgazamiento se recomienda de 6-9 tabletas al día (0,5-1 hora antes de las comidas) (Álvarez y Bague, 2011). En un estudio realizado en Japón con ocho mujeres jóvenes, que habían estado limitando sus comidas para mantenerse delgadas, y mostraron anemia hipocrónica; tomaron 4 g de Espirulina después de la comida y en 30 días, el contenido de hemoglobina en sangre aumentó de 10,9 a 13,2 (± 21%), un nivel satisfactorio ya no considerado anémico (FAO, 2008). Dosis de 10 gramos de Espirulina al día trae una rápida recuperación de la desnutrición, especialmente en los lactantes (FAO, 2008).

9. Productos Comerciales a Base de Espirulina. La Espirulina se comercializa como suplemento nutricional o dietético y no como medicamento aunque algunas investigaciones han comprobado su valor terapéutico. Como complementos alimenticios se encuentran como comprimidos, cápsulas y en polvo. Los productos alimenticios comerciales de Espirulina son recomendados por la FAO como parte de la dieta normal en humanos, y para reforzar la dieta en niños y adolescentes. Debido a los efectos funcionales que ésta contiene; cada vez se introducen en el mercado nuevos productos autorizados como suplementos alimenticios. La composición de Espirulina comercial en polvo es 60% de proteínas, 20% de carbohidratos, 5% grasas, 7% minerales, y 3-6% de humedad, por lo que es un bajo en grasa, baja en calorías, libre de colesterol y fuente de proteína (FAO, 2008). La Espirulina platensis en polvo se utiliza como una tableta de alimentos de salud bajo la

marca "Linavina" y "Pirulamin" en Vietnam. Otro producto enlatado llamado "Lactogil" se utiliza para aumentar la secreción de leche en las madres que muestran una disminución de la lactancia (FAO, 2008). La Espirulina se ha incorporado en una gran variedad de productos como barras de granola, pastas, harinas de proteína, bebidas, galletas, preparación de alimentos fermentados como el queso, el yogur y el tofu. Además, los métodos de extracción podrían proporcionar un polvo de Espirulina decolorado (amarillo-blanco) que es inodoro y sin sabor, y por lo tanto adecuado para su uso generalizado (FAO, 2008). Actualmente se están realizando trabajos de investigación con la inclusión de Espirulina a nuevos productos, por ejemplo Barkallah et al., 2017, estudiaron el efecto de la fortificación del yogur con Espirulina sobre las características fisicoquímicas, texturales, capacidad antioxidante y propiedades sensoriales durante la fermentación y el almacenamiento. Estudiaron el efecto de la Espirulina en concentraciones de 0,25, 0,5, 0,75 y 1,0%, encontrando que la adición de 0,25% fue significativamente suficiente para acelerar el final de la fermentación (p<0,05) y conservar las propiedades texturales y la aceptabilidad sensorial del producto final. Los parámetros de color no presentaron diferencias significativas, lo que refleja la estabilidad del color propio de la Espirulina. Los autores concluyeron que la Espirulina en polvo se puede utilizar como ingrediente natural para el desarrollo de un nuevo yogurt con alta capacidad antioxidante y altas propiedades nutricionales.

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Dewi et al., (2016) citaron que la Espirulina en polvo se puede utilizar como materia prima

para la producción de un nuevo sabor “umami”, este es el nombre para la sensación del gusto producida por la combinación de glutamatos libres y aspartato, los que se encuentran comúnmente en los alimentos fermentados y envejecidos. Santos et al., (2016) estudiaron la utilización de la Espirulina en polvo como incorporación para alimentos en la población anciana. Debido que los ancianos son propensos a desarrollar deficiencias nutricionales de vitaminas, minerales y proteínas, así como la energía. La adición de la biomasa de Espirulina a los alimentos es de interés debido al contenido nutricional de la microalga. Los autores concluyeron que la adición de Espirulina en los alimentos fue bien aceptada por el público objetivo. Los productos con la biomasa de microalgas añadida pueden proporcionar energía, proteínas y además de contribuir a las necesidades nutricionales de la población de edad avanzada.

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Arthrospira (Spirulina)

platensis: Propiedades,

Usos y Perspectivas

Iván Alejandro Avila León

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Arthrospira (Spirulina) platensis: Propiedades, Usos y Perspectivas.

Iván Alejandro Avila León Microbiólogo Industrial, MSc en Tecnología Bioquímico-Farmacéutica, Doctor en Tecnología Bioquímico-Farmacéutica, Profesor Asistente, Facultad de Ingeniería Ambiental, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. Resumen. El rápido aumento de la población y su consecuente consumo de los recursos naturales, junto con el voluble accionar político, generan incertidumbres sobre la sostenibilidad alimentaria mundial. Dentro de las alternativas se encuentra Arthrospira (Spirulina), una

cianobacteria comestible que tiene hasta el 70% de proteína en su composición. Sus características especiales y simples de cultivo, además de otras propiedades en la biomasa, le otorgan una destacada posición entre los microorganismos fotosintéticos. En este capítulo se relatan sus propiedades y sus usos, los aspectos considerados relevantes para su producción y algunas perspectivas para su cultivo. Palabras Claves: Arthrospira (Spirulina) platensis, proteínas, fotobiorreactores, urea,

dióxido de carbono. Abstract. The rapid increase in population, the consumption of natural resources, as well as the erratic political action, they all generate uncertainties about global food sustainability. Among the alternatives, there is Arthrospira (Spirulina), an edible cyanobacterium that has

up to 70 per cent of protein in its composition. Its special and simple characteristics of cultivation, in addition to other properties in its biomass, give to the cyanobacterium an outstanding position within photosynthetic microorganisms. This chapter describes the Arthrospira properties and uses, some relevant aspects to their production and some prospects for their cultivation. Keywords: Arthrospira (Spirulina) platensis, proteins, photobioreactors, urea, carbon

dioxide.

1. Características Generales y Antecedentes Históricos. Arthrospira sp. comúnmente llamada Spirulina, es un microorganismo fotosintético

primitivo originado hace 3.500 millones de años. Crece vigorosamente en ambientes con altas temperaturas, condiciones alcalinas y en medios líquidos (aguas continentales y marinas) con concentraciones de sal óptimas entre 20-70 g L-1 (Habib et al., 2008). Taxonómicamente está catalogado en el Dominio Prokaryota, Reino Eubacteria, Filo Cyanobacteria, Clase Cyanophyceae, Orden Oscillatoriales y Género Arthrospira (Guiry y Guiry, 2017). Las especies más estudiadas son A. platensis y A maxima, las cuales

suelen crecer en cuerpos de agua tropicales y subtropicales con altos niveles de bicarbonato y carbonato a pH máximo de 10. Se ha observado que A. platensis es una especie ampliamente distribuida en África, Asia y América del Sur, mientras que A. maxima parece estar apenas localizada en América Central (Tomaselli, 2002).

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Esta cianobacteria posee filamentos con longitud entre 50 y 500 mm y un ancho de 3-4 mm (Habib et al., 2008). La principal característica del género son sus tricomas

(filamentos) cilíndricos multicelulares en forma de hélice (Figura 1. (A)), aunque factores medioambientales como la temperatura pueden cambiar su geometría helicoidal y mudar en forma reversible a una espiralada. Igualmente, la radiación UV o la exposición a ciertos químicos causan alteraciones irreversibles y los filamentos se vuelven lineares. Los tricomas presentan movilidad y sus células se dividen por fisión binaria. Su reproducción ocurre por la ruptura transcelular de los tricomas: al destruirse una célula intercalar especializada llamada necridio, el filamento se quiebra y los segmentos más cortos

generan un nuevo organismo (Tomaselli, 2002). Estos fragmentos son llamados

Figura 1. (A) Figura 1. (B)

Figura 1. (C) Figura 1. (D)

Figura 1. (A): Arthrospira (Spirulina) platensis. Fuente: El autor. Figura 1. (B): Impulsor de paletas utilizado en cultivos de Arthrospira. Fuente: FarmerOnMars. Figura 1. (C): Estanques abiertos de Earthrise Nutritionals. Fuente: Pacific Northwest National Laboratory. Figura 1. (D): Fotobiorreactores tubulares. Fuente: IGV Biotech.

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hormogonios y difieren de los tricomas maduros por la falta de movilidad, tamaño celular

reducido y morfología diferenciada (Ciferri, 1983). Existen reportes del consumo de la biomasa seca de Arthrospira sp. por la población azteca residente en las proximidades del Lago Texcoco, en la época de la colonización española (Siglo XVI). Tenochtitlán poseía plazas y mercados donde la biomasa del microorganismo se vendía con el nombre de Tecuitlatl. La biomasa era recogida con ayuda de una malla de tejido y secada al sol en la superficie de las piedras antes de ser consumida (Lacaz-Ruiz, 2003). En África los pueblos de Kanembu, que viven a lo largo de las costas de los Lagos Chad y Kossorom (República del Chad), se alimentan de Arthrospira hasta hoy. La biomasa se recoge del lago en macetas de barro y se extiende

sobre piedras y esteras al sol; la torta de biomasa resultante es vendida por las mujeres en los mercados locales con el nombre de Dihé (Paniagua-Michel et al., 1993).

En 1963, el Institut Français del Pétrole (IFP) inició estudios con Arthrospira sp. en medio

sintético, a partir de las observaciones hechas en pueblos africanos por Dangeard en 1940 sobre el consumo de esta cianobacteria; con estudios posteriores se concluyó que ese microorganismo no era tóxico, poseía un crecimiento más rápido si se comparaba al de las plantas superiores y su biomasa contenía altos contenidos de proteína (Lacaz-Ruiz, 2003). De hecho se confirmó la excelente calidad de su proteína al contener concentraciones balanceadas de aminoácidos esenciales, lo cual potenció la investigación de su cultivo con fines comerciales (Habib et al., 2008).

El cultivo comercial a gran escala de microalgas inició alrededor de 1960 en Japón con la producción de Chlorella (Tsukada et al., 1977). Posteriormente en 1970, gracias a su facilidad de cultivo y recogida, comenzó a comercializarse Arthrospira en México por Sosa

Texcoco S.A en el Lago Texcoco (Durand-Chastel, 1980), de donde extraían soda cáustica. El éxito de la planta mexicana promovió iniciativas para el cultivo de Arthrospira

en estanques con impulsores de paletas para agitación del líquido, como la compañía japonesa Dainippon Ink and Chemicals (DIC) a finales de 1970 en Tailandia. En la década de 1980 en Estados Unidos se crearon Earthrise Nutritionals en California y Cyanotech Corporation en Hawai, mientras que en India se comenzó a producir comercialmente a

partir de 1990 (Slocombe y Benemann, 2016). Según Borowitzka (1999), de menos de 30 toneladas en 1975, la producción global de Arthrospira sp. Aumentó a más de 2.500 toneladas en 1998. Del mismo modo en el año 2000, el valor comercial local del dihé cosechado en el Lago Kossorom en Chad (alrededor de 40 toneladas) ascendió a más de 100.000 dólares, lo que representó una importante contribución a la economía de la zona (Habib et al., 2008). A mediados de la década del 2000, China se convirtió en el mayor productor de Arthrospira con aproximadamente tres cuartas partes del comercio mundial (Slocombe y Benemann, 2016). En 2005 la empresa DIC adquirió la totalidad de Earthrise Nutritionals y para 2008, la denominada DIC Corporation, con centros de producción en California (EEUU) y Hainan (China) produjo cerca de 900 toneladas anuales (DIC Corporation, 2017); este conglomerado, junto con Cyanotech Corporation (EEUU) y Siam Algae Company (Tailandia) produjeron alrededor de 1.300 toneladas de Arthrospira en 2008 (Vardaka et al., 2016). Norsker et al., (2011) estimaron la producción de Arthrospira en 5.000 toneladas anuales de biomasa seca para el año 2012, con un valor de 40 millones de dólares.

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En Latinoamérica la empresa Sosa Texcoco fue liquidada en 1995. Hubo intentos de

recuperar la producción mexicana en la década del 2000, pero el crecimiento desenfrenado de la urbe y la contaminación del Lago Texcoco frenaron las expectativas (AEH, 2015). Los mismos inversores se trasladaron al Norte de Chile en 2004 y crearon una planta en la Pampa del Tamarugal (Desierto de Atacama), en donde producen entre 15-25 toneladas anuales de Arthrospira, comercializada en cápsulas y en polvo bajo la marca “Spirulina Mater” a nivel local e internacional (Revista-Aqua, 2016).

2. Propiedades, Usos y Beneficios. Se ha demostrado que la composición bioquímica de la biomasa varía como respuesta a la salinidad del medio de cultivo. Sin embargo, la composición promedio de polvo comercial de Arthrospira es: 60% proteína, 20% carbohidratos, 5% grasas, 7% minerales, 3-6% de humedad y ausencia de colesterol (Habib et al., 2008). A continuación se hará una revisión más detallada de la composición bioquímica de Arthrospira.

Proteínas.

Las proteínas pueden representar hasta el 74% de la masa seca de Arthrospira, valor que varía entre especies y por condiciones específicas de crecimiento (Cohen, 2002). Según Dillon et al., (1995), hasta el 47% de la proteína presente equivale a aminoácidos

esenciales, con presencia inclusive de metionina (Tabla 1), un aminoácido ausente en la mayoría de las cianobacterias y microalgas. Con respecto a las plantas que son más usadas como fuente proteica, su proporción es mayor cuando se compara con la soya (35%), el maní (25%) y otras leguminosas (8-10%) (Habib et al., 2008).

Tabla 1. Composición de aminoácidos en la biomasa de Arthrospira.

Aminoácido esencial mg 100 g-1 Aminoácido no esencial mg 100 g-1

Histidina 1000

Alanina 4590

Isoleucina 3500

Arginina 4310

Leucina 5380 Ácido aspártico 5990

Lisina 2960

Cistina 590

Metionina 1170

Ácido glutámico 9130

Fenilalanina 2750

Glicina 3130

Treonina 2860

Prolina 2380

Triptófano 1090

Serina 2760

Valina 3940 Tirosina 2500

Fuente: Gutiérrez-Salmeán et al., (2015)

Uno de los valores agregados que posee Arthrospira como fuente de proteínas es su biomasa fácilmente digerible, debido a la ausencia de celulosa en las paredes celulares (compuesta de peptidoglicano como en las bacterias), a diferencia de las microalgas usadas para nutrición (Chlorella, Scenedesmus, etc.) (Habib et al., 2008). Gutiérrez-

Salmeán et al., (2015) enfatizan que existen otras características notables para usarla en alimentación (Tabla 2), tal como su valor biológico, una medida del nitrógeno que el cuerpo retiene en relación al nitrógeno total absorbido. Otro valor es el uso neto de la proteína, un cálculo del porcentaje de nitrógeno ingerido que permanece en el organismo; finalmente se encuentra la tasa de eficiencia proteica, la cual indica el aumento de peso por unidad de proteína ingerida, en experimentos de nutrición animal. Todo esto

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demuestra que la biomasa de Arthrospira no sólo es una buena fuente de proteínas por su

alto contenido y su composición, sino que se utiliza de una manera más eficiente al ser ingerida, lo cual refuerza su uso como suplemento alimenticio para humanos y animales. Del mismo modo, entre las proteinas más abundantes en Arthrospira están las

ficocianinas, biliproteinas involucradas en las reacciones quimicas de la fotosíntesis y que funcionan como reservas de nitrógeno (Ciferri, 1983). Existen dos biliproteinas: aloficocianina y C-ficocianina, esta última pudiendo representar hasta el 20% de la fracción proteica. Es un pigmento azul soluble en agua y ampliamente utilizado en productos alimenticios, aunque podría ser usado en la industria farmacéutica y cosmética, para reemplazar pigmentos sintéticos bajo sospecha de ser cancerígenos (Cohen, 2002). Las ficobiliproteínas también son utilizadas en ensayos inmunológicos, de microscopía y citometría, puesto que son fluorescentes y pueden ser almacenadas en temperaturas entre 4-10°C. Además, son fáciles de anexar a anticuerpos y otras proteínas mediante técnicas convencionales de laboratorio, tienen altos coeficientes de absorbancia, emisión y considerable foto-estabilidad (Walter et al., 2011).

