Para avanzar en el desarrollo de lo que ya todos conocemos como Bioeconomía, es necesario investigar nuevos recursos biológicos que ayuden a diversificar las cadenas de valor existentes. Las microalgas son un ejemplo de este tipo de recursos. A partir de estos microganismos vegetales se pueden obtener de un amplio rango de bioproductos con valor económico en diferentes mercados incluyendo el alimentario, salud y bienestar, cosmética, industria química y sector energético.

Con una composición química muy completa y una reducida complejidad estructural, las microalgas se pueden considerar una biomasa con alto potencial como materia prima para el desarrollo de industrias tipo biorrefinería, en las que se persigue la producción integrada de insumos alimenticios, productos químicos y combustibles. Además, los cultivos de microalgas son, en términos generales, más productivos que los de los cultivos agrarios tradicionales y ocasionan un menor impacto medioambiental. Las características y los requerimientos del cultivo de estos organismos facilitan el desarrollo de estrategias novedosas de valorización de residuos que ayudan a minimizar el impacto ambiental de la actividad y resultan beneficiosas para la Economía Circular.

Este es el contexto en el que hace dos años comenzamos a construir el Proyecto CYCLALG.

Esencialmente, CYCLALG consiste en cultivar microalgas en corrientes residuales de la industria agro-alimentaria, obtener multi-productos comercializables en diferentes sectores a partir de la biomasa producida y convertir todos los residuos que se generan en el proceso en nuevas materias primas.

Para poder llevar a cabo este proyecto, elegimos a Chlorella protothecoides, una microalga que tiene la capacidad de producir alta cantidad de aceite cuando se cultiva en condiciones heterotróficas. ¿Qué significa heterotrófica? Para los que no estén familiarizados con el cultivo de microorganismos, heterotrófico significa que es capaz de crecer empleando  compuestos orgánicos como nutrientes y como fuente de energía. En el caso de Chlorella, tenemos una alternativa para producir biomasa vegetal a partir de materia orgánica y en ausencia de luz, en lugar de empleando luz solar y los tradicionales fertilizantes.

A partir de aquí, hemos cultivado el alga para producir biomasa. Hemos fraccionado progresivamente la biomasa obtenida. Hemos separado el aceite de las proteínas y carbohidratos. Hemos convertido el aceite en biodiesel, y las proteínas y los carbohidratos en un co-producto líquido rico en aminoácidos y azúcares que hemos empleado como medio de cultivo para continuar con la producción de microalgas. Hemos tratado de dar un nuevo valor a las corrientes residuales que se generan durante del proceso de obtención de aceite, extrayendo aquellas moléculas que tienen valor como “building blocks” para la industria química o como compuestos bioactivos para el sector cosmético. Hemos redirigido otros residuos del proceso para que retornen a la producción primaria, incluyéndolos en piensos de uso en acuicultura y en fertilizantes de uso agrario. Hemos empleado los residuos que carecen de cualquier otro uso posible como materia prima para la obtención biogás, que puede cubrir una parte de los consumos energéticos del proceso global.

A casi dos años desde el inicio del proyecto, en el ecuador del mismo, os contamos los resultados que hemos obtenido en diferentes actividades técnicas.

Actividad 1. Valorización de residuos orgánicos: recuperación de nutrientes y obtención de concentrados nutritivos

Uno de los ejes sobre los que pivota CYCLALG es la posibilidad de conseguir compuestos nutritivos (ej. aminoácidos y azúcares) a partir de diferentes residuos orgánicos. La finalidad es utilizar posteriormente estos compuestos como nutrientes en el medio de cultivo que las algas necesitan para crecer. Esta es la idea que confiere al CYCLALG el carácter “circular”: le damos un nuevo valor a los residuos reciclándolos en la obtención de nueva biomasa.

La obtención de nutrientes a partir de residuos es potencialmente ventajosa para los aspectos de sostenibilidad sino para la economía del proceso, ya que reduciría el costo del medio de cultivo. De este modo pretendemos dar un paso hacia la futura viabilidad del proceso de obtención de biodiesel de microalgas.

En esta actividad de valorización de residuos orgánicos, hemos diferenciado dos sub-actividades:

(1) La primera consiste en obtener nutrientes a partir del residuo algal desgrasado. Concretamente en recuperar el nitrógeno proteico presente en el mismo y transformarlo en una solución rica en aminoácidos, empleando para ello un proceso de hidrólisis enzimática.

