Las microalgas, cianobacterias y otros eucariotas unicelulares permiten hoy en día obtener interesantes moléculas de uso alimentario, cosmecéutico y nutracéutico como proteínas, lípidos y vitaminas. Sin embargo, el gran potencial de las microalgas llegará a través de un mayor desarrollo de la biotecnología.

Las microalgas son un recurso a nuestro alcance muy valioso, tanto por los productos que se pueden obtener de ellas, como de los servicios ecosistémicos que pueden ofrecer. A pesar que la fase industrial es todavía inmadura, y la escala es pequeña para muchas de las aplicaciones previstas, cada día que pasa se da un nuevo paso para reducir la brecha entre la producción y el mercado.

De las microalgas se dice que se pueden obtener proteínas, lípidos, vitaminas y metabolitos secundarios de alto interés tanto para la industria alimentaria como la nutracéutica, cosmecéutica, nuevos materiales y energética, entre otras. Las aplicaciones actuales de estos cultivos son la punta de un iceberg aún por descubrir gracias a los avances biotecnológicos que están por desarrollarse.

Con objeto de esclarecer un poco el panorama al que nos enfrentamos, un grupo de investigadores europeos liderados por el científico español de la Universidad de Almería, Gabriel Acién ha publicado en la revista New Bioeconomy una revisión científica en la que se analiza la importancia de las microalgas tanto por sus aplicaciones actuales como futuras.

Bajo el título “The role of microalgae in the bioeconomy” los autores engloban dentro de la definición de microalgas tanto a cianobacterias como a otros protistas unicelulares, siguiendo la tendencia relativamente bien aceptada dentro del ámbito científico de agrupar todo este tipo de microorganismos bajo una única definición.

En el trabajo se establecen diferencias y paralelismo entre las especies de microalgas heterotróficas y autotróficas, que utilizan la luz del sol y CO2 inorgánico para su crecimiento. También qué riesgos y oportunidades nos aportan los sistemas de producción en abierto y los cerrados en fotobiorreactores; las instalaciones industriales y la escala de producción, son algunos de los temas que se abordan en profundidad.

A continuación se destacan los aspectos más interesantes para tener en cuenta el el futuro desarrollo biotecnológico de estos microorganismos

La producción de microalgas a gran escala: Heterotróficas vs Autotróficas

Como se ha indicado más arriba, existen básicamente dos tipos de “microalgas”, las heterotróficas que usan una fuente de carbono orgánico para su crecimiento y que se producen en sistemas de fermentadores cerrados, y las autotróficas, que se nutren del CO2 inorgánico y suelen cultivarse en tanques o en sistemas tubulares.

Los organismos heterotróficos al necesitar una fuente de carbono orgánico en forma de azúcar (aunque se pueden usar otros como glicerol o ácido acético) no son totalmente sostenibles ya que dependen de la agricultura, ni tampoco tienen bajos costes de producción. Según los estudios estimados se necesitan 2 kilogramos de glucosa para producir 1 kilogramo de microalga.

Pese a las críticas, tal y como apuntan Teresa Lopes da Silva y colaboradores en la revisión científica “The dark side of microalgae biotechnology: A heterotrophic biorefinery platform directed to w-3 rich lipid production”, la sostenibilidad ambiental y económica de esta nueva industria va a depender de la capacidad de la metodología para hacer uso de los residuos orgánicos y de un consumo de energía reducido que permita bajar el coste de producción de 400 euros por tonelada de Omega-3 producido.

La estrategia heterotrófica, además, permite obtener resultados muy interesantes modificando las condiciones de cultivo. Es el caso de Chlorella sp que, bajo determinados parámetros del cultivo se puede modificar tanto el color como la composición bioquímica de la biomasa.

Otro caso interesante de uso heterotrófico es el de Schizochytrium sp que permite producir altos niveles de ácidos grasos poliinsaturados Omega-3 del tipo DHA que ya está siendo comercializado y usado por la industria alimentaria y que permiten la independencia de otras fuentes de Omega-3 DHA como la del aceite de pescado.

De otra parte están las microalgas autotróficas que utilizan luz solar como energía y CO2 atmosférico para su desarrollo, así como otros nutrientes como fertilizantes. Este modelo de producción es totalmente sostenible y se pone como ejemplo de sumideros de carbono azul. Con una conversión de 2 a 1 se consigue reducir 2 kg de CO2 por cada kilogramo de microalga producida.

Hasta el momento, las más representativas de este modelo de producción son: la cianobacteria del género Arthrosphira, de la que se obtiene el suplemento dietético Spirulina; Chlorella, rica en carotenos está muy difundida como suplemento nutricional; Dunaliella, de la que existen en el mercado suplementos por su alto contenido en vitamina A; y Haematococcus, de la que se extrae astaxantina, un colorante natural de uso alimentario.

Otras microalgas de las que ya se están empezando a desarrollar aplicaciones en acuicultura, agricultura o bioenergía son: Nannochloropsis, Tetraselmis, T-ISO y Phaedactylum de ámbito marino; y Scenedesmus, una microalga dulceacuícola.

Sistemas de producción: abierto vs cerrado

A pesar de tratarse de organismos muy interesantes, los principales retos a los que se enfrentan los productores son de costes en el cultivo, cosechado y concentrado de la biomasa.