El mercado de ficocianina comercializa entre 5-10 millones de dólares anuales. Su valor comercial depende de su pureza: la C-ficocianina de tipo alimenticio cuesta alrededor de 0,13 US$ mg-1, el grado reactivo entre 1-5 US$ mg-1 y el grado analítico podría costar hasta 15 US$ mg-1 (Rybner, 2016). La empresa DIC produce ficocianina extraída de Arthrospira, bajo el nombre comercial “Linablue” para productos alimenticios; también

comercializa un pigmento liposoluble, extraído con un solvente orgánico, usado en la industria cosmética por no causar irritabilidad en la piel (Cohen, 2002). Tabla 2. Características nutricionales de la proteína de Arthrospira.

Característica Arthrospira Caseína (proteína

de referencia) Porcentaje de la referencia (%)

Valor Biológico 75 87 86,2 Uso neto de la proteína 62 83 74,7 Tasa de eficiencia proteica

1,9 2,5 76

Digestibilidad 85 95 89,5

Fuente: Ciferri (1983)

Pigmentos y Vitaminas. La biomasa de Arthrospira tiene un relativamente alto contenido de vitamina B12

(cianocobalamina) (hasta 11 µg g-1 de masa seca); de gran importancia pues ésta vitamina está presente solamente en alimentos de origen animal, por lo que Arthrospira

puede considerarse como una buena fuente de la vitamina para los vegetarianos y veganos (Gutiérrez-Salmeán et al., 2015). También es buena fuente de vitamina E,

clorofila y β-caroteno, los cuales promueven el metabolismo de carbohidratos, grasas y proteínas por otro lado favorecen la regeneración de la piel y de los músculos, sin mencionar que el β-caroteno es convertido en vitamina A luego de ser ingerido (Habib et al., 2008). Entre los carotenoides presentes en la biomasa de Arthrospira se encuentran:

β-caroteno (49,6-319,5 µg g-1), luteína (0,06-17,21 µg g-1), astaxantina (6,61-160,27 µg g-

1), zeaxantina (1,25-18,55 µg g-1) y criptoxantina (1,41-20,13 µg g-1); estos carotenoides cumplen su rol como antioxidantes lipofílicos, protegen los organelos celulares del daño causado por singletes de oxígeno (El-Baky et al., 2002) y se cree que poseen propiedades como agentes anticancerígenos (Gutiérrez-Salmeán et al., 2015).

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Debido a la composición de los pigmentos, la biomasa de Arthrospira se ha usado como

ingrediente en la alimentación de peces ornamentales como el pez dorado y la carpa roja, bien como en el cultivo de peces como tilapia (Cohen, 2002). Del mismo modo se reportan estudios con codornices alimentadas con Arthrospira, en donde observaron un

aumento en el color de los huevos junto con un aumento en sus niveles nutricionales (Ross et al., 1994). Lípidos y Ácidos Grasos. Típicamente las cianobacterias son generalmente pobres en lípidos: la biomasa de Arthrospira contiene una fracción lipídica aproximada entre 6 - 13%, de los cuales la mitad

corresponden a ácidos grasos (Cohen, 2002). La mayoría son ácidos grasos poliinsaturados (considerados esenciales para los humanos) y podrían representar entre el 25-65% de los lípidos totales (Habib et al., 2008). Aunque existe una gran diferencia entre las proporciones de ácidos grasos entre las diversas cepas de Arthrospira, el ácido palmítico (C16:0) es el más consistente en proporción (44,6-54,1%) (Cohen, 2002); por otro lado, los ácidos grasos con diez y ocho átomos de carbono (C18) presentan variaciones en sus porcentajes: el ácido oléico (C18:1n-9) está entre 1-15,5%, el ácido linoleico (C18:2n-6) entre 10,8-30,7% y el g-linolénico (C18:3n-3) puede estar entre 8-32% (los valores corresponden al porcentaje del total de lípidos) (Cohen, 2002; Habib et al., 2008). El ácido g-linolénico tiene un alto porcentaje en la biomasa, lo cual es interesante debido a su baja disponibilidad en la dieta cotidiana y a su importante papel como precursor de mediadores en procesos inflamatorios e inmunológicos (Gutiérrez-Salmeán et al., 2015). Cohen (2002) reporta que este ácido graso reduce el colesterol de baja densidad en pacientes hipercolesterolémicos, ha sido usado para el tratamiento de la dermatitis atópica y se cree que tiene efectos positivos en enfermedades coronarias y del sistema nervioso como esclerosis múltiple. Otros Componentes de la Biomasa. Ácidos nucleicos: El contenido de ácidos nucleicos en la biomasa de Arthrospira está

entre 4-6%. Son valores mucho menores que otros tipos de proteínas unicelulares como Chlorella y/o levaduras usadas para tal fin; la Organización Mundial de la Salud recomienda valores de ingesta diarios menores a 4 g (80 g de biomasa seca de Arthrospira, Gutiérrez-Salmeán et al., 2015), por lo que su uso como suplemento

alimenticio es compatible con las recomendaciones de la OMS. Carbohidratos: La biomasa de Arthrospira contiene carbohidratos compuestos

principalmente por polímeros ramificados de glucosa, los cuales equivalen entre 15-20% del peso seco. También se reporta que A. platensis excreta polisacáridos conformados por seis azúcares neutros, principalmente galactosa, glucosa y xilosa, aunque existen niveles traza de fructosa, manosa y ramnosa (Cohen, 2002). Se ha observado que estos polisacáridos son útiles para la remoción de metales pesados debido a su capacidad de adsorción (Olguín et al., 2001).

Minerales: Se documentan contenidos de hierro en la biomasa de Arthrospira entre 580-1800 mg kg-1, los cuales son considerablemente altos si se comparan con los cereales que son la mayor fuente de este elemento (150-250 mg kg-1). De igual manera posee contenidos de calcio y fósforo comparables con la leche y su proporción reduce el riesgo

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de descalcificación de los huesos. Además, a diferencia de las plantas, no presenta ftalatos y/u oxalatos que podrían quelar los iones de calcio y hierro además de reducir su biodisponibilidad (Gutiérrez-Salmeán et al., 2015). Del mismo modo se reporta la

presencia de minerales como magnesio, manganeso, potasio, zinc y selenio en Arthrospira (Wu y Ho, 2002).

3. Cultivo y Producción.

El cultivo a gran escala de microorganismos fotosintéticos se basa en el mismo concepto que la agricultura tradicional: usar la maquinaria fotosintética para producir biomasa como alimentación, como fuente de energía o de diversos productos químicos (Vonshak, 2002b). La ventaja de los microorganismos fotosintéticos frente a las plantas radica en sus tiempos cortos de reproducción en condiciones óptimas, no requieren grandes áreas para su cultivo, son de fácil recolección y pueden utilizar fuentes orgánicas e inorgánicas de carbono. En ese sentido, Arthrospira se desarrolla en medios con fuentes minerales de

carbono (carbonatos y bicarbonatos), fósforo y nitrógeno (normalmente nitratos). Crece bien en temperaturas entre 30-35°C y utiliza entre 20-30 klx de intensidad luminosa para su desarrollo; al ser alcalófilo crece en valores de pH entre 8-11 y en medios acuáticos con concentraciones salinas entre 30-270 g L-1 (Ciferri, 1983). Existen ocho factores ambientales que influencian la productividad de la biomasa de Arthrospira: luminosidad y fotoperiodo, temperatura, concentración del inóculo, agitación, sólidos suspendidos, la calidad del agua utilizada y la presencia de macronutrientes (C, N, P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca) y micronutrientes (Fe, Zn, Cu, Ni, Co, Se) (Ciferri, 1983; Habib et al., 2008). Estos factores son críticos para obtener altas productividades volumétricas,

para reducir el tamaño del sistema de cultivo y así disminuir los costos de producción y de downstream (separación, extracción, purificación). También existen otros parámetros

inherentes al escalado de los bioprocesos microbianos, los cuales deben ser optimizados teniendo en cuenta que no pueden ser controlados independientemente, sino que están estrechamente relacionados: transferencia de masa, homogeneidad, agitación y estrés hidrodinámico (Barbosa, 2003). A continuación se tratarán algunos de los factores más importantes en el cultivo de Arthrospira.

Iluminación. Para el cultivo de microorganismos fotosintéticos como Arthrospira el régimen de exposición a la luz es de suma importancia, puesto que la energía luminosa se torna el sustrato limitante al no poder ser homogeneizada ni almacenada dentro del biorreactor (Barbosa, 2003). En la fotosíntesis, la luz visible entre 380-750 nm contiene energía suficiente para generar cambios químicos en las moléculas que la absorben, como clorofilas, fico proteínas y carotenoides; por esto es importante que las características de la luz, especialmente la densidad de fotones o la intensidad de la luz, la duración de la exposición y la longitud de onda sean las adecuadas para los diversos microorganismos fotosintéticos. Un exceso de luz podría causar muerte celular por foto-oxidación y fotoinhibición, mientras que una baja intensidad luminosa se convierte en el sustrato limitante para el crecimiento (Carvalho et al., 2011). De acuerdo con Vonshak (2002b), para A. platensis cultivada en laboratorio, la saturación sucede entre 150-200 μmol m-2 s-1,

lo que equivale entre 10-15% del total de la radiación solar en el espectro de luz visible; sin embargo se evidencian reportes de tolerancia a valores hasta de 5000 μmol m-2 s-1

111

usando fuentes artificiales de luz como diodos de emisión de luz (LED) (Carvalho et al.,

2011). En la Figura 1. (B) se puede observar cómo la fotosíntesis y en consecuencia el crecimiento celular depende de la cantidad de fotones suministrados al sistema. Se distinguen principalmente tres áreas: en la primera (A) todo el flujo de fotones está siendo asimilado en la fotosíntesis, así que la tasa fotosintética aumenta conforme aumenta la intensidad luminosa; esta región está delimitada por la intensidad de compensación (Ic) (el punto en que las células comienzan a crecer) y el punto de saturación (Is). La región B es el área de saturación, en donde la capacidad de la maquinaria fotosintética llega a su máximo nivel de absorción y exceso de fotones que reciben los microorganismos que se disipan como calor o fluorescencia. En la última región (C) la intensidad de luz es tanta que ocurre la foto-inhibición (Ih): se destruyen los fotosistemas, se reduce el crecimiento y finalmente ocurre la muerte celular (Carvalho et al., 2011). También es importante tener presente que en los fotobiorreactores para cultivo de microorganismos fotosintéticos ocurre un ciclo luz/oscuridad, causado principalmente por el sombreamiento al ocurrir altas densidades celulares (Vonshak, 2002b). Este ciclo lo determina el tiempo de desplazamiento de las células por las áreas iluminadas y oscuras de los reactores o tanques de cultivo, influenciado por la velocidad y el tipo de agitación del sistema (Carvalho et al., 2011). En consecuencia la eficiencia de absorción de la luz

es uno de los factores más importantes a tener en cuenta en el diseño y montaje de los biorreactores (Barbosa, 2003), para favorecer una menor distancia de desplazamiento del rayo de luz hacia el interior del biorreactor y evitar también zonas oscuras. Con respecto a la temperatura, se ha demostrado que ésta tiene efecto en la captación de la luz por parte del microorganismo. En cultivos abiertos temperaturas relativamente bajas en las mañanas, junto con un rápido aumento en la intensidad luminosa durante el día, pueden causar foto-inhibición. Esto es importante tenerlo en cuenta para cultivos en exteriores, puesto que si se encuentra algún tipo de inducción de estrés foto-inhibitorio en las mañanas, así aumente la temperatura a valores óptimos al pasar el día, habrá una menor productividad celular neta diaria; además, inclusive en regiones tropicales, donde la temperatura óptima aparece con facilidad, en las primeras horas de la mañana la temperatura será más baja que la óptima (Vonshak, 2002a). Agitación. La agitación es necesaria para lograr homogeneidad en el cultivo, para eliminar el calor producido por el metabolismo y para hacer más eficiente la transferencia de masa y luz; su importancia aumenta cuando se escala el cultivo y la forma de agitación debe ser considerada con el tipo de reactor o tanque utilizado. Se ha determinado que, para algunos microorganismos fotosintéticos, la velocidad de crecimiento aumenta al aumentar la turbulencia, probablemente por una mejora en el suministro de dióxido de carbono y luz. Sin embargo, una agitación exagerada permite el cizallamiento de las células, impidiendo el crecimiento y causando la muerte celular. De hecho, es posible explicar las bajas productividades en los cultivos de microorganismos fotosintéticos al valorar su sensibilidad al cizallamiento causado por la agitación (Barbosa, 2003). La sensibilidad al estrés hidrodinámico depende de la especie y se ha reportado que Arthrospira es

especialmente sensible, debido a su morfología y a la composición de la pared celular (Sobczuk et al., 2006).

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Los métodos de agitación dependen del sistema de cultivo (se profundizarán más adelante). Es importante destacar que el patrón del fluido de cultivo es determinante para la productividad del sistema: mayores aumentos en la biomasa se han observado con un patrón de tipo turbulento que con un flujo laminar (Torzillo, 2002). Los reactores tubulares usan bombas peristálticas y de membrana para recirculación del cultivo (Torzillo, 2002), también inyección de aire y los de tipo vertical aprovechan la gravedad para hacer fluir el cultivo, pero requieren grandes espacios e infraestructura para su instalación. Los biorreactores en columna y tipo airlift también adicionan burbujas de aire para agitar el

medio y han demostrado tener buenas productividades en cultivos de microalgas (Sobczuk et al., 2006), aunque se ha comprobado que estos reactores favorecen zonas

oscuras y la ruptura de las burbujas causa un estrés hidrodinámico sobre las células (Barbosa, 2003). Los biorreactores en columna también pueden ser mezclados radialmente con turbinas, como de tipo Rushton, para disminuir el tiempo de retención de las células en las zonas oscuras. Aunque se señala que la agitación mecánica es agresiva para los microorganismos fotosintéticos (Sobczuk et al., 2006), experimentalmente se ha

logrado obtener buenas concentraciones de biomasa y de proteínas (más de 70% de la biomasa seca) de Arthrospira utilizando ese tipo de turbinas, empleando revoluciones de 150 rpm (Sassano et al., 2007; Avila-León et al., 2012).