(2) La segunda se ha centrado en la obtención de nutrientes a partir de determinados residuos agroalimentarios. Estos residuos incluyen restos de frutas, hortalizas y granos (maíz y linaza), sorgo y peladuras de patata, que serán convertidos en concentrados líquidos ricos en azúcares mediante un proceso de hidrólisis basado en extrusión termo-mecánica.

Estas dos actividades se han desarrollado en paralelo y sus resultados se completarán con los de la Actividad 2, en la que ambos “hidrolizados” se introducirán como componentes del medio de cultivo que permite la producción de una biomasa algal rica en aceite, tal como se muestra en el esquema.

Esquema A1 A2

1.1. Obtención de aminoácidos a partir del residuo algal desgrasado

Tras la extracción del aceite de cualquier material vegetal oleaginoso, se obtiene un residuo sólido desgrasado compuesto mayoritariamente por proteína e hidratos de carbono.  Esta biomasa “residual” se conoce comúnmente como “torta”. En realidad, esta torta no se considera actualmente como un residuo, sino como un coproducto de proceso de producción de aceites a partir de semillas oleginosas. Un co-producto que se destina frecuentemente a alimentación animal y alternativamente a la obtención de energía.

Exactamente lo mismo ocurre con las microalgas. Cuando la biomasa de las algas oleaginosas se somete a un proceso de extracción de aceite se obtiene como co-producto una de estas “tortas”. Es lo que hemos llamado en el esquema de CYCLALG Residuo 1 (R1). En el caso de la especie empleada en CYCLALG, el R1 está compuesto por 11 – 16% de proteína, alrededor del 70 % de carbohidratos y 16 % de cenizas.

Como ya hemos explicado anteriormente, el uso que hemos propuesto para el R1, es su transformación en un hidrolizado rico en nutrientes que se puedan emplear para el cultivo de la microalga. Es decir, utilizar esta fracción residual obtenida tras la extracción de aceite para continuar produciendo aceite.

El objetivo específico de la Actividad 1.1 fue recuperar el nitrógeno presente en la fracción proteica de la torta. Para ello, se empleó un proceso de digestión enzimática que permite cortar las proteínas a sus componentes básicos, los aminoácidos, empleando dos proteasas y una carbohidratasa. En la fase inicial de la actividad se llevaron a cabo una serie de ensayos a escala de laboratorio para determinar los valores óptimos de variables que afectan al proceso como son la concentración relativa enzima/sustrato, la temperatura y el tiempo de la reacción. Una vez determinados los parámetros óptimos del proceso, la hidrólisis enzimática se reprodujo en un reactor automatizado con un volumen de trabajo de 5 litros.

El proceso desarrollado permite extraer e hidrolizar hasta un 80% de las proteínas presentes en la “torta” o residuo, dando lugar a un producto líquido con la siguiente composición (Tabla 1).

Tabla 1. Composición de la solución obtenida mediante hidrólisis enzimática a partir del residuo desgrasado R1. (Resultados Neiker)
Tabla 1. Composición de la solución obtenida mediante hidrólisis enzimática a partir del residuo desgrasado R1. (Resultados Neiker)

 

1.2. Obtención de azúcares a partir de residuos agro-alimentarios

Las actividades industriales del sector agroalimentario producen cada año toneladas de corrientes residuales ricas en materia orgánica que ofrecen un elevado potencial de valorización. En CYCLALG hemos seleccionado algunos de estos residuos como posibles materias primas para la obtención de nutrientes necesarios para la producción de microalgas. El objetivo en este caso ha sido obtener  azúcares y los residuos  han sido los que se muestran en la imagen: restos de ciruelas y de maíz procedentes de conserveras, sorgo, linaza y peladura de patata.

MP Agro

Figura Extrusión TM con tornillo
Figura 2. Esquema del proceso de extrusión fragmentación termo-mecánica con tornillo.

Para obtener azúcares de estos materiales, se empleó un método de fraccionamiento o hidrólisis termo-mecánica mediante un extrusor de tornillo (Figura 2). De manera muy simple, esta tecnología consiste en un tornillo sin-fin que gira dentro de una camisa, accionado por un motor. El proceso empieza con la molienda  del residuo una vez introducirlo a través de la boca de alimentación situada en un extremo del extrusor. Mientras continúa el proceso de giro, se va introduciendo agua que  impregna el residuo y permite que los azúcares se disuelvan en la misma.  Finalmente, en la parte distal del extrusor se separa por filtración la fase líquida rica en azúcares y los restos sólidos del residuo extrusionado.