Aunque se ha avanzado mucho en el diseño de los sistemas de producción, todavía existen grandes desafíos en esta área. Estos sistemas deben ser altamente eficientes en el aprovechamiento de la luz solar y de bajo consumo de energía en el proceso de cosechado y procesado.

Los sistemas cerrados son los que tienen un coste más alto, tanto por los materiales que se usan en la fabricación de los tubos, como la energía requerida para aireación y bombeo. Se calcular que en promedio este tipo de sistema consume 400 W/m3 y los costes de la biomasa se encuentra (dependiendo de la especie y el uso) en 20 euros el kilogramo. Con estos costes, el uso que hasta ahora se le puede dar a esta biomasa es en alimentación humana. A cambio, y como ventaja, estos sistemas permiten alcanzar una productividad máxima con una trazabilidad y control máximo, evitando problemas de contaminación.

Mientras que, los sistemas abiertos, tienen como principal ventaja los costes de cultivo, del orden de los 10 W/m3 (frente a los 400W/m3 de los anteriores), lo que hace que el 90% de la biomasa de microalga producida en el mundo proceda de este tipo de instalaciones. Sin embargo, las desventajas son altas y están relacionadas con las altas probabilidades de contaminación atmosférica y la inestabilidad de los cultivos. Con esta tecnología los costes de producción por kilogramo de biomasa son de 10 euros, siendo más del 70% de los costes los nutrientes necesarios.

Si se usan gases de combustión con alta carga de CO2 y efluentes procedentes de aguas residuales con alta carga de nitrógeno y fósforo, los costes se pueden reducir por debajo de los 2 euros por kilogramo. Si bien esta biomasa no se puede emplear para alimentación, plantea opciones interesantes como biofertilizantes o, incluso, biocombustibles.

Aplicaciones actuales limitadas por la escala y los costes

Para poder ampliar las aplicaciones de las microalgas es necesario un verdadero aumento del volumen de producción que, además, deberá ir acompañado de tecnología que permita reducir los costes de cultivo, cosechado y procesado.

Se estima que actualmente se producen 25.000 toneladas de microalgas al año con un precio de mercado de entre 20 a 50 euros el kilogramo, muy por encima del precio medio de la soja que supera los 200 millones de toneladas a un coste de 0,5 euros el kilo, o el aceite y la harina de pescado que supera los 7 millones de toneladas a un precio de 2 euros el kilo.

Solo si se aumentara la escala de las instalaciones a producciones de 100 hectáreas y 5.000 toneladas al año de producción en sistemas abiertos y de 2.000 m3 y 50 a 70 toneladas al año en sistemas cerrados se podría reducir el coste hasta los 5 euros el kilo y, mejorando la tecnología de producción y la escala, alcanzar en un futuro costes por debajo del euro el kilo.

Debido a los altos costes de producción, las aplicaciones están orientadas actualmente a mercados de alto valor como el de los alimentos saludables. La acuicultura y la alimentación animal es otro de los mercados con capacidad para absorber la producción de microalga. Gracias a los estudios que muestran los beneficios en las primeras etapas de cría de peces, cerdos, pollos y vacuno, así como otros animales domésticos, de ahí que se esté trabajando en la formulación de dietas de arranque para estas ganaderías.

Los productores están enfocados también en alcanzar altas cuotas en el mercado de la salud y la cosmética, aprovechando los metabolitos como carbohidratos bioactivos, antioxidantes, pigmentos y ácidos grasos entre otros, de alto valor que se pueden obtener de las microalgas y las cianobacterias. Estas, además, proporcionan otros valiosos compuestos activos con propiedades antivirales, antisépticas, antifúngias y anticancerígenas que se están estudiando.

Aplicaciones emergentes de las microalgas

Si bien ya se han descrito los principales usos de las microalgas, la plasticidad de estos permite un uso amplio todavía por descubrir. Todo va a depender de la capacidad tecnológica para reducir los costes y alcanzar altos volúmenes de producción.

Dentro de las futuras aplicaciones de las microalgas destacan los biomateriales en sustitución de los materiales fósiles, como los plásticos; o los pigmentos para la elaboración de pinturas.

En agricultura se pueden usar como bioestimulantes, por su riqueza en aminoácidos que actúan como fitohormonas aportando compuestos similares a la auxina, que actua en el crecimiento de las raíces, y citoquinas que actúan en el crecimiento de las hojas.

Plaguicidas, a través de las propiedades de algunas moléculas de las microalgas, principalmente marinas, frente a bacterias, hongos e insectos.

También se han descrito microalgas con capacidad para producir antibióticos y sideróforos.

Referencias:

F. Gabriel Acién Fernández, Alberto Reis, René H. Wijffels, Maria Barbosa, Vitor Verdelho, Bernardo Llamas. The role of microalgae in the bioeconomy. New Biotechnology, Volume 61, 2021, Pages 99-107, ISSN 1871-6784,
https://doi.org/10.1016/j.nbt.2020.11.011

Teresa Lopes da Silva, Patrícia Moniz, Carla Silva, Alberto Reis. The dark side of microalgae biotechnology: A heterotrophic biorefinery platform directed to w-3 rich lipid production. Microorganisms