También se han realizado experimentos con agitación mixta para aumentar la producción de biomasa, enfocados en la mejora de la captación de la luz (Sobczuk et al., 2006). Se

emplearon fotobiorreactores profundos con aireación y agitación mecánica con turbinas para favorecer la mezcla del cultivo; sin embargo se determinó que un exceso de agitación mecánica ocasiona mayor daño en las células, puesto que reduce el tamaño de las burbujas de gas y éstas al romperse en la superficie del medio de cultivo causan un mayor impacto en los microorganismos, al tener mayor superficie de contacto. En el caso de estanques abiertos, todos los utilizados comercialmente son mezclados con impulsores de paletas (Figura 1. (C)), con diversos diseños: ruedas con 2 metros de diámetro y una baja revolución (10 rpm) o ruedas pequeñas con diámetro de 0,7 metros y dos a tres veces más velocidad. Una de las dificultades de las ruedas con paletas es que no generan suficiente turbulencia para una óptima eficiencia fotosintética en todo el biorreactor, aunque con la adición de láminas en las paletas, en un diseño similar a las alas de los aviones, se favorece la creación de vórtices que mejoran la mezcla (Vonshak, 2002a). Tipos de Fotobiorreactores. En un fotobiorreactor ideal se debe suministrar la mayor cantidad de luz posible y esparcirla sobre una superficie para aumentar la eficiencia fotosintética del sistema. Esta área de fotosíntesis debe ser una zona del biorreactor amplia y bien iluminada para brindarle una superficie de absorción a las células. De modo que es clave de la trayectoria que atraviesa la luz sea corta y que se trabaje con altas densidades celulares, para exponer a las células, individualmente, a densidades de luz bajas y ciclos luz/oscuridad con alta frecuencia (Barbosa, 2003). En los sistemas de cultivo mencionados anteriormente se tiene en cuenta el área de fotosíntesis y por lo tanto se trabajan con pocas profundidades. A continuación se describirán con mayor detalle los tipos de sistemas más empleados.

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Estanques abiertos: Los estanques utilizados actualmente para la producción a gran escala de Arthrospira varían en tamaño (Figura 1. (D)), desde 2000-5000 m2 y con

capacidades entre 400-1000 m3 de cultivo, dependiendo de la profundidad del estanque. La profundidad depende de diversos factores como el lugar y la época de cultivo (en zonas no tropicales), la densidad celular deseada y en cierta medida la composición bioquímica deseada de la biomasa; los valores van entre 15-40 cm (Belay, 2007) y es una característica importante a ser tenida en cuenta para evitar zonas oscuras. Para cultivos abiertos de Arthrospira en regiones tropicales, el factor limitante para el

crecimiento es la luz, lo que puede evidenciarse al observar que la mayor concentración de oxígeno se produce cuando la intensidad luminosa es la máxima. Sin embargo, en épocas del año frías la mayor producción de oxígeno ocurre cuando los estanques tienen mayor temperatura, siendo éste el factor limitante. No obstante es importante destacar, como se hizo anteriormente, que la intensidad luminosa y la temperatura no son factores que afectan por separado la productividad de la biomasa; además se debe tener en cuenta que los estanques abiertos enfrentan fluctuaciones diarias, estacionales de temperatura y luminosidad, lo cual afecta la productividad (Vonshak, 2002a). Las cianobacterias en general resisten ambientes con altos valores de pH y concentraciones de amonio relativamente altas, lo que significa que el cultivo de A. platensis en tales condiciones reduce las posibilidades de contaminación (Markou y

Georgakakis, 2011). Sin embargo, los cultivos completamente exentos de contaminación son casi imposibles de desarrollar. Algunas bacterias Gram negativas se adhieren a los tricomas de la cianobacteria, logran resistir las condiciones ambientales adversas y pueden representar hasta el 1% de la biomasa en cultivo abierto (Ciferri, 1983). Biorreactores tubulares: Los fotobiorreactores tubulares (Figura 1D) son catalogados como la próxima generación de sistemas de cultivo cerrados. Estos sistemas permiten una iluminación más efectiva por una mejor relación superficie: volumen, menor pérdida de gas y en consecuencia logran mejor conversión de luz y dióxido de carbono a biomasa; su esterilización es fácil, se puede evitar contaminación durante el bioproceso y el monitoreo y control de los parámetros operacionales son mucho más fáciles que en los estanques abiertos (Torzillo, 2002). Además evitan la evaporación del agua y de amoniaco, lo cual reduce costos de operación (Matsudo, 2010).

La selección del diámetro del tubo es un importante aspecto para optimizar la configuración del fotobiorreactor, pues afecta el aprovechamiento de la luz, la concentración celular en que se puede operar y en consecuencia el costo de recuperación; asimismo son afectadas la temperatura y la homogeneidad del cultivo. Finalmente, la concentración de oxígeno disuelto y la capacidad de almacenamiento de dióxido de carbono también son influenciadas por el diámetro del tubo. Existen evidencias que la concentración de oxígeno por encima de 30 mg L-1 en el medio puede influenciar negativamente el crecimiento de A. platensis y la producción de proteínas. Así, el tiempo

de circulación del líquido y la longitud del tubo deben evitar la formación de gradientes de gas; además es importante tener en cuenta que los cultivos de Arthrospira con

concentraciones celulares altas (por encima de 4 g L-1) se comportan como fluidos no Newtonianos, por lo cual su mezclado con inyección de aire puede enfrentar obstáculos. En biorreactores a escala industrial para el cultivo de Arthrospira son adecuados

diámetros internos de 2,6-3,0 cm y con un tiempo de circulación aproximado de 6 min (Torzillo, 2002).

114

Biorreactores tipo flat-panel: Los reactores de este tipo son mucho más costosos por lo tanto son escasamente utilizados para el cultivo de Arthrospira. Cobran relevancia en la

producción de biomoléculas especializadas o de biomasa para fines específicos, es decir cuando en el bioproducto importa más la calidad que la cantidad; estos biorreactores presentan altas productividades volumétricas y baja contaminación que permiten un estricto control de los parámetros de crecimiento (Tredici y Zittelli, 2002).

4. Perspectivas.

Medios con Urea Como Fuente de Nitrógeno. Se ha documentado ampliamente que microorganismos fotosintéticos son eficaces en el tratamiento terciario de aguas residuales, para la remoción de nitrógeno y fósforo en paralelo con la producción de biomasa con valor agregado (Laliberté et al., 2002). En ese

contexto, diversos experimentos comprueban la eficacia de la urea como fuente nitrogenada en el cultivo de A. platensis (Danesi et al., 2002; Rangel-Yagui et al., 2004; Matsudo et al., 2009), buscando fuentes económicas de nutrientes. Los experimentos se

han realizado en fotobiorreactores tubulares y tanques abiertos a escala de laboratorio (3-3,5 L en ambos casos), con alimentación discontinua y discontinua alimentada a partir de esto se han obtenido valores similares en productividad celular diaria y concentración máxima que en los cultivos tradicionales con nitrato de sodio. Del mismo modo, experimentos continuos en biorreactores tubulares (Matsudo, 2010), con una tasa de dilución de 0,8 dia-1 y una concentración de urea de 3,2 mmol L-1, obtuvo una concentración de proteínas máxima de 57% y una concentración celular máxima de 2446 mg L-1. Similarmente se realizaron experimentos continuos en reactores tipo columna con volumen de 10 L agitados mecánicamente (Avila-León, 2012). Se evaluaron dos concentraciones de urea (0,5-5 mmol L-1) y varias tasas de dilución (0,04–0,44 día-1). En estado estacionario la mayor concentración celular obtenida fue menor que lo reportado por Matsudo (2010). Sin embargo, los valores de proteínas en la biomasa seca llegaron al 71%, un valor considerablemente alto de acuerdo a la literatura (50-60%) (Vonshak, 2002a); también se reportó una remoción de nitrógeno de hasta 99%, lo que fortalece su uso para el tratamiento de aguas residuales; finalmente se destaca que la tasa de dilución en que se obtuvo el 71% de proteínas generó considerables volúmenes de biomasa diarios, permitiendo la producción rápida de una biomasa con valor agregado usando un residuo como la urea. Uso de Dióxido de Carbono Producido en Fermentación Alcohólica. Investigadores de la Universidade de Sao Paulo (Brasil) acoplado la producción de etanol a partir de melaza de caña y el cultivo de A. platensis en escala de laboratorio, utilizando

diferentes fuentes de nitrógeno y dos tipos de fotobiorreactores: tanques abiertos y biorreactores tubulares. En todos los experimentos la inyección del dióxido de carbono estaba acoplada a un pH-metro y a una válvula solenoide, puesto que el gas tiene dos funciones: fuente de carbono para el microorganismo y para mantener el pH del cultivo en valores óptimos (Ferreira, 2011; Matsudo et al., 2012); en pH 9,6 el bicarbonato es la forma de carbono predominante, el cual es rápidamente absorbido en la fotosíntesis, además desarrolla un aumento en el pH, derivado de la acumulación de carbonato.

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Figura 2. Esquema del fotobiorreactor tubular diseñado por el Laboratorio de Tecnología de Fermentaciones (Universidade de Sao Paulo). Fuente: Modificado de Matsudo et al., (2011).

Matsudo et al., (2012) realizaron cultivos continuos de A. platensis en biorreactores tubulares, teniendo como variables la tasa de dilución y la procedencia del CO2 (de un cilindro comercial y de la fermentación alcohólica). El biorreactor (Figura 2), desarrollado por los mismos investigadores, está compuesto de tubos de vidrio transparente (1 m de longitud y 1 cm de diámetro interno) inclinados 1,15º y conectados con tubos PVC. El volumen efectivo de trabajo fueron 3,5 L y para la iluminación se usaron lámparas fluorescentes. La agitación del cultivo se realizó mediante dos métodos: con inyección de aire y con un agitador magnético en un frasco degasificador. El gas proveniente de la fermentación de la melaza se analizó por cromatografía gaseosa, determinando pequeñas proporciones de etanol y acetaldehído junto con el CO2; ácidos orgánicos volátiles, comúnmente presentes en el gas resultante de la fermentación alcohólica, no se encontraron en el medio de cultivo de A. platensis, posiblemente por la condensación

antes de ingresar al cultivo o por la asimilación por parte de la cianobacteria. En los experimentos con la mejor tasa de dilución (D=0,2 d-1), el dióxido de carbono del cilindro presentó valores ligeramente mayores en concentración celular máxima y en productividad celular (5,6-7,9% respectivamente) que en los experimentos con gas de la fermentación alcohólica. Experimentos en los mismos biorreactores tubulares, pero en procesos discontinuos con dos semanas de duración (Ferreira, 2011), también demostraron que no existe una

diferencia estadísticamente significativa en los valores de concentración celular máxima, productividad celular, lípidos y proteínas en la biomasa, para ambas fuentes de dióxido de carbono. Ésta pequeña variación confirmaría que los componentes traza del CO2 (ácidos orgánicos volátiles, etanol y/o acetaldehído) no interfieren en el crecimiento celular ni en la incorporación del gas, demostrando la factibilidad el uso del gas efluente de la fermentación como fuente de carbono sin ningún tipo de tratamiento previo. Los investigadores calcularon la concentración de dióxido de carbono requerido para alimentar el fotobiorreactor en su productividad máxima diaria (0,44 g L-1); determinaron la concentración necesaria de CO2 en 0,83 g L-1 por día en la mayor fase de crecimiento de la cianobacteria (día 9), el cual equivale al 80% del carbono presente en el medio de cultivo empleado. Como la producción de dióxido de carbono producido en las

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fermentaciones fue calculada entre 58-68 g L-1 luego de 7 h de fermentación, esto indica que es posible acoplar ambos bioprocesos y obtener altas productividades en biomasa de A platensis, disminuyendo el uso de sales carbonatadas.

Figura 3. Esquema de estanques con sistema de incorporación de dióxido de carbono. Fuente: Rodrigues (2011).

Otro experimento de inyección de CO2 de la fermentación alcohólica en cultivos de A platensis fue realizado en cultivos discontinuos en tanques abiertos, utilizando sales de

amonio y nitrato (Figura 3) (Rodrigues, 2011). El medio fue agitado por palas rotativas y se adicionó un sistema de mangueras de silicona alrededor del tanque por donde pasaba el cultivo usando una bomba sumergida; las mangueras entraban en contacto con el dióxido de carbono, en un tiempo que variaba de acuerdo a las condiciones del cultivo para disminuir el pH a 9,5. Como se mencionó anteriormente, la adición del gas fue vital no sólo como fuente de carbono al sistema sino también para mantener el pH en valores óptimos para captación del bicarbonato y de nitrógeno, puesto que cuanto más alcalino se torna el medio de cultivo el amonio disuelto se transforma en amoníaco que se volatiliza (Boussiba, 1989), permitiendo la pérdida de nitrógeno. Uno de los aspectos a destacar de estos experimentos es que, debido a la alta evaporación de gases en los estanques abiertos, el requerimiento de dióxido de carbono de los ensayos fue bastante alto: cuando se utilizaba el gas de la fermentación el tiempo de contacto alcanzó hasta 10 horas de forma continua; así mismo se destaca que la concentración de dióxido de carbono en el gas efluente era más baja que en el cilindro de gas. Del mismo modo se observó que hubo mayor concentración celular máxima en los cultivos con CO2 de la fermentación que en los que se usó CO2 del cilindro; posiblemente ocurrió por la transferencia de sustancias orgánicas en el gas efluente que podrían haber sido fuente de carbono orgánico, favoreciendo un crecimiento mixotrófico (ocurre metabolismo autotrófico y heterotrófico simultáneamente), lo que permite cultivos con altas velocidades de crecimiento (Bezerra, 2011). En todos los experimentos descritos la concentración de proteínas alcanzada no superó el 35% de la biomasa seca, sin embargo el acople de ambos bioprocesos, la fermentación alcohólica y el cultivo de A. platensis, son un engranaje de una potencial biorrefinería: la biomasa resultante puede ser utilizada para producción de biogás, que proporcionaría energía para la fermentación alcohólica; a su vez, el medio de cultivo de la cianobacteria puede ser tratado y reutilizado, como se verá a continuación. De esta manera se contribuye a una mejorar la sostenibilidad de la producción de etanol, pues se reducirían las emisiones de CO2 provenientes de ésta y también se obtendría biogás con una buena productividad a partir de la biomasa de la cianobacteria.