La fase líquida es el producto hemos usado como fuente de azúcares en la fase de cultivo de microalgas. Los restos sólidos se han destinado a la obtención de biogás por metanización. Hasta el momento, en esta actividad se han procesado de la manera descrita dos lotes de residuos de ciruelas, dos lotes de maíz y un lote linaza. En la Tabla 2 os mostramos los resultados de la caracterización (composición de azúcares) de los hidrolizados obtenidos.

Tabla 2. Contenido en azúcares libres en los extractos obtenidos por extrusión a partir de residuos de ciruela, linaza y maíz.
Tabla 2. Contenido en azúcares libres en los extractos obtenidos por extrusión a partir de residuos de ciruela, linaza y maíz.
Actividad 2. Producción de microalgas en medios de cultivo derivados de residuos orgánicos

A medida que avanzaba la actividad de hidrólisis de residuos orgánicos para obtener hidrolizados ricos en nutrientes, comenzamos a trabajar en el desarrollo de un proceso de cultivo más sostenible, más ventajoso en flujos de materia-energía. Un proceso de cultivo que permite convertir los nutrientes derivados de residuos en una biomasa rica en aceite.  Se puede considerar a este proceso como una vía de valorización de residuos y a la vez que un proceso de biorremediación .

Para empezar a construir este proceso, en primer lugar evaluamos cuáles eran los requerimientos nutricionales mínimos del alga. Para ello empleamos compuestos orgánicos comerciales como la dextrosa (D-glucosa de uso industrial), el extracto de levadura o el Corn steep liquor y también diferentes sales inorgánicas.

Con este tipo de nutrientes, establecimos un primer procedimiento de cultivo que permitía alcanzar una concentración de biomasa de 20 g PSL-1, con un valor de productividad  4.6 g PS L-1d-1. La biomasa obtenida se analizó para determinar su composición lipídica y su perfil de ácidos grasos. Los resultados los mostramos en la Tabla 3: un 55% de materia grasa y un perfil de ácidos grasos compuesto mayoritariamente por palmítico, oleico y linoleico.

Aparte de los requerimientos nutricionales mínimos, otros aspectos determinados en esta primera etapa de la actividad fueron la necesidad de emplear una elevada relación C/N en el medio de cultivo, de estabilizar el pH durante el crecimiento y de gestionar el proceso para mantener una pO2 no limitante en el medio de crecimiento.

El procedimiento de cultivo anterior se replicó con éxito a escala de planta piloto en  el Centro de Biocombustibles de Segunda Generación (CB2G) de CENER (Centro de Energía Renovable de Navarra), donde se emplearon bioreactores de 40-100 y 1000 litros para la producción de biomasa algal. Más información…

A partir de éste momento, el objetivo fue remplazar progresivamente los nutrientes comerciales por hidrolizados obtenidos a partir de residuos en la Actividad 1.

En el estado actual de avance del proyecto, el medio de cultivo que se emplea para el crecimiento del alga está compuesto en más del 80%, por nutrientes obtenidos a partir de residuos orgánicos. El hidrolizado obtenido a partir de la torta desgrasada del alga, se empleó como alternativa al extracto de levadura para aportar aminoácidos al cultivo, mientras ell hidrolizado obtenido a partir de ciruela se usó para suministrar al medio los azúcares necesarios para el crecimiento del alga. También se incluyó una de las corrientes residuales que se generan el proceso de extracción de aceite (Actividad 3) y que está compuesto por agua y glicerol.

Cultivo de Chlorella en bioreactor de 5 L
Cultivo de Chlorella en bioreactor de 5 L

Tenemos que resaltar  que el empleo de todas estas fracciones residuales como nutrientes en el medio de cultivo resultó en un incremento del  30% en la productividad del proceso.  Actualmente producimos 90 gramos de microalga húmeda por litro de cultivo, con una productividad de  7.5 gPSL-1d-1.

Actividad 3. Obtención de biodiesel a partir de la biomasa algal

Esta actividad incluye dos procesos independientes:

(1) la extracción de aceite a partir de la biomasa bruta y

(2) su posterior transformación a biodiesel.

3.1 Extracción de aceite

Para la extracción de aceites, se empleó un protocolo en tres pasos que comienza con la saponificación directa (KOH Etanol) de la biomasa seguida de filtración, para da lugar a una fracción hidro-alcohólica que contiene los lípidos  y un residuo sólido desgrasado (R1) o torta. En un segundo paso, la fracción hidro-alcohólica se extrae con hexano para  separar los compuestos saponificados (destinados a la obtención del biodiesel) de los no saponificables (R2). El tercer paso es la obtención final de los ácidos grasos tras una hidrólisis ácida y una extracción con hexano y evaporación. En este paso se obtiene además la fracción R3, compuesta mayoritariamente por agua y glicerol.

