Bioprospeción de Microalgas y Bioingeniería

En todo el planeta, se ha presentado un abastecimiento a gran escala de agua potable por parte de los agricultores y las industrias a una velocidad mayor que la velocidad de reposición. A parte de esto, el vertimiento de residuos líquidos contaminantes de la industria es un grave problema, ya que no todas las industrias cuentan con un sistema para reducir la carga de contaminantes ni para realizar un debido tratamiento a los efluentes que se vierten a los cuerpos de agua. Por esto, el tratamiento de aguas residuales se ha convertido en una necesidad, ya que es probable que el vertimiento de nutrientes, materia orgánica, organismos patógenos y sustancias tóxicas a los ecosistemas naturales aumenten (J., 1994). Sin embargo, los sistemas suelen ser costosos y requieren altos consumos de energía.mano de obra y personal calificado para su construcción y operación (Inc., 1995). Teniendo en cuenta esto, ha surgido la necesidad de encontrar medios para el tratamiento de las aguas residuales que pueden ser tanto eficientes como de bajo costo. En las últimas décadas el uso de microalgas se ha convertido en una alternativa viable para llevar a cabo este propósito. Los sistemas basados en microalgas, pueden tener diferentes aplicaciones en el mismo proceso, además del tratamiento de aguas residuales, producción de biocombustibles y captación de dióxido de carbono. (Ansari, Khoja, Nawar, Qayyum y Ali, 2017) En las últimas décadas el uso de microalgas se ha convertido en una alternativa viable para llevar a cabo este propósito.Los sistemas basados en microalgas, pueden tener diferentes aplicaciones en el mismo proceso, además del tratamiento de aguas residuales, producción de biocombustibles y captación de dióxido de carbono. (Ansari, Khoja, Nawar, Qayyum y Ali, 2017) En las últimas décadas el uso de microalgas se ha convertido en una alternativa viable para llevar a cabo este propósito. Los sistemas basados en microalgas, pueden tener diferentes aplicaciones en el mismo proceso, además del tratamiento de aguas residuales, producción de biocombustibles y captación de dióxido de carbono. (Ansari, Khoja, Nawar, Qayyum y Ali, 2017)

La utilización de cultivos de microalgas como tratamiento terciario presenta grandes ventajas frente a los sistemas convencionales físicos y químicos, ya que no genera problemas de polución secundaria, una vez que la biomasa es cosechada y, además, permite un eficiente reciclado de los nutrientes, al incorporarlos a su metabolismo (De la Noüe, 1988)

En cuanto a los biocombustibles, son una gran fuente de energía renovable por sus ventajas económicas y ambientales. Actualmente se están invirtiendo muchos recursos para investigación, dirigida a minimizar los costos de la materia prima para la obtención de biodiesel (Large-scale biodiesel production from microalga Chlorella protothecoides through heterotrophic cultivo in bioreactors, 2007), some se han inclinado en el uso de microalgas

Un aspecto de vital importancia es que el biocombustible obtenido cumpla con las especificaciones de calidad internacionales (ASTM D6751; EN 14214). El uso de microalgas podría cumplir estas condiciones y al mismo tiempo, proporcionar beneficios ambientales a través de la captura de CO2 (BRENNAN L, 2010). Las ventajas del uso de microalgas para la obtención de biodiesel ya han sido demostradas, sin embargo, aún no se ha definido una cepa ideal, dada la diversidad de factores que influyen en la productividad de los lípidos y por ende en el costo de producción del biodiésel

Introducion

Las microalgas poseen una capacidad de biorremediación que consiste en la eliminación o transformación de contaminantes como el dióxido de carbono, el nitrógeno, el fósforo entre otros, de un medio líquido o gaseoso. Estos compuestos contaminantes son captados por las microalgas y pueden ser recuperados mediante su cosecha.

La fabricación de biomasa de microalgas ha producido una variedad de productos biotecnológicos con empleo en la industria alimenticia, salud y medicina humana, alimentación animal, compuestos orgánicos y biocombustibles. Estos aspectos adquieren importancia gracias a los problemas ambientales existentes hoy en día. (Hernández-Pérez & Labbé, 2014).

Al tratarse de organismos vivos involucran una serie de parámetros (nutrientes, luz) que deben ser considerados, evaluadores, determinados y medidos para realizar con éxito un cultivo. Además cambian óptimos según la especie cultivada (Grobbelaar, 2004).

A continuación se sintetiza de forma general, información acerca de la bioprospección que tiene la microalgas y su bioingeniería, en relación a sus capacidades para remoción de contaminantes y producción de biomasa.

En este trabajo se desarrollara en el ámbito internacional, latinoamericano y nacional, el desarrollo que ha tenido la bioprospección de las microalgas, al igual la bioingeniería de esta misma y de algunas bacterias.