117

Reaprovechamiento del Medio. Los cultivos de Arthrospira requieren volúmenes considerables de agua; de hecho se

infiere un aumento del 10% en los costos operacionales para estos bioprocesos si no se emplean aguas residuales; además de esto, en zonas áridas o con poca precipitación la extracción de agua para el cultivo se torna ineficaz y costosa a menos que no tengan agua de mar disponible (Lundquist et al., 2010). Por ende la recirculación del medio se torna como una alternativa para reducir la huella hídrica del bioproceso, pues reduciría los costos asociados con nutrientes, evitaría la eutrofización de los cuerpos de agua y la salinización del suelo (Carvalho et al., 2010). El reúso del medio, o el empleo de aguas residuales para el cultivo de Arthrospira, es mucho más efectivo cuando la biomasa

resultante no requiere tener una alta calidad o productos de alto valor agregado (Loftus y Johnson, 2017). Algunos residuos como detritos celulares, compuestos orgánicos disueltos, pigmentos y otros microorganismos se mantienen luego de la separación de la biomasa; estos residuos favorecen la turbiedad del medio y dificultan la fotosíntesis (Loftus y Johnson, 2017). Para su remoción previa al reúso del medio de cultivo, Carvalho et al., (2010), de la Universidade de Sao Paulo (Brasil), han patentado un procedimiento eficaz para remover

la materia orgánica, empleando carbón activado en procesos discontinuos de tratamiento. A raíz de lo demostrado en la patente se efectuaron los siguientes experimentos relacionados con el tratamiento y posterior reutilización del medio de cultivo para A. platensis. Morocho-Jácome et al., (2016) estudiaron los efectos de la floculación junto con la adsorción para el tratamiento del medio Schlösser, luego de una semana de cultivo de A. platensis con urea como fuente de nitrógeno. Por medio de un experimento de superficie-respuesta, fueron evaluadas tres variables: concentraciones de carbón activado (adsorbente), de cloruro férrico (floculante) y diversos tiempos de contacto, para la remoción de materia orgánica y pigmentos; también evaluaron parámetros como la concentración celular máxima, contenido de clorofila-a y contenido de proteína en la biomasa seca, luego de inocular la cianobacteria en el medio tratado. Determinaron que el mejor tratamiento que maximizó la concentración celular fue con un tiempo de contacto de 30,4 min, 24,4 g L-1 de carbón activado y 20,3 mg L-1 de floculante; lograron una remoción de materia orgánica del 92,3% y de pigmentos del 95,3%. Al inocular A. platensis en el

medio tratado se obtuvo el doble de la concentración celular máxima que en el medio original. Con relación al porcentaje de proteínas, la biomasa en los cultivos con medio tratado fue de 36%, valor mayor que el obtenido con el medio sin inocular (26%). Cuando se compararon estos resultados con experimentos previos (Morocho-Jácome, 2014) empleando sulfato férrico como floculante, se obtuvieron valores similares de concentración celular máxima en el cultivo con medio tratado y con casi el doble de proteína (60%), aunque las concentraciones de floculante y carbón activado, así como el tiempo de contacto, fueron mayores. En otros experimentos, los mismos investigadores emplearon únicamente carbón activado granular y tiempo de contacto de dos horas, en un tratamiento continuo de medio Schlösser usado (Morocho-Jácome et al., 2015), del cual utilizaban proporciones para adicionar a cultivos continuos de A. platensis en biorreactores tubulares. El tratamiento

con la columna de carbón activado permitió remociones de materia orgánica hasta del 73,7% y de pigmentos hasta de 52,4%. Se demostró que 75% de medio tratado en el

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medio de alimentación no produce una disminución significativa de la productividad celular en los cultivos continuos de A. platensis; los resultados del cultivo, en términos de

concentración celular en estado estacionario, productividad celular diaria y el valor de proteínas (42%), fueron estadísticamente similares con el cultivo en medio fresco; en ese orden de ideas, con una reducción de 65% del costo del medio de cultivo, se puede afirmar que el reúso del medio de cultivo favorece la generación de productividades de biomasa con valores considerables de proteína a un menor costo que los cultivos con medio fresco. Uso del Efluente de la Producción de Biogás. Hultberg et al., (2017) utilizaron el efluente del proceso de biogás como fuente de nutrientes para el cultivo de A. platensis. El efluente se filtró con filtros de poliamida y se

adicionó un tampón carbonato a pH 9,2. Los experimentos se hicieron en invernaderos, usando volúmenes de 3 L y con 6% de efluente en el medio; el efluente se añadió de manera escalonada para permitir la transmisión de luz durante el crecimiento. Se observó una producción igual de biomasa hasta el final de la fase exponencial y no se evidenciaron diferencias significativas entre los tratamientos en la cantidad de proteína (60,5-63,3% para el medio original y medio con efluente respectivamente); la composición de aminoácidos y concentración total de lípidos también fue similar para ambos medios de cultivo. Los resultados anteriores refuerzan la integración la producción de Arthrospira con

una planta de biogás. Este es un escenario interesante pues podría aportar estabilidad económica en zonas pobres, al desarrollar plantas de biogás de bajo costo integradas con cultivos a pequeña escala de la cianobacteria. No obstante, el estudio demuestra que la concentración de metales pesados en el efluente de biogás es un parámetro importante para controlar.

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Desarrollo y Adaptación de

Tecnologías de Producción

de Biomasa de Microalgas

Yineth Piñeros Castro

Javier Camilo Martínez Alvarado

Andrés Felipe Suárez Escobar

Laura Rosa Conde Rivera

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Desarrollo y Adaptación de Tecnologías de Producción de Biomasa de Microalgas.

Yineth Piñeros Castro1, Javier Camilo Martínez Alvarado2, Andrés Felipe Suárez

Escobar3, Laura Rosa Conde Rivera4

1. Ingeniera Química, MSc en Ingeniería Química, Doctora en Ingeniería Química, Departamento de Ingeniería, Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería, Universidad Jorge Tadeo Lozano, Bogotá. 2. Ingeniero Químico, MSc en Ingeniería Bioquímica. Departamento de Ingeniería, Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería, Universidad Jorge Tadeo Lozano, Bogotá. 3. Ingeniero Químico, MSc en Ciencias - Química, Doctor en Ciencias - Química, Departamento de Ingeniería, Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería, Universidad Jorge Tadeo Lozano, Bogotá. 4. Ingeniera Química, MSc en Ingeniería Química, Doctora en Ingeniería Química, Departamento de Ingeniería, Facultad de Ciencias Naturales e Ingeniería, Universidad Jorge Tadeo Lozano, Bogotá. Resumen. Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que tienen la capacidad de capturar CO2, así como la de producir precursores para biocombustibles y diferentes compuestos de alto valor agregado, lo que hace atractivo su cultivo a escala industrial; sin embargo, el alto costo de los biorreactores necesarios para garantizar el adecuado suministro de luz, fuente de carbono, nutrientes y micronutrientes, así como el retiro del oxígeno producido, unido a las dificultades en la recuperación tanto de la biomasa como de los compuestos de interés, limitan la implementación de sistemas de producción a gran escala; en consecuencia, este documento se dedica a revisar las ventajas y desventajas de los biorreactores de mayor uso a escala comercial, los parámetros de diseño de los biorreactores, y los métodos de recuperación que pueden ser implementados en la producción comercial de acuerdo con las características y requisitos de las microalgas. Palabras Claves: Microalgas, biorreactores, parámetros de diseño, recuperación de biomasa. Abstract. Microalgae, are photosynthetic microorganisms with the capacity to produce precursors for biofuels, as well as different high value compounds, while they capture CO2; this caracteristics generate interest in the implementation of their culture on an industrial scale; however, the high cost of the bioreactors necessary to guarantee the adequate supply of light, carbon source, nutrients and micronutrients, as well as the removal of the produced oxygen, together with the difficulties in the recovery of both the biomass and the compounds of interest, limits the implementation of large-scale production systems; consequently, this document is dedicated to reviewing the advantages and disadvantages of the most widely used bioreactors, their design parameters, and the recovery methods that can be implemented in commercial production according to the characteristics and requirements of microalgae.

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Keywords: Microalgae, bioreactors, design parameters, biomass recovery.

1. Introducción.

Existe un gran interés tanto de investigadores como de inversionistas en la producción de microalgas debido a sus altos potenciales en la captura de CO2, la producción de compuestos de alto valor y biocombustibles, así como su uso en la biorremediación, alimentación animal y humana. Sin embargo, el costo de producción de las microalgas sigue siendo uno de los principales obstáculos que limitan la producción a gran escala. Dado que las microalgas son organismos fotosintéticos, el uso eficiente de la luz es un requisito previo para el éxito de los procesos de producción industrial (Cuaresma et al.,

2009). El cultivo exitoso de algas requiere de condiciones ambientales estrictas, que varían de una especie a otra. Estos requisitos incluyen luz (intensidades, longitudes de onda), rangos específicos de temperatura, concentración de CO2, salinidades, composición de macronutrientes como nitrógeno, fósforo, magnesio, silicatos y varios micronutrientes (Grobbelaar, 2010). Por lo tanto, el diseño correcto del biorreactor es fundamental para obtener un suministro efectivo de cada uno los requerimientos de las microalgas y así lograr rendimientos de producción de biomasa cercanos a los teóricos. En el presente capítulo se mencionan los diferentes tipos de biorreactores usados a escala industrial y/o laboratorio junto con sus respectivas descripciones, ventajas y desventajas. Adicionalmente, se mencionan los principales factores de diseño de los fotobiorreactores y los procesos de cosecha comúnmente utilizados.

2. Sistemas de Producción Comercial de Biomasa de Microalgas.

Los sistemas de cultivo de microalgas pueden clasificarse en dos grandes grupos: sistemas abiertos al aire y sistemas cerrados. De acuerdo con Borowitzka (2013) el éxito en la producción comercial de microalgas depende principalmente del costo del sistema de cultivo empleado, por este motivo, los sistemas abiertos son los más utilizados en las instalaciones de producción a gran escala debido a su relativo bajo costo de instalación y operación (Fernández et al., 2013). Sin embargo, es necesario tener en cuenta diversos criterios al momento de elegir el sistema de cultivo más adecuado como la correcta selección de las características biológicas de la microalga, el costo de la tierra, la disponibilidad de mano de obra, los requerimientos de energía, la disponibilidad y el tipo de agua, los requerimientos de nutrientes, el clima, y el tipo de producto final a obtener. Entre los factores mencionados anteriormente, la selección de las características de las microalgas juega un papel decisivo en el establecimiento del tipo de sistema a utilizar, debido a que algunas especies de microalgas crecen en entornos altamente selectivos permitiendo su cultivo en sistemas abiertos a escala comercial, sin presentar contaminación por otras algas y protozoos (Borowitzka, 1999; Lee, 2001), por ejemplo: Chlorella (alta concentración de nutrientes), Spirulina (alto pH) y Dunaliella salina (agua

salada). Por el contrario, aquellas microalgas cuyas condiciones de cultivo facilitan la contaminación de otros microorganismos, deben ser cultivadas en sistemas cerrados, como sucede con la mayoría de las algas que se utilizan como insumo para acuicultura (Skeletonema, Chaetoceros, Thalassiosira, Isochrysis y Tetraselmis) y el dinoflagelado Crypthecodinium cohnii fuente de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga.

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3. Sistemas Abiertos. El uso extendido de los sistemas abiertos a escala comercial se atribuye a su bajo costo, alta disponibilidad de radiación solar y bajo consumo de energía para lograr la transferencia de masa gas-líquido (Fernández et al., 2013). Sin embargo, exhiben menor

productividad respecto a la teórica, son susceptibles a contaminación y permiten poco control sobre las condiciones del cultivo, lo que limita el tipo de microorganismo que se puede cultivar en éstos sistemas (Borowitzka, 1999; Lee, 2001). Los tipos principales de sistemas abiertos son estanques poco profundos, tanques, estanques circulares, estanques ovalados raceway con brazo rotatorio para la agitación del cultivo y sistemas

en cascada o de capa delgada. Algunos sistemas abiertos han sido utilizados para el cultivo de microalgas y cianobacterias tales como Arthrospira platensis, D. salina, Anabaena sp., Phaeodactylum tricornotum, Pleurochrysis carterae, Chlorella sp. y Nannochloropsis entre otros (Jorquera et al., 2010).

Uno de los grandes problemas en los sistemas abiertos se debe a la contaminación por infestaciones de depredadores que se alimentan de algas, infecciones virales y contaminación de microalgas no deseadas, hongos y bacterias (González-López et al.,

2012). La susceptibilidad de contaminación en los estanques abiertos puede contrarrestarse colocándose dentro de invernaderos, pero disminuye la factibilidad en las instalaciones que requieren grandes áreas. Algunos procesos como microfiltración ayudan a prevenir la contaminación por algunos microorganismos (Rawat et al., 2013). Estanques o Piscinas Abiertas.

Los estanques o piscinas abiertas poco profundas no presentan sistema de agitación mecánica, los microorganismos crecen de manera natural o artificial sin que se alteren las condiciones del medio. En algunos casos es necesario realizar la fertilización (Fernández et al., 2013). La ausencia de agitación hace que se presente una baja eficiencia en la transferencia de masa, que conduce a una baja productividad por unidad de volumen y debe ser compensada empleando grandes extensiones. Por lo anterior, este tipo de sistema es viable en lugares donde el costo de la tierra es bajo, siempre y cuando se disponga de una fuente de agua suficiente y económica, y si el clima implica una radiación solar regular a lo largo del año. Reactor Tipo Raceway. Estos reactores son los sistemas más utilizados para la producción a gran escala de biomasa de algas (Chiaramonti et al., 2013). Los estanques de conducción podrían alcanzar productividades de hasta 50 t ha-1 año-1 (Rawat et al., 2013). Tanto los materiales como la construcción del sistema resultan ser de bajo costo (Fernández et al., 2013),

además tienen un menor consumo energético en la agitación, del orden de 4 W m-3 (Jorquera et al., 2010). Para lograr el mezclado del sistema se utiliza una rueda de aspas a velocidad de 0,25 m s-1 (Norsker et al., 2011) que es facilitado con la baja profundidad del fluido (Norsker et al., 2011). Sin embargo, debe tenerse cuidado en no dificultar el

aprovechamiento de la radiación solar por parte de la microalga; generalmente se emplea una profundidad entre 0,2-0,3 m en estanques con rueda de paletas (Borowitzka, 1999). En los sistemas raceway se obtiene una baja densidad de biomasa, del orden de 0,5 g de

biomasa seca L-1, y una productividad baja, alrededor de 25 g (m2 día)-1, lo que incrementa el área necesaria para una determinada producción. Lee (2001) reportó un

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costo de producción de microalgas entre US$ 8-15 por cada kg seco, de 8-15 veces el precio de venta de harina de pescado y la harina de soya en ese momento. Los reactores tipo raceway pueden ser construidos en estanques abiertos de hormigón o tierra compacta con revestimiento de plástico o estar encerrados en invernaderos de plásticos para un mayor control del entorno de crecimiento. Lo anterior, depende del uso de las microalgas, en el tratamiento de aguas residuales se emplean principalmente sistemas abiertos de tierra compacta, mientras que los sistemas cerrados al entorno pueden ser adecuados para la obtención de productos de bajo volumen con un alto valor adicional como los nutracéuticos (Lee, 1997). En este tipo de sistema se ha implementado la producción comercial de A. platensis y D. salina (Fernández et al., 2013).

Reactor de Capa Delgada. En este tipo de reactor el cultivo fluye en dirección descendente sobre una superficie inclinada, gracias a una bomba que lo impulsa desde un tanque hacia la parte superior de la estructura (Doucha et al., 2005). La inclinación de la superficie es leve y el espesor de la película de líquido puede ser de unos milímetros hasta un par de centímetros, así la relación volumen/superficie del reactor es del orden de 10 a 25 L m-2; el sistema sólo consume energía (por lo menos 100 W m-3) en la elevación del fluido, de manera que se puede considerar de bajo costo en términos de consumo de energía. La principal ventaja de esta configuración radica en que permite una alta exposición de las células a la radiación solar, lo que mejora la eficiencia de aprovechamiento de luz y aumenta la concentración de biomasa, reportándose concentraciones de células de hasta 30 g L-1 (Doucha y Lívanský, 1995), sin embargo su productividad resulta igual a la de los reactores tipo raceway: 25 g (m2 día) -1 (Lee, 2001).