El primer paso fue optimizar las condiciones de proceso de extracción a escala de laboratorio. En esta etapa  el rendimiento de extracción fue un 70% con respecto a los lípidos totales (35% de aceite respecto al peso seco).  En una segunda fase, el protocolo anterior se aplicó  a escala de planta piloto, donde se llevaron a cabo  dos operaciones independientes de extracción para procesar 12 Kg de biomasa  algal (biomasa producida en la Actividad 2).

En ambos casos se obtuvieron rendimientos de extracción similares a los obtenidos previamente en el laboratorio (70 y 78 % para las operaciones de extracción 1 y 2, respectivamente).  En la Tabla 4 os mostramos los resultados de las actividades de extracción.

Tabla 4. Resultados de la extracción de aceite a escala laboratorio y en planta piloto (Resultados de CATAR).
Tabla 4. Resultados de la extracción de aceite a escala laboratorio y en planta piloto (Resultados de CATAR).

 

Para completar la actividad, el aceite obtenido en las extracciones en planta piloto de CATAR se envió a CENER, donde se caracterizó y se transformó en un producto energético, biodiesel. Como resultado, podemos afirmar que es posible transformar el aceite obtenido de la microalga en un biodiesel de buena calidad, que presenta una riqueza en FAMES superior al 98 % y un perfil similar al biodiesel obtenido de colza, ajustándose a los estándares que marca la legislación vigente que regula la comercialización de biocombustibles.

 

Tabla 5. Caracterización del biodiesel obtenido de acuerdo a EN14214
Tabla 5. Caracterización del biodiesel obtenido de acuerdo a EN14214 (Resultados CENER)

 

El proceso de obtención de biodiesel a partir del aceite algal es replicable y escalable a nivel industrial. Sin embargo, hay un aspecto que obstaculiza su comercialización actualmente y que está relacionado con su grado de acidez. Dicha acidez hace necesario que la transformación en biodiesel se realice mediante un proceso de esterificación ácida, que emplea como catalizadores cloruro de acetilo:MetOH o ácido sulfúrico:MetOH. Los costes de la trans-esterificación ácida son algo superiores a los de la trans-esterificación básica, lo que repercute en que dicho proceso esté menos extendido a escala industrial.  A lo anterior se suma la directriz actual de emplear preferiblemente “residuos” oleaginosos como materias primas para la obtención de biodiesel. Esto dificulta que industrias que operan actualmente con aceites vegetales incluyan el de esta alga. Sólo es un obstáculo….

 

Actividad 4. Valorización de glicerol en “buildings blocks” para la industria química: polioles.

Esta actividad se centró en la valorización del residuo R3, una corriente residual que se genera durante el proceso de obtención de aceites, junto a los ácidos grasos, los compuestos insaponificables. La corriente R3 está constituida principalmente por agua y glicerol, acompañado de sales provenientes de la saponificación e hidrólisis de los ácidos grasos y restos de compuestos orgánicos como polisácaridos, glicolípidos, etc.

El objetivo de la actividad fue extraer glicerol con un grado suficiente de pureza como para que pueda ser empleado como sustrato para la síntesis de carbonato de glicerol y  polioles derivados del mismo. Los polioles son building blocks que pueden ser empleados por la industria química para la obtención de diferentes productos de interés comercial,  como adhesivos.

Los tratamientos de purificación de glicerol realizados a partir de R3 han consistido, por una parte, en la puesta a punto de un proceso de electrodiálisis que ha permitido eliminar el contenido salino en el medio en más de un 95%. Por otra parte, se han probado distintos tratamientos para eliminar el contenido de la materia orgánica no glicerinosa (MONG) presente en la corriente de residuo R3. Entre los diferentes tratamientos que se han utilizado cabe destacar: extracción líquido-líquido con diversos disolventes, destilación a vacío, adsorción con zeolitas y filtración con membranas de nano-filtración. De todos ellos, el más eficaz ha resultado ser la nanofiltración que ha permitido el aislamiento parcial del glicerol de otros compuestos estructuralmente similares.

 

Hasta aquí el resumen de estado de avance del proyecto. Seguimos avanzando con el resto de las actividades del proyecto, tanto con las de índole técnica como con las que abordan la validación de procesos y la difusión de resultados. De momento, podéis encontrar más información en el apartado de Resultados de esta web.