4. Sistemas Cerrados. Los sistemas cerrados, a menudo llamados "fotobiorreactores", reducen los riesgos de contaminación externa y proporcionan un mejor control de las condiciones de crecimiento. Los sistemas cerrados poseen un área principal donde recibe radiación directa, y un área secundaria capaz de recibir radiación difusa. La cantidad de luz recibida y su uso por el cultivo determinarán la productividad del sistema. Además, permiten un mejor control de las condiciones de cultivo, por ejemplo, el CO2 puede ser suministrado efectivamente de forma que evite la limitación de carbono. También, al impedir el intercambio directo de gases entre el cultivo y el ambiente circundante, se evita en gran medida la contaminación, lo que permite cultivar una gran diversidad de especies de microalgas bajo condiciones que obedecen las buenas prácticas de manufactura requeridas para los productos farmacéuticos y alimenticios; no obstante, este tipo de reactores implica mayores costos de construcción y operación, lo que los hace útiles para el cultivo de microalgas de alto valor (Fernández et al., 2013). La mayoría de las limitaciones que

sufren los sistemas cerrados pueden ser superadas por soluciones de ingeniería apropiadas. Por ejemplo, el confinamiento del cultivo incrementa el riesgo de sufrir formación de biopelículas en las paredes del fotobiorreactor causando una acumulación de oxígeno que puede conducir a efectos tóxicos sobre el crecimiento fotosintético (Borowitzka, 1999; Grobbelaar, 2010). La formación de biopelículas puede solucionarse realizando una adecuada selección del material del fotobiorreactor.

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Reactor de Paneles Planos.

Consiste en un conjunto de placas transparentes unidos entre sí para retener el cultivo, en los que la agitación se provee mediante aireación a razón de 1 L de aire por cada L de reactor por minuto (Sierra et al., 2008), y que están diseñados de manera que se pueden

orientar hacia el sol para lograr una mayor eficiencia en el aprovechamiento de la radiación solar. Los paneles suelen ser angostos, para incrementar la relación área volumen; las dimensiones reportadas son diversas, pero las alturas no superan 1,5 m y los espesores son menores a 0,1 m, con el fin de evitar el uso de materiales con alta resistencia mecánica (Fernández et al., 2013). Sus principales ventajas son alta productividad y distribución uniforme de la luz; su principal desventaja es la acumulación del oxígeno formado mediante fotosíntesis. Para evitar este inconveniente Pulz (2001) propuso hacer la circulación del cultivo a través de una cámara abierta al aire, de tal forma que implica menor control de la contaminación del cultivo. En otra propuesta, Tredici et al., (1991) describen un reactor de paneles alveolares planos verticales, con burbujeo de aire en la parte inferior, para la agitación y desgasificación del cultivo, en el cual se logra una alta productividad de A. platensis, de 2,15 g (L día)-1, unas quince veces lo obtenido en estanque abierto bajo condiciones de cultivo similares.

Reactores Tubulares.

Los fotobiorreactores tubulares son los sistemas cerrados más ampliamente utilizados para la producción de microalgas (Fernández et al., 2013). Están constituidos por un tubo

colector solar a través del cual fluye el cultivo, recirculado por aireación o mediante el uso de bombas. La denominación reactor tubular abarca una amplia variedad de configuraciones que se pueden reunir en tres grupos principales: reactores verticales tipo airlift o columnas de burbujeo, reactores horizontales y reactores helicoidales. Suelen construirse con materiales transparentes económicos, generalmente vidrio o polietileno, con el fin de permitir una buena penetración de la radiación solar y un costo bajo; en particular, las bolsas de polietileno han sido estudiadas por varios autores (Cohen et al., 1991), gracias a su bajo costo, alta transparencia y esterilidad inicial debida a las condiciones extremas de extrusión. En este tipo de sistema, Cohen et al., (1989) reportan

una concentración de biomasa que triplica lo logrado en reactores abiertos. Estos sistemas se caracterizan por altos coeficientes de transferencia de masa, propiciados mediante el burbujeo de gas en la parte inferior del reactor, lo que a su vez evita concentraciones de oxígeno dañinas para el cultivo (Fernández et al., 2013; Wang et al., 2012), algunos sistemas cuentan con un tanque en el que se burbujea aire para

remover oxígeno; en otros sistemas en lugar del burbujeo de aire, se burbujea dióxido de carbono lo que permite carbonatar el cultivo; algunos sistemas cuentan también con un intercambiador de calor para el control de la temperatura del cultivo. Reactores Horizontales.

Como su nombre lo indica, se disponen los tubos del reactor horizontalmente, y pueden conectarse en serie o en paralelo. Su configuración, en la que todos los tubos se encuentran expuestos ante la radiación solar, permite una alta eficiencia en el aprovechamiento de ésta. La remoción del oxígeno se realiza en una columna de desgasificación adyacente en la que se burbujea CO2 (Singh y Sharma, 2012) y el líquido

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se hace circular a través de los tubos usando una bomba que además garantiza un régimen de flujo turbulento. Su principal desventaja es que consume 2000 W m-3 en el bombeo del líquido, una elevada cantidad energía en comparación con 50 W m-3 consumidos por las columnas de burbujeo o los paneles planos. Reactores Helicoidales. Los reactores helicoidales tienen un tubo transparente flexible, dispuesto en espiral, con diámetro pequeño, y una unidad de desgasificación adyacente en la que el cultivo viaja gracias la acción de una bomba centrífuga. (Travieso et al., 2001) experimentaron en este sistema con diferentes algas inyectando una mezcla de gases y medio de cultivo desde diferentes direcciones, obteniendo una mayor eficiencia fotosintética con una alimentación desde la parte inferior del reactor.

5. Principales Parámetros en los Sistemas de Cultivo. El logro de crecimiento autótrofo de microalgas en sistemas de cultivo comerciales implica garantizar el suministro de nutrientes, una fuente de carbono que puede ser dióxido de carbono o bicarbonato disuelto, temperatura y pH adecuados, y por supuesto es importante la calidad del agua (Grobbelaar, 2010). La temperatura, nutrientes y la disponibilidad de luz son parámetros que definen la productividad de los cultivos de microalgas. La temperatura puede ser fácilmente controlada por varios sistemas tales como la pulverización de agua, uso de termostato por un tubo de acero inoxidable colocado en el interior del reactor o con receptores solares en un tanque de acondicionamiento. Los nutrientes minerales, así como la adición de CO2 se estudian de acuerdo a la especie y metabolitos a producir. Sin embargo, el carbono inorgánico se suministra normalmente como CO2 en una mezcla del 1-5% con aire (González-López et al., 2012). La disponibilidad de luz está determinada por la irradiación solar, que depende de la ubicación geográfica y el clima. Un factor que influye en la disponibilidad lumínica es el diseño del reactor, así como la concentración de la biomasa que atenúa la luz.

6. Diseño de Fotobiorreactores Para el Cultivo a Escala de Microalgas.

A pesar de la necesidad de producir biomasa microalgal a escala industrial y de las investigaciones realizadas en ese sentido, aún no se ha alcanzado la producción y comercialización deseada (Bosma et al., 2010), debido a los altos costos de operación

asociados que no permiten que el precio final del producto sea competitivo en el mercado (Del Campo et al., 2007; Norsker et al., 2011). La mayoría de las investigaciones

enfocadas a la producción de microalgas se ha llevado a cabo a escala de laboratorio con condiciones controladas y en muchas ocasiones con luz artificial, mientras que los cultivos a gran escala son más escasos. Dentro de las aproximaciones realizadas a la producción a gran escala, se encuentra el llamado raceway pond que de acuerdo a algunas investigaciones (Nosrker et al., 2011), podría no ser el más ventajoso desde el punto de vista económico, ya que bien podría invertirse en mejorar condiciones de luz, entre otras, para llegar a una mayor eficiencia y

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por tanto rentabilidad. Se resalta la investigación a escala industrial llamada Algae PARC (Bosma et al., 2014) en Países Bajos que contó con el apoyo de varias compañías del

sector productivo obteniendo resultados de gran interés desde el punto de vista de concepto y diseño. A partir de esta investigación se comparan varios tipos de biorreactores y se apuntan varios aspectos que deben ser tomados en cuenta para un reactor exitoso reactor para la producción de microalgas a gran escala, dentro de las cuales se citan: eficiencia fotosintética, área productiva, consumo de agua, nutrientes, energía y mano de obra. Bosma et al., (2014) identifican varios focos relevantes en el diseño de un biorreactor para producción industrial de microalgas entre los que se cuenta: (i) control de temperatura mínimo, que es útil en países que sufren estaciones donde la temperatura puede caer bajo 4ºC aún con luz solar disponible; (ii) diseño de un biorreactor eficiente para la producción de inóculo en grandes cantidades y en poco tiempo ayudados por lámparas de luz artificial; (iii) evitar al máximo zonas muertas en tubería y reactores para evitar futuras contaminaciones; (iv) en sistemas tubulares se sugiere realizar una partición de manera que se necesite menos inóculo y si el cultivo es exitoso puede abrirse a todo el reactor que será inoculado desde la primera partición; y finalmente, (v) realizar limpieza frecuente de los sensores para evitar que reporten falsas alarmas debido a suciedad que pueden acumular. Se ha comprobado que en un biorreactor tubular un diámetro demasiado pequeño implica mayor presión para circular el líquido, por otro lado los diámetros mayores a 1 m inducirían bajas productividades (Slegers et al., 2013), además de que la cosecha de la biomasa se dificulta debido a la presencia de mayores volúmenes y poca biomasa (Poster, 2009). Para el diseño de un biorreactor horizontal se recomienda un espacio intertubular de 5 cm aproximadamente, así como una longitud del lazo de 78 m para conducir fluido a 0,6 m s-1 para evitar concentraciones de oxígeno disuelto mayores al 300% (Bosma et al., 2014). Una velocidad adecuada puede disminuir el tiempo de

residencia de las microalgas al interior de los tubos, así como la formación de biopelículas en las paredes de estos (Bosma et al., 2014) reduciendo la incidencia de la luz sobre el cultivo; sin embargo, debe considerarse que mayores velocidades de fluido requerirán mayor energía puesta en la bomba de ahí que sea necesario optimizar las variables velocidad vs energía de bombeo buscando que la productividad no se vea afectada (Bosma et al., 2014).

Por otro lado, la temperatura es una variable a ser controlada entre los puntos máximo y mínimo considerados que dependerán de la ubicación geográfica de la instalación de los biorreactores. Bosma et al., (2014) recomiendan el uso de válvulas de tres vías con

regulación PID para la entrada de agua, caliente o fría dependiendo el caso, a un serpentín que permite regular la temperatura del cultivo al interior de los biorreactores. Con respecto a la densidad del cultivo, la turbidez es una variable que debe ser controlada a partir de un turbidostato que mantiene constante la concentración de la biomasa o bien por el quimiostato que mantiene constante la tasa de dilución del cultivo (Bosma et al., 2014).

Como parte del proceso de fotosíntesis de las microalgas, el oxígeno como subproducto de la reacción se considera un parámetro de cuidado, por lo cual es necesario prevenir altas concentraciones de oxígeno disuelto, ya que este en exceso podría convertirse en

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inhibidor del crecimiento de los microorganismos. Para evitar esta condición se recomienda el uso de aireadores industriales con 1 mm de diámetro orificio equipados con

un filtro de 1 m para evitar la entrada de otros microorganismos que puedan competir por sustrato (Sousa et al.,; 2012).

En caso de presentarse la formación de biopelículas en las paredes del biorreactor existen dos opciones factibles que son: un dispositivo que corre a través de toda la tubería limpiando mecánicamente las paredes, o bien un producto granulado con mayor o menor densidad que el cultivo que usualmente es preferido a base de elastómeros y no poliestireno debido a la posibilidad de raspar las paredes del reactor. En caso de presentarse bolsas de aire y no ser removidas, el cultivo no fluirá debido a la subida de presión que representan. Con el fin de contrarrestar este evento, pueden adaptarse de-aireadores o bien tubos transparentes que servirán como válvulas de alivio para concentrar el aire atrapado en estas zonas y que además pueden ser puntos de toma de muestra de gases producidos útiles en los cálculos de balance de materia (Bosma et al., 2014).

7. Métodos Para la Recuperación de Biomasa de Microalgas. El proceso de recuperación de biomasa a partir del cultivo no está completamente definido debido a que la selección o combinación de tecnologías más adecuadas depende de las características de la especie de microalga, el medio de cultivo, la producción de microalga, el producto final y la relación costo beneficio. La principal dificultad en la separación de biomasa de microalgas a partir de medios de cultivo, radica en la baja concentración de biomasa que oscila entre 0,5 g L-1 en sistemas abiertos, y 5 g L-1 en sistemas cerrados implicando la remoción de grandes cantidades de agua (Vandamme et al., 2013). Otra gran dificultad es el tamaño de partícula reducido de las microalgas, que

se encuentra entre 1-20 m, haciendo que las mezclas a separar sean suspensiones estables para las que procesos como el cribado no es una opción adecuada por esta razón deben emplearse procesos como centrifugación o microfiltración (Rawat et al.,

2013). En el caso de microalgas para la recuperación de compuestos de alto valor, se usa ampliamente centrifugación como técnica de separación, sin embargo, su desventaja radica en el alto costo energético de la operación (Vandamme et al., 2013).

La Figura presentada por Barros et al., (2015), resume algunas de las técnicas utilizadas en la recuperación de biomasa de algas y las etapas del proceso de recuperación a la cual suelen pertenecer. Las etapas donde se han evaluado la mayor cantidad de técnicas son el espesamiento y la deshidratación de la biomasa. Diversos métodos se han empleado para la separación de microalgas de la fase acuosa de cultivo con el fin de concentrar el cultivo de microalgas a 10-450 g L-1. Tales métodos incluyen sedimentación, filtración a vacío, filtración de flujo cruzado, filtración a presión, centrifugación-decantación, centrifugación de pila de disco, flotación de aire disuelto, flotación de aire disperso, floculación orgánica de generación de micro burbujas, floculación inorgánica, biofloculación, autofloculación, coagulación electrolítica, floculación electrolítica y flotación electrolítica (González-López et al., 2012). Se considera que el proceso de cosechado o separación sólido-líquido conllevan aproximadamente entre el 20-30% del costo total del proceso (Barros et al., 2015). En cuanto a la etapa de deshidratación, para ésta se han

evaluado la filtración y la centrifugación.

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Figura 1. Esquema de recuperación de biomasa de algas. Tomado de (Barros et al., 2015)

A continuación, se mencionan algunas descripciones y aspectos importantes de los procesos de separación empleados en la recuperación de biomasa: Floculación.

Dentro de los procesos más económicos, la floculación es una de las metodologías que conduce a sistemas para la recuperación de la biomasa de algas con menor consumo energético (Brennan y Owende, 2010; Schlesinger et al., 2012; Vandamme et al., 2013).

En ensayos de floculación, el volumen de solución de biomasa a utilizar depende de las dimensiones de la columna de sedimentación elegida. Por ejemplo, Sithebe et al., (2014)

emplearon una columna que consta de 2 m de profundidad y 0,19 m de diámetro interno teniendo como requerimiento un volumen de suspensión de por lo menos 57 L para cada ensayo. Los floculantes, tanto orgánicos como inorgánicos, han sido empleados para la recolección de microalgas cultivadas en medio acuoso. Las sales metálicas no han mostrado resultados importantes para esta aplicación a diferencia de los polielectrolitos usados en el tratamiento de aguas que permiten reutilizar el agua debido a que no afectan su calidad (Granados et al., 2012). Floculantes naturales extraídos de plantas como la Moringa oleifera, los cuales han sido ampliamente usados

en tratamiento de aguas, han permitido la separación de microalgas. Dentro de las ventajas que este ofrece es su bajo costo e inocuidad, permitiendo la reutilización del agua. Los extractos de M. oleifera han recuperado más del 95% de la biomasa con

tiempos de sedimentación de 20 minutos, superando ampliamente algunos coagulantes tradicionales como el sulfato de aluminio (Hamid et al., 2014). Flotación. La baja densidad de las microalgas puede ser aprovechada en la técnica de flotación (Garg et al., 2012). Esta técnica generalmente implica un tiempo de reacción rápido, alta flexibilidad y costo de operación moderado (Henderson et al., 2008). Entre mayor sea el

contacto aire-partícula menos inestable será el sistema y, por lo tanto, mayor será la eficiencia de este método. Adicionalmente, el tamaño de la partícula es uno de los factores más importantes, entre menor sea el tamaño, la flotación ocurre más fácilmente. Por lo general, la flotación requiere de sustancias colectoras que facilitan el proceso; se han evaluado diversos surfactantes sintéticos, pero se prefieren los surfactantes de origen

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natural gracias a su menor toxicidad y mayor degradabilidad, tales como las saponinas, que consisten en grupos heterogéneos de glucósidos de esterol y glucósidos triterpenoides, presentes en la corteza, hojas, tallos, raíces e incluso flores de una gran variedad de especies de plantas (Chen et al., 1998). En la actualidad existen tres métodos principales de recuperación de algas mediante

flotación: flotación por dispersión de aire (diámetro de las burbujas entre 700-1500 m),

flotación con aire disuelto (diámetro de las burbujas entre 10-100 m) y flotación electrolítica; la primera de éstas es la que presenta mayor aplicabilidad desde el punto de vista económico. Filtración. La filtración es una operación común que ha sido evaluada para la recuperación de biomasa de algas, y cuya implementación potencial depende en gran medida del tamaño de la microalga a ser colectada (Coward et al., 2013). Su principal desventaja radica en la

posible ruptura y pérdida de calidad de la biomasa obtenida, debido al carácter abrasivo de esta operación (Kim et al., 2005); además, conduce a altos costos de operación debido

a la energía consumida en el bombeo y a la necesidad de limpieza frecuente del material filtrante. Como alternativa a estos métodos, la filtración con membranas se destaca como un proceso prometedor para la recolección de microalgas, debido a características superiores, como la capacidad de recuperar toda la biomasa procesada, el hecho de que no requiere más productos químicos y su bajo requerimiento de energía (Chu et al., 2016). A pesar de estas ventajas, la desventaja más importante que limita el uso de sistemas de membrana es el ensuciamiento de la membrana. Además de disminuir el flujo de permeado y la vida útil de la membrana, la incrustación de membrana también aumenta el consumo de energía (Rossignol et al., 1999). Los

materiales orgánicos extracelulares como polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y pequeñas moléculas orgánicas secretadas por las células de microalgas son los principales causantes de las incrustaciones de membrana durante la recolección de microalgas con sistemas de membrana (Rossignol et al., 1999). Los materiales orgánicos

segregados por algas pueden variar, dependiendo de las especies de algas, la fase de crecimiento y las condiciones de crecimiento. Lee et al., (2006) informaron que los materiales orgánicos de algas, como las proteínas y polisacáridos, pueden causar ensuciamiento en las membranas utilizadas a baja presión [membranas de microfiltración (MF) / ultrafiltración (UF)]. Centrifugación. La recuperación de biomasa mediante centrifugación constituye la técnica más rápida y más confiable, con aplicabilidad para un gran número de especies (Coward et al., 2013);

sin embargo, las velocidades de rotación que se requieren para separar la biomasa, conducen a altos consumos de energía, del orden de 3000 kWh t-1 (Schenk et al., 2008). La centrifugación de decantación se basa en el concepto de utilizar un tanque de sedimentación especial en el que los sólidos en suspensión se ven obligados a caer debido a las fuerzas gravitacionales (Al Hattab et al., 2015). Algunas centrífugas funcionan continuamente bombeando la biomasa de microalgas cultivada dentro de la cubeta de centrífuga, con lo que las partículas en solución son

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forzadas al fondo de la cubeta. El líquido que queda después de que las partículas han sido extraídas se pasa a través del tubo de desbordamiento (Al Hattab et al., 2015).

Actualmente, un método ampliamente utilizado es el proceso de decantación centrífuga (decanter) (Wiley et al., 2011). Molina-Grima et al., (2003) señalaron que la concentración de la biomasa de microalgas utilizando una decantadora centrífuga es mejor que otros métodos de cosecha. Dassey y Theegala (2013) lograron una eficiencia de cultivo del 28,5% para las microalgas a un caudal de 18 L min-1 utilizando decantador centrífugo de flujo continuo. Separación Magnética.

Es un método rápido y simple para la captura eficiente de células y biomoléculas en soluciones que por medio de partículas magnéticas funcionales impulsadas por un campo magnético externo. La separación magnética ha sido probada in situ mediante nanopartículas de óxidos de hierro para Botrycoccus braunii y Chlorella ellipsoidea,

llegando a niveles de separación del 98% para tiempos de residencia cercanos a un minuto con dosis y pH específicos para el proceso de separación. Se observó que el óxido de hierro fue incorporado a las microalgas por medio de adsorción debida a la atracción electrostática (Xu et al., 2011).

Secado Solar. Este constituye una opción para secar alimentos, en zonas rurales del país que se encuentran aisladas de la red de distribución local de energía (eléctrica), como consecuencia tiene un alto costoso o no es posible el acceso a combustibles fósiles. La energía solar, por su disponibilidad, resulta una alternativa razonable a la hora de plantear cadenas productivas en estas zonas rurales. Dichas cadenas implicarían la conservación de alimentos, productos vegetales, y en general biomasa. Uno de los principales problemas para el aprovechamiento integral de la biomasa de microalgas tanto para aplicaciones energéticas como no energéticas es contar con un método idóneo para su conservación, distribución, comercialización y/o disposición final, siendo la deshidratación o el secado solar la solución más idónea (Ekechukwu y Norton, 1999). La aplicación más completa de estas técnicas ha consistido en la exposición directa de la biomasa al sol. Estos métodos dependen principalmente de un conjunto de variables propias del lugar (radiación directa, radiación difusa incidente y la humedad relativa) y resultan ser prácticos y efectivos. Sin embargo, el gran problema que presenta el secado o deshidratación por exposición directa es la no regulabilidad de variables sumamente importantes, tales como: tiempo de secado, protección del producto, y uso eficiente de la energía solar. Este conjunto de variables, son fundamentales para la optimización de un proceso eficiente y efectivo de deshidratación. El objetivo fundamental de la operación de secado es reducir el contenido de humedad del producto a un nivel tal que prevenga el deterioro durante un cierto periodo de tiempo denominado en la literatura como “Periodo seguro de almacenamiento” (de su traducción “Safe storage period”) (Norton y Probert, 1984). Una de las técnicas que ha mostrado mejores resultados es la deshidratación por exposición solar indirecta. Dentro de las ventajas que presentan los secadores diseñados para operar mediante esta técnica se encuentran: i) son eficaces y rentables, ii) son funcionales en épocas de lluvias, iii) la biomasa deshidratada presenta mejor calidad, y iv)

133

presentan una disminución apreciable del tiempo de secado, respecto a la exposición directa. Además de estas ventajas, los secadores solares indirectos permiten ser diseñados ad hoc para un tipo específico de biomasa, es decir, implementando los

principios de transferencia de calor y masa, termodinámica y dinámica de fluidos puede diseñarse un prototipo de secador solar indirecto conforme a las especificaciones del material que sea de interés, en este caso, la biomasa proveniente de las microalgas (Al-Juamily et al., 2007).

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136

Desarrollo y Adaptación de

Tecnologías de Producción

de Biomasa de Microalgas

Brigitte Vargas

Miguel Galindo Fandiño

Andrés Martínez Rojas

Joaquín Valderrama Rincon

Héctor Javier Luna Wandurraga

Juan Daniel Valderrama Rincon

137

Diseño y Caracterización de Fotobiorreactores Tipo airlift Para el Cultivo de Microalgas.

Brigitte Vargas1, Miguel Galindo Fandiño2, Andrés Martínez Rojas3, Joaquín Valderrama

Rincon4, Héctor Javier Luna Wandurraga5, Juan Daniel Valderrama Rincon6

1. Ingeniera Ambiental, Profesora Asistente, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 2. Ingeniero Ambiental, Coordinador de Laboratorio de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 3. Ingeniero Ambiental, Coordinador del Laboratorio de Ingeniería Ambiental, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 4. Ingeniero Electrónico, Investigador, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 5. Ingeniero Químico, MSc en Ingeniería Ambiental, Doctor en Ingenieria, Investigador, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. 6. Ingeniero Químico, MSc en Ingeniería Ambiental, MSc en Chemical and Biomolecular Engineering, Doctor en Chemical and Biomolecular Engineering, Profesor Asistente, Facultad de Ciencias, Universidad Antonio Nariño, Bogotá. Resumen.

Las tecnologías basadas en microalgas surgen principalmente a partir de trabajos en microbiología desarrollados a nivel de laboratorio. Tras encontrar resultados satisfactorios, es indispensable implementar estrategias de escalado con el fin de que estos salgan del laboratorio y encuentren viabilidad como bioprocesos a nivel industrial. El componente central de estos bioprocesos es el biorreactor. En el caso de las microalgas, este biorreactor debe tener características especiales, como la capacidad de llevar radiación visible a todos los organismos con el fin de favorecer la fotosíntesis, por lo que se le denomina fotobiorreactor. En este capítulo se ilustra la base teórica sobre la que se pueden prototipar fotobiorreactores tipo airlift, y su aplicación al cultivo de microalgas.

Como estudio de caso se presentan los resultados de la evaluación de un nuevo fotobiorreactor usando modelos matemáticos junto con un ensayo de crecimiento de Chlorella vulgaris como organismo modelo.

Palabras Claves: airlift, fotobiorreactor, microalga, caracterización, coeficiente de transferencia global, ensayo de trazadores. Abstract. Most of the microalgae-based technologies are being developed directly from microbiological studies performed at the laboratory level. When satisfactory results are achieved, it becomes necessary to apply scale-up strategies that permit the implementation of such technologies out of the lab, so their viability as industrial processes can be tested. Usually, the core of these bioprocesses is a bioreactor. In the case of microalgae, this bioreactor must have some particular features such as the capacity to bring visible radiation to all microorganisms to favor photosynthesis; a reason why it is commonly called photobioreactor. In this chapter we present the theoretical basis for the prototyping of airlift photobioreactors and their applications on the culture of microalgae.

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As case study, we present the results of the evaluation of a new photobioreactor prototype, analyzed by mathematical models based on a tracer test and the growth kinetics of a model organism (Chlorella vulgaris).

Keywords: airlift, photobioreactor, microalgae, characterization, global mass transfer coefficient, tracer test.

1. Introducción. La implementación a nivel industrial de bioprocesos basados en microalgas requiere del diseño y escalado de biorreactores apropiados para el cultivo de microorganismos fotosintéticos. Uno de los requerimientos principales durante el diseño de dichos biorreactores es la necesidad de suministrar suficiente luz a estos microorganismos. De hecho, la palabra fotobiorreactor (FBR) está directamente relacionada con esta característica y, en general, se asume que un FBR se usa casi siempre para el cultivo de microalgas o cianobacterias. Los FBR para producción a gran escala pueden ser clasificados en abiertos y cerrados. Los sistemas abiertos, como las lagunas, son sistemas que resultan más económicos en cuanto a su construcción y operación, aunque no son apropiados para mantener cultivos axénicos, ya que fácilmente pueden ser colonizados por cualquier microorganismo presente en el ambiente. Es por esto que los sistemas abiertos son más comúnmente usados para aquellas aplicaciones donde no es crítico contar con un cultivo axénico, como el tratamiento de aguas residuales, por ejemplo. Por otra parte, los sistemas cerrados resultan más costosos en cuanto a su construcción y operación, pero son indispensables si el mantenimiento de un cultivo axénico es parte crítica del proceso. Debido a lo anterior, el sistema cerrado se prefiere cuando el cultivo de microalgas va a ser usado para la obtención de productos de alto valor agregado, como farmacéuticos y cosméticos. Varios aspectos son importantes en el diseño de FBRs (abiertos o cerrados): penetración de luz, suministro de CO2, control del pH, control de la temperatura y mezclado (Fernández et al., 2012). Quizás el factor que es más determinante en el diseño geométrico de un FBR es la penetración de luz. La fuente de luz para un FBR puede ser natural (solar) o artificial, siendo exclusivamente externa en el caso de la energía solar. Si la fuente es externa, el FBR debe ser necesariamente transparente y su geometría está limitada debido a la penetración de la luz en el cultivo (Wang et al., 2014). Dentro de un

FBR la luz es atenuada debido, principalmente, a dos fenómenos: absorción por parte del material suspendido en el cultivo (especialmente los pigmentos celulares) y dispersión; de manera que la intensidad lumínica disminuye exponencialmente al alejarse de las paredes transparentes del FBR (Sastre et al., 2007). Es por esto que durante el diseño de este tipo

de biorreactores se debe mantener una relación área/volumen alta, de manera que se contrarreste el efecto de la atenuación lumínica. Por otra parte, el suministro de CO2 está relacionado no solo con su función como fuente de carbono, sino que además es crucial en el control del pH (Solimeno et al., 2015). El CO2 es gaseoso a temperatura ambiente, por lo que usualmente es suministrado mediante burbujeo al FBR. Este burbujeo puede consistir simplemente de aire o de alguna otra fuente más “concentrada”, como los gases de combustión de un horno o caldera. No obstante, debido a la reacción química entre el CO2 y el agua para producir ácido

139

carbónico, el suministro de gases ricos en CO2 debe hacerse bajo un control estricto del pH, para evitar que este disminuya drásticamente (Molina et al., 2001). En términos

generales, el pH debe mantenerse cercano a 8 para evitar la inhibición del crecimiento microalgal por acidificación o la volatilización del amonio y precipitación del fósforo a pH por encima de 9 (Arbib et al., 2013).

En cuanto a la temperatura, los microorganismos son altamente sensibles a los cambios en la misma, mostrando un crecimiento óptimo entre 15-35°C. En el caso de las microalgas, es común el manejo de temperaturas óptimas alrededor de los 25°C, con inhibiciones importantes en el crecimiento al alejarse unos pocos grados del óptimo (Goetz et al., 2011).

Finalmente, el mezclado es un factor esencial respecto al control de un FBR. El control sobre todos los factores mencionados anteriormente es efectivo solo si el cultivo se mantiene homogéneo dentro del FBR. Esto significa que un buen mezclado es aquel que logra que todo el contenido del FBR se mantenga a las mismas condiciones de iluminación, concentración de CO2, pH y temperatura; es decir, que todas las microalgas se encuentren bajo condiciones de crecimiento similares. El manejo adecuado de todos estos aspectos es el que determina el éxito al diseñar un FBR. Dentro de las numerosas opciones de diseño para un FBR, este capítulo se enfocará en los FBR tipo airlift. Los FBR tipo airlift presentan varias características atractivas como

buen mezclado, patrones de flujo bien definidos, ciclos de iluminación/oscuridad definidos, construcción simple sin partes móviles, alta transferencia de masa y calor, distribución homogénea de esfuerzos cortantes y costos de operación relativamente bajos (Fernandes et al., 2010). Específicamente, los patrones de flujo cíclicos dentro de un airlift facilitan la

exposición periódica de las células a la luz, de manera que se pueden superar las barreras inherentes a los FBR con relaciones área/volumen por debajo de los valores recomendados. A continuación se dará una explicación más detallada sobre reactores airlift, su funcionamiento y sus componentes más importantes.

2. Reactores Tipo airlift. Los reactores tipo airlift son reactores agitados neumáticamente, de manera similar a una

columna de burbujeo. Estos reactores han sido desarrollados para procesos donde el contacto entre un gas y un líquido es parte importante de la reacción, de manera que el área interfacial sea relativamente alta y se facilite la transferencia de masa entre las dos fases. Los procesos biológicos aerobios, por ejemplo, son procesos donde la transferencia de oxigeno desde la fase gaseosa hacia el cultivo líquido constituye una de las etapas limitantes; razón por la cual los reactores airlift resultan atractivos al facilitar

este contacto gas-líquido. Por otra parte, el gas (aire, por ejemplo) suministrado al reactor actúa como un agitador eficiente, gracias a que transfiere energía al líquido durante su movimiento ascendente desde el fondo. Es importante destacar que mientras una columna de burbujeo consiste en un solo compartimento con suministro de gas por el fondo, el reactor airlift consiste de una sección con burbujeo (raiser) y una sección paralela sin burbujeo (downcomer), conectadas por la parte inferior (base) y superior (separador de gas). Esto trae como consecuencia que los patrones de flujo en la columna de burbujeo sean altamente irregulares, mientras los patrones de flujo en el airlift sean

cíclicos y predecibles (Martínez y Silva, 2013).

140

Varias de las ventajas de los airlift, mencionadas anteriormente, se hacen más

importantes en el contexto de los procesos biológicos. Un buen mezclado con distribución homogénea de esfuerzos cortantes permite que todas las células en el reactor se mantengan esencialmente bajo las mismas condiciones de cultivo, evitando el stress que impone un agitador tipo turbina, el cual puede llegar a romper las células. El diseño sencillo sin partes móviles facilita el mantenimiento de condiciones estériles, el cual resulta más complicado en el caso de la agitación convencional, debido a la presencia del eje y el prensaestopa. Los bajos costos de operación pueden llegar a ser cruciales para la viabilidad de los procesos, especialmente aquellos donde el producto no representa un gran valor agregado, como en el tratamiento de residuos.

Figura 1. Esquema general de un reactor tipo airlift de tubos concéntricos.

3. Secciones de un Reactor airlift. El funcionamiento del airlift puede ser entendido más fácilmente cuando se comprende su diseño geométrico. La Figura 1 muestra la configuración clásica de un reactor airlift de tubos concéntricos. En general, un reactor airlift consta de cuatro secciones: raiser, downcomer, separador de gas y base. A continuación se discutirán en profundidad cada

una de estas secciones. Raiser. En esta sección el gas y el líquido se mueven paralelamente y de manera ascendente. Debido a la densidad del gas, su velocidad es mayor a la del líquido en la mayoría de los casos. Esta mezcla gas-liquido da lugar a varios regímenes de flujo aunque son dos los que se tienen en cuenta principalmente: (i) régimen homogéneo, donde las burbujas son pequeñas y se distribuyen homogéneamente; y (ii) régimen turbulento-batido, donde la distribución de tamaño de las burbujas es altamente heterogénea y el líquido es turbulento (Isbin, 1970). Se puede pasar del régimen homogéneo al régimen turbulento-batido mediante el aumento en el flujo de gas. Sin embargo, un alto flujo de gas puede inducir la coalescencia de las burbujas al salir del aspersor, lo que genera burbujas de gran tamaño que puede llegar a ocupar toda el área transversal del raiser y afectar negativamente la transferencia de masa (slug-flow). Un incremento en el flujo de líquido o el área transversal del raiser, permite pasar de slug-flow al régimen turbulento batido. Cabe

141

resaltar que el slug-flow es un régimen que debe ser evitado a toda costa (Abid et al.,

2017). Downcomer.

En esta sección el líquido se mueve de manera descendente y alcanza a arrastrar una pequeña fracción de las burbujas hacia abajo. Esto último sucede si la velocidad de descenso del líquido es mayor a la velocidad de ascenso “libre” de las burbujas. Un bajo flujo de gas en la entrada implica baja velocidad del líquido y cero arrastre de burbujas en el downcomer. Cuando la velocidad del gas es alta, el líquido arrastra burbujas grandes a través del downcomer, disminuyendo el área transversal disponible para el flujo del líquido causando un aumento en su velocidad. El régimen de flujo ideal en el downcomer es

aquel que permite una distribución homogénea de las burbujas, las cuales vuelven a ingresar al raiser y eventualmente coalescen y escapan del reactor. El régimen de flujo en el downcomer depende principalmente del área de la sección transversal del paso del raiser al downcomer (Merchuk et al., 1996).

Separador de Gas.

El separador de gas tiene una influencia importante en la hidrodinámica del reactor, aunque no ha sido estudiado ampliamente. Su diseño geométrico define las posibilidades de escape de las burbujas que vienen del raiser. Un aumento en la altura de esta sección

induce una disminución en la velocidad del líquido y facilita el escape del gas. Esta sección usualmente se comporta como un reactor de mezcla completa o una serie de varios de estos reactores (Russell et al., 1994).

Base.

El líquido cierra el ciclo regresando al raiser tras pasar por la base del reactor. Esta sección es la de menor turbulencia en el reactor y su altura define la formación de una zona de mezcla incompleta. Si la altura de esta sección es lo suficientemente grande, es posible generar una zona de reposo total, donde se puede dar la precipitación del material sólido en suspensión. El estudio de esta sección ha sido aún menos importante que el estudio del separador de gases y se toma como criterio general mantener su altura al mínimo, con el fin de evitar puntos sin movimiento del líquido.

4. Retención de Gas.

La retención de gas está definida como la fracción de gas retenida respecto al volumen total de la mezcla líquido-células-gas en el reactor. Esta medida es importante debido a que el área interfacial gas-líquido es proporcional a esta fracción y, por lo tanto, una mayor retención de gas está asociada a una mejor transferencia de masa desde el gas hacia el líquido. Por otra parte, debido al diseño geométrico de los reactores airlift, es natural que la retención de gas cambie de acuerdo a la sección donde se mide; es así que la retención será relativamente alta en el raiser, mientras que será baja en el downcomer.

También es importante tener en cuenta que la retención puede ser ajustada con base en la relación de áreas transversales entre raiser y el downcomer (Ar/Ad), de manera que al disminuir este cociente se incrementa la retención de gas (Albdiri et al., 2015).

142

5. Hidrodinámica de los Reactores airlift. El comportamiento hidrodinámico de los reactores airlift depende principalmente de la diferencia entre la densidad global de las mezclas líquido-gas en el raiser y el downcomer. La densidad global en el raiser es relativamente baja debido a la presencia de burbujas de gas suspendidas en el líquido. En el caso del downcomer, la presencia de burbujas es baja o nula, por lo que la densidad global aumenta y se acerca a la del líquido. Debido a que las dos secciones se encuentran conectadas, la diferencia de presión hidrostática entre ellas hace que el líquido circule subiendo por el raiser y bajando por el downcomer. Este comportamiento hace que el diseño de un reactor airlift esté determinado por las características geométricas del raiser y el downcomer, específicamente por la relación de

áreas transversales (Ar/Ad) y la relación entre altura y área transversal en cada sección (Wadaugsorn et al., 2016).

El flujo de gas también es una variable operativa importante. Un mayor flujo de gas supone una mejor transferencia de masa, pero también implica una mayor cantidad de burbujas en el downcomer y, por lo tanto, una menor diferencia de densidades entre el raiser y el downcomer, lo que implica menores velocidades de circulación del líquido. Así

mismo, la geometría del separador de gas también juega un papel importante en la hidrodinámica. El separador de gas es el sitio de mejor mezclado en el reactor, el cual mejora cuando este separador es más alto; no obstante, existe una altura máxima a partir de la cual no se encuentran mejoras apreciables en el mezclado. El aumento en la altura del separador de gas también aumenta la entrada de burbujas al downcomer, lo que termina resultando en un descenso en la velocidad de circulación del líquido (Klein et al.,

2001). Finalmente, la geometría de la base es posiblemente la variable de diseño menos estudiada. La distancia entre el fondo de la columna y el tabique (o pared) que separa el raiser del downcomer sería la variable que determina esta geometría (Figura 1). En general, la base es la sección del reactor donde el mezclado es más deficiente. Cuanta más alta la base, más grande es la zona muerta del reactor, donde la velocidad del líquido se aproxima a cero. Sin embargo, la altura de la base tiene un efecto importante en la velocidad del líquido circulante, de manera que cuanta más alta es la base, mayor es la velocidad del líquido circulando entre el raiser y el downcomer. Además existe un límite para esta altura por encima del cual su efecto sobre la velocidad es mínimo (Kilonzo et al., 2006). En conclusión, el diseño de los reactores airlift responde principalmente a la geometría de sus 4 secciones, la que se selecciona de acuerdo a los parámetros que se consideren más importantes para cada proceso particular (velocidad del líquido, transferencia de gas, efectividad del mezclado, etc).

6. Caracterización de Reactores airlift.

Tan importante como un buen diseño es la caracterización de los reactores, de manera que se pueda comprobar experimentalmente si estos cumplen con los requerimientos del proceso para el cual fueron diseñados. A continuación se hará una discusión teórica sobre la caracterización básica de un biorreactor tipo airlift, haciendo énfasis en los métodos

experimentales aplicados durante este estudio. De acuerdo a lo presentado hasta ahora, es posible concluir que el diseño de los reactores airlift apunta principalmente a mantener unas buenas condiciones de mezclado

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y una buena transferencia de masa del gas al líquido. Es por esto que se hace énfasis en la caracterización hidrodinámica y la evaluación de coeficientes de transferencia de masa. Evaluación de la Hidrodinámica de Reactores.

La evaluación hidrodinámica, en este caso, apunta principalmente a evaluar el mezclado dentro del reactor. El ensayo de trazadores se puede realizar mediante varios métodos, de los cuales, el más comúnmente empleado es el de pulso-respuesta (Khang y Levenspiel, 1976). El método de pulso-respuesta requiere mantener una alimentación constante de líquido al reactor (QL) y la inyección de un pulso de una sustancia de fácil detección (trazador) justo en la entrada del reactor. El tiempo de inyección del pulso se toma como t=0 y a partir de ese momento se comienza a registrar la concentración del trazador a la salida del reactor. Estos datos permiten establecer de manera experimental una función concentración del trazador respecto al tiempo, C(t), representada por una gráfica de los datos registrados. Es posible asimilar esta función C(t) a la probabilidad de encontrar el trazador a la salida del reactor; por ejemplo, en el tiempo cero, la probabilidad de encontrar el trazador a la salida del reactor es cero, pues la concentración del trazador a la salida del reactor también es cero. Como solo se inyecta un pulso de trazador al reactor, para un reactor perfectamente mezclado, la concentración a la salida ascenderá rápidamente y luego caerá de manera logarítmica a medida que se diluye por acción del líquido constantemente alimentado al reactor. Teniendo en cuenta el enfoque probabilístico que tiene este método, es importante notar que la función C(t) no cumple con los requisitos para ser una función de probabilidad; específicamente, no está normalizada y por lo tanto la integral respecto al tiempo entre menos infinito e infinito de C(t) es diferente de uno. Debido a lo anterior, se define una función de probabilidad E(t) con base en C(t) de la siguiente manera:

𝐸(𝑡) =𝐶(𝑡)

∫ 𝐶∞0

(𝑡)𝑑𝑡 (1)

Gracias a la integral en el denominador de la ecuación (1), la función E(t) está normalizada y puede ser analizada como una función de probabilidad (la probabilidad de encontrar el trazador a la salida del reactor). Nótese que el límite inferior de la integral es cero debido a que los valores negativos de tiempo no tienen sentido físico. También es importante recalcar que al realizar el ensayo de trazadores, no se obtiene una función analítica para C(t), sino una gráfica, por lo que la evaluación de la integral debe hacerse por métodos numéricos, usando el método de Euler (James et al., 1985), por ejemplo. Una de las características importantes de la función E(t) es que el valor esperado de la variable independiente (t) corresponde al tiempo de residencia hidráulico o tiempo de retención del líquido (tr) en el reactor (ecuación (2)). En el caso de un reactor ideal, tr se calcula mediante la ecuación (3) (donde VR es el volumen del reactor y QL es el caudal de alimentación). En el caso de un reactor real, el método de trazadores permite hacer ese cálculo de manera experimental una vez se conoce E(t).

𝑡𝑟 = ∫ 𝑡∞

0𝐸(𝑡)𝑑𝑡(2)

𝑡𝑟 =𝑄𝐿

𝑉𝑅 (3)

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Cuando el valor de tr calculado mediante la ecuación (2) es similar al valor calculado mediante la ecuación (3), se asume que el reactor se comporta de manera similar a un reactor ideal de mezcla completa. Si el valor de la ecuación (2) es menor, esto significa que el trazador está saliendo del reactor antes de lo esperado y se presenta el fenómeno de corto circuito. Si el valor de la ecuación (2) es mayor, el trazador se demora más de lo esperado dentro del reactor y se presenta el fenómeno de zonas muertas (zonas con mezclado deficiente). Finalmente, es importante mencionar que este enfoque probabilístico abre la posibilidad de hacer varios análisis estadísticos adicionales. Dentro de estos, en este estudio se hace

énfasis en el uso de un tiempo adimensional 𝜃, el cual resulta de dividir la variable independiente t entre la constante tr obtenida a partir de la ecuación (2). Tras este cambio

de variable, se obtiene la función de probabilidad E(𝜃), la cual tiene un valor esperado de 1 y permite el análisis del patrón dominante de mezclado con base en su varianza. Cuando la varianza (ecuación (4)) se acerca a un valor de cero, el patrón de mezcla se aproxima al de un reactor ideal de flujo pistón (PFR). Cuando la varianza se acerca a un valor de uno, el patrón de mezcla de aproxima al de un reactor ideal de mezcla completa (CSTR). En la práctica, cualquier valor por encima de 0,2 se atribuye a un reactor de mezcla completa (Sierra et al., 2008).

𝜎2 = ∫ 𝜃2∞

0𝐸(𝜃)𝑑𝜃 − 1 (4)

Evaluación de la Transferencia de Masa en el Reactor. Otro aspecto importante en los reactores airlift es la transferencia de masa del gas al

líquido. Esta transferencia es comúnmente caracterizada mediante el cálculo experimental del coeficiente global de transferencia de masa volumétrico (KLa). Dos ejemplos claros de la importancia de este cálculo son el cultivo de organismos aerobios, donde el paso de oxígeno hacia el líquido es un determinante de la velocidad de crecimiento; y el cultivo de microalgas, donde la fuente de carbono es CO2, el cual debe primero ser transferido a la fase líquida antes de ser consumido por los microorganismos. El cálculo de KLa se realiza a partir del modelo de transferencia de masa de la ecuación (5):

𝑑𝐶𝐿

𝑑𝑡= 𝐾𝐿𝑎(𝐶

* − 𝐶𝐿)(5)

Donde CL es la concentración del gas en el líquido (oxígeno por ejemplo) y C° es la concentración de saturación del gas en el líquido (se toma como constante y depende principalmente de la temperatura y la presión). Esta ecuación se puede integrar para condiciones iniciales donde CL=C0, dando como resultado la ecuación (6), que es la que permite diseñar el experimento para el cálculo de KLa:

𝑙𝑛 (𝐶*−𝐶𝐿

𝐶*−𝐶0) = −𝐾𝐿𝑎𝑡(6)

La ecuación (6) es la ecuación de una recta donde la variable independiente es el tiempo y la pendiente es KLa. De este modo, el experimento requiere que en el tiempo cero la concentración de gas en el líquido sea baja. Inmediatamente después se comienza el

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burbujeo y se debe medir la concentración de gas en el líquido con la mayor frecuencia posible. Este perfil de concentración de gas con respecto al tiempo es el que finalmente permite construir la recta representada por la ecuación (6) (Sierra et al., 2008).

7. Materiales y Métodos. Fotobiorreactor. Se diseñó un FBR de tubos concéntricos modificado con una base cónica invertida, relativamente alta, para facilitar la precipitación de los agregados de biomasa algal de mayor tamaño para su posterior recolección por el fondo del mismo (Figura 2). El FBR fue construido en plexiglass (acrílico) de 3 mm de espesor. El diámetro del tubo externo fue de 10 cm y la altura de 30 cm. Se construyeron 4 tubos internos para evaluar la incidencia del diámetro en el desempeño del FBR. La altura de estos tubos fue de 20-30 cm y los diámetros fueron 1½-2 pulgadas. La base del FBR fue un cono invertido con una altura de 10 cm para una altura total del FBR de 40 cm. La iluminación fue suministrada mediante una tira flexible de luces LED 50/50 (12 V) enrollada alrededor de la parte exterior del tubo externo. El aire se suministró mediante un compresor Aqueon conectado a una piedra de aireación para la producción de burbujas finas. Finalmente, el FBR contó con 3 válvulas: dos laterales para la entrada y salida de líquido y una válvula en el fondo del cono invertido para recolección de biomasa, cuando fuera necesario.

Figura 2. Esquema del FBR diseñado para este estudio. Cabe destacar la presencia del

cono de sedimentación en la parte baja de la base.

Ensayo de Trazadores. Se utilizó un pulso de 10 mL de una solución de NaOH a 50 g L-1 como trazador. El volumen del líquido de trabajo (agua) en el FBR fue de 2 L y el caudal constante QL fue de 4 mL s-1, para un tiempo de retención ideal de tr=500s. El pulso fue inyectado por la tubería de alimentación al FBR de manera “instantánea” (~2s) de acuerdo a lo recomendado en la literatura (Fogler, 2005). La curva de distribución de tiempos de residencia (RTD por su sigla en inglés) se construyó con base en datos de pH a la salida del FBR. Esta curva corresponde al perfil de concentración de iones hidroxilo ([OH-]) en función del tiempo. Esta representación

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gráfica de la RTD se usó posteriormente para establecer la función de distribución de tiempos de residencia (E(t)) usando la ecuación (1), donde la integral fue calculada numéricamente mediante el método de Euler (Hamming, 1987) usando Microsoft Excel. Dado que E(t) es una función de probabilidad, el cálculo del valor esperado (tr) y la varianza (𝜃 2) se llevó a cabo aplicando las ecuaciones (2) y (4), respectivamente. El flujo de aire se mantuvo constante en 20 mL s-1 y la longitud y diámetro del tubo interno se variaron (20-30 cm, 1½-2”) para un total de cuatro configuraciones.

Determinación del Coeficiente Volumétrico Global de Transferencia de Masa. El coeficiente KLa fue determinado mediante el método dinámico (Chisti, 1989), usando agua como líquido modelo y removiendo el oxígeno disuelto mediante ebullición por 20 min. El agua despojada de oxígeno fue almacenada en recipientes herméticos para su posterior uso a temperatura ambiente. Nuevamente, el flujo de aire se mantuvo en 20 mL s-1 y la longitud y diámetro del tubo interno se variaron (20-30 cm, 1½-2”) para un total de cuatro configuraciones. La concentración de oxígeno en el agua se registró usando una sonda multiparámetro Hanna HI98194 y el análisis de datos se llevó a cabo mediante regresión lineal con base en la ecuación (6) usando Microsoft Excel. Para facilitar la comparación entre los resultados de las cuatro configuraciones, se tomó como concentración inicial el 46% de saturación de oxígeno usando como referencia de saturación una concentración de 6,8 mg L-1, de acuerdo a los valores obtenidos al calibrar la sonda para las condiciones de presión y temperatura de la ciudad de Bogotá. Cultivo de Microalgas y Fijación de CO2. Se utilizó Chlorella vulgaris como organismo modelo para probar el sistema. El medio de cultivo fue agua residual semi-sintética compuesta por orina humana diluida en agua del acueducto en una relación de 4 mL orina L-1 agua. La orina se dejó estabilizar por dos semanas después de su recolección y fue auto clavada antes de su almacenamiento. La orina auto clavada tenía una demanda química de oxigeno (DQO) de 753 mg O2 L-1, una concentración de nitrógeno de 7280 mg L-1 y una concentración de fósforo de 57 mg L-1. No se agregó ningún nutriente adicional al medio de cultivo. El reactor fue operado por lotes y se alimentó una única vez con 2 L de alimento en el tiempo t=0. El flujo de aire se mantuvo en 20 mL s-1 y el tubo interno tenía 20 cm de alto por 1½” de diámetro. La temperatura de operación fue de 25°C ± 1.2°C. El seguimiento del crecimiento celular se llevó a cabo mediante espectrofotometría a 675 nm (Hernández et al., 2014), y la evaluación de parámetros como DQO, nitrógeno total y fósforo se hizo con

base en métodos estándar (Rice, 2012). Se asumió que el contenido de carbono en el reactor es proporcional a su DQO, con una relación carbono:DQO de 1:2.66 (Thalasso et al., 1997).

8. Resultados y Discusión.

Ensayo de Trazadores.

El ensayo de trazadores permitió evaluar las características hidrodinámicas del FBR con un enfoque hacia el mezclado. En el FBR diseñado se decidió modificar la base de tal manera que su parte más baja tenía la forma de un cono invertido y el tubo interno se

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mantenía por encima de esta zona (Figura 2). El objetivo era mantener una turbulencia mínima en el cono, de tal manera que la biomasa más densa sedimentara y quedara almacenada allí. Esto, en términos generales, equivale a introducir una zona muerta en el reactor, por lo que se podría asumir que el mezclado allí es esencialmente nulo y el volumen efectivo del FBR se ve reducido. Como referencia, es importante tener en cuenta que el volumen del cono invertido era de 262 mL. Se obtuvo una serie de datos de pH a la salida del reactor en función del tiempo. Los datos de pH fueron convertidos en concentraciones de ion hidroxilo (teniendo en cuenta que el trazador usado fue NaOH), con base en las cuales se calculó la función E(t). En las Figuras 3A y 3B se presentan los perfiles de concentración en función del tiempo y la correspondiente función E(t) obtenida para cada una de las cuatro configuraciones consideradas para el tubo interno. Es importante mencionar la introducción de la variable

𝜃 correspondiente al cociente entre t y tr. Este tiempo adimensional (𝜃) facilita el análisis, en parte debido a que 𝜃=1 corresponde al tiempo de retención hidráulica experimental calculado a partir del ensayo de trazadores (valor esperado de la función E(t)). En la

Figura 3C también se presentan los resultados obtenidos para la función E(𝜃), la cual corresponde a la función de probabilidad E(t) tras el cambio de la variable t por el tiempo

adimensional 𝜃.

Figura 3. Ensayo de trazadores. Este ensayo se llevó a cabo para cuatro configuraciones

del tubo interno: dos diámetros (1½”-2”) y dos alturas (20-30 cm). Se presenta el perfil original de concentraciones ([OH-]), la función E(t) y la función E(𝜃).

En general, se espera que un reactor perfectamente mezclado muestre un ascenso súbito de la concentración de hidroxilos, en t=0, y luego esta concentración debe presentar un descenso logarítmico (Fogler, 2005), tal y como sucedió con las cuatro configuraciones evaluadas. Es interesante observar como los perfiles están ligeramente achatados en la parte superior para los experimentos con el tubo de 1½”, mientras para el tubo de 2” se observan picos más agudos y definidos, comportamiento que podría estar relacionado con los resultados obtenidos tras normalizar los perfiles de concentración, como se explica más adelante.

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Una vez calculadas las funciones E(t) para las cuatro configuraciones, se puede observar cómo se homogenizan los resultados, de manera que los cuatro perfiles prácticamente se superponen. Sin embargo, el análisis numérico permite establecer las diferencias en el mezclado con base en el cálculo de tr. Aunque el valor teórico es de 500 s para el volumen total de 2 L, es necesario tener en cuenta la zona muerta en la base del reactor (cono invertido), cuyo volumen es de 262 mL; así que tr se reduciría a 434,5 s. Para el caso del tubo interno de 1½”, los tiempos calculados con base en E(t) son tienen semejanzas al teórico, sugiriendo que efectivamente la base del FBR no está siendo parte de la zona mezclada. Esta se favorecería de la sedimentación de biomasa. Para el caso del tubo interno de 2”, se registró una disminución importante de tr (aproximadamente 80 s menos de lo esperado), lo que sugiere que la zona muerta del reactor sube de 262-582 mL. Esta variación puede ser debida a que al tener un área transversal relativamente alta en el downcomer (diámetro bajo del tubo interno) la velocidad del líquido descendente

aumenta (Kawase y Moo-Young, 1986) de manera que éste es capaz de penetrar más en la base antes de volver al raiser, facilitando la mezcla eficiente de toda la sección

cilíndrica del FBR, pero sin entrar en la zona del cono invertido. Cuando disminuye el área transversal del downcomer (aumento del diámetro del tubo interno), el líquido descendente disminuye de velocidad e ingresa al raiser más rápidamente, de manera que

no solo el líquido del cono invertido permanece estático, sino que la parte baja de la sección cilíndrica también; por lo que la zona muerta aumenta de volumen.

Finalmente, la construcción de la curva E(𝜃) permitió el análisis de régimen de mezclado

con base en la varianza. Cuando la varianza de E(𝜃) es superior a 0,2, se considera que el reactor actúa como tanque mezclado. Más aún, cuanto más cercana es la varianza a 1, más cercano es el comportamiento del reactor a un tanque mezclado ideal (Sierra et al.,

2008). De acuerdo a la Figura 3C, la configuración que más se acercó al mezclado ideal es la de tubo interno de 1½”-30 cm. Estimación del Coeficiente de Transferencia de Masa gas-líquido. Las cuatro configuraciones del tubo interno fueron puestas nuevamente a prueba usando como variable de respuesta el coeficiente volumétrico global de transferencia de masa gas-líquido (KLa). La Figura 4 muestra los datos de porcentaje de saturación de oxígeno en agua, con respecto al tiempo, cuando los datos son linealizados de acuerdo a la ecuación (6). Nótese que los coeficientes más altos coinciden con las configuraciones de tubo interno que permiten mejores mezclados, el cual es el comportamiento teórico esperado. Por otra parte, se ha reportado que KLa aumenta cuando aumenta la relación Ad/Ar, es decir, cuando el tubo interno es más angosto (Gavrilescu y Tudose, 1996).

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Figura 4. Determinación experimental de los coeficientes de transferencia de masa

usando como gas de referencia oxígeno atmosférico. En este experimento se analizó el efecto de la geometría del tubo interno.

Al considerar en conjunto los resultados del mezclado y la transferencia de masa, se decidió que el prototipo final operara con un tubo interno de 1½”-20 cm. Aunque el tubo de 30 cm presentó condiciones de mezclado ligeramente superiores, el coeficiente de transferencia del tubo de 20 cm fue un 19% más alto. Ensayos de Crecimiento Celular. Teniendo en cuenta la configuración seleccionada se hicieron ensayos de crecimiento celular usando C. vulgaris como organismo modelo. Se obtuvieron resultados consistentes en las réplicas tal y como lo sugieren las barras de error en la Figura 5. Debido a que la operación del prototipo de FBR fue por lotes (batch) se observa una curva

clásica de crecimiento con una fase de latencia de dos días, una fase de crecimiento exponencial entre los días 2-5, y una fase estacionaria entre los días 6-8. Para el día 8 ya pareciera observarse una etapa de decaimiento de la densidad celular. Estos resultados y el perfil de crecimiento son consistentes con otros estudios usando C. vulgaris en medios BG11 y Kolkwitz (Vaičiulytė et al., 2014).

Figura 5. Curva de crecimiento de C. vulgaris en el FBR de fondo cónico. Las barras de

error se calcularon con base en tres réplicas.

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Estimación de la Fijación de Dióxido de Carbono. Mediante un ensayo de DQO fue posible estimar la entrada de carbono desde la atmósfera al cultivo celular. El medio de cultivo (agua residual semi-sintética) tenía una DQO de 3 mgO2 L-1, que es una cantidad apenas detectable. En el máximo punto de crecimiento celular registrado en el FBR, la DQO llegó hasta aproximadamente 300 mgO2

L-1, que es 100 veces mayor al valor original. Al construir una gráfica (Figura 6) de DQO en función de la densidad óptica del cultivo, se obtuvo un comportamiento prácticamente lineal, soportando la hipótesis de que el aumento de DQO en el cultivo es proporcional al crecimiento celular. Considerando que se trata de microorganismos fotosintéticos cuya única fuente disponible de carbono es CO2 atmosférico, la medida de DQO en el cultivo debería también ser proporcional a la cantidad de CO2 fijado desde la atmósfera.

Figura 6. Correlación entre crecimiento celular y aumento del carbono total en el FBR (contabilizado como DQO). La cantidad de DQO dentro del reactor es directamente

proporcional al CO2 fijado desde la atmósfera. El análisis de regresión se hizo con base en dos series de datos independientes.

De acuerdo a lo anterior, usando una relación carbono: DQO de 1:2.66 (Thalasso et al.,

1997), para una densidad celular de 300 se tendrían 225,6 mg de carbono (112,8 mg C L-

1) fijados por el reactor, que es el equivalente a 827,2 mg de CO2.

9. Conclusiones.

En este capítulo se presentó una estrategia rápida para el prototipado y evaluación del desempeño de FBRs para cultivo de microorganismos fotosintéticos como cianobacterias y microalgas. En la introducción se hizo un resumen de los conceptos teóricos sobre los que se construye la estrategia, mientras que en el apartado de resultados y discusión se usa un nuevo prototipo de FBR tipo airlift de tubos concéntricos (diseñado en los laboratorios de la Universidad Antonio Nariño) para ejemplificar la implementación de la estrategia. Cabe resaltar que la estrategia apunta a la minimización de costos usando materiales económicos para la construcción del prototipo y agua residual semi-sintética como medio de cultivo para las microalgas. La evaluación consistió de tres ensayos generales: ensayo de trazadores para evaluar la eficiencia de mezclado del FBR; ensayo de transferencia de masa para evaluar la eficiencia de absorción de gases en el medio de cultivo; y ensayo de crecimiento celular para evaluar la capacidad de producción de biomasa y fijación de CO2 del FBR. Los resultados numéricos obtenidos aquí permitieron no solo establecer que el prototipo

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propuesto de FBR funciona de acuerdo a lo planeado, sino que además permitió tomar decisiones sobre la configuración de los tubos concéntricos que permitiera un buen mezclado, una transferencia de masa óptima y el mantenimiento de una zona muerta en el cono inferior para recolección de las microalgas por sedimentación.

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