Desarrollo Del Trabajo

Las microalgas han recibido en los últimos años mayor atención como un sistema biológico alternativo para la descontaminación de sistemas hídricos y atmosféricos. Estos microorganismos se han empleado en mayor medida en técnicas de tratamiento terciario de agua residual, debido a su habilidad de remover nutrientes inorgánicos como el nitrógeno y el fósforo de las aguas residuales, los cuales son asimilados para su crecimiento. (De la Noüe & Laliberte, 1992). Las microalgas utilizan compuestos como los nitratos, nitrógeno amoniacal y ortofosfatos, para llevar a cabo una conversión de estos compuestos en biomasa.

Ambito Internacional

Hoy en día se ha vuelto necesario la obtención de fuentes de energía renovable para satisfacer las crecientes demandas energéticas y al mismo tiempo proteger el medio ambiente. Es por esto que nace la bioingeniería. A partir de la idea de aplicar conceptos y procesos de la ciencia de la naturaleza, a procesos humanos, intentando imitarlos. Los acercamientos de la ingeniería usan perspectivas de diseño clásico, de forma construccionista, desarrollando nuevos dispositivos y tecnologías. La ingeniería biológica usa ambos métodos, usando el reduccionismo para identificar, entender y organizar las unidades fundamentales (Poblet, 1988). De igual manera el hombre ha venido buscando, productos útiles de recursos derivados que incluyen plantas, microorganismos, animales, etc.,que pueden desarrollarse aún más para la comercialización y los beneficios generales de la sociedad (Kuete). A esto se le conoce como bioprospección la cual si bien puede existir antiguamente, durante los últimos veinte años ha adquirido un margen de actualidad extraordinaria, debido a los avances tecnológicos que se han dado en farmacéutica, biotecnología y agricultura.

Un gran ejemplo de la aplicación de la biotecnología es la bioprospección de microalgas. Las primeras investigaciones enfocadas al estudio del potencial de los microorganismos para biodegradar contaminantes fueron llevadas a cabo, a mediados de 1946 y 1950. Actualmente tanto las aguas superficiales como subterráneas están siendo contaminadas por el hombre es por eso que el uso de las microalgas se ha posicionado como uno de los métodos más eficaces para el tratamiento de aguas residuales.Su aplicación, se viene dando desde la primera mitad del siglo XX, de la mano de Cadwell, quien fue el primero en realizar estudios serios sobre el tema, y con mayor profundidad a finales de la década de 1950, por Oswald, y durante los años sesenta por las investigaciones llevadas a cabo en Hollister, California – Estados Unidos (Salazar, 2005)

El reciente interés a nivel mundial en el uso de microalgas con finos energéticos, relacionado a la necesidad de utilizar tecnologías más sostenibles en el tratamiento de aguas residuales, ha hecho de los procesos de mediante tratamiento microalgas una alternativa prometedora desde el ámbito económico y ambiental frente a los demás sistemas que se han ido utilizando. Ya que estos microorganismos tienen el potencial de eliminar de manera eficiente los nutrientes de las aguas residuales y proporcionar una fuente de energía de biomasa. Además, cuando se combina con los sistemas convencionales de lodos activados, la simbiosis de algas y bacterias puede reducir la demanda de energía eléctrica de la aireación, aproximadamente del 50% de la energía total de las plantas de tratamiento de aguas residuales.(ARASHIRO, 2016). Según el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de los Estados unidos las microalgas son capaces de producir 40% de aceite excedente para biodiesel por unidad de área en comparación con otros cultivos, sin embargo, estudios recientes han demostrado que el potencial de las microalgas es más amplio en el tratamiento de aguas residuales, ya que requiere costos menores, por lo que se considera un método más rentable y sostenible. El tratamiento de aguas residuales por medio de estos cultivos busca maximizar las reducciones de materia organica, solidos, nutrientes u otros contaminantes.Estudios recientes han demostrado que el potencial de las microalgas es más amplio en el tratamiento de aguas residuales, ya que requiere costos menores, por lo que se considera un método más rentable y sostenible. El tratamiento de aguas residuales por medio de estos cultivos busca maximizar las reducciones de materia organica, solidos, nutrientes u otros contaminantes. Estudios recientes han demostrado que el potencial de las microalgas es más amplio en el tratamiento de aguas residuales, ya que requiere costos menores, por lo que se considera un método más rentable y sostenible. El tratamiento de aguas residuales por medio de estos cultivos busca maximizar las reducciones de materia organica, solidos, nutrientes u otros contaminantes.

El grupo de Tecnología Ambiental de la Universidad de Valladolid cuenta con 15 años de experiencia en el tratamiento de aguas domésticas, industriales y ganaderas mediante fotobiorreactores abiertos y cerrados de algas y bacterias. El acoplamiento del proceso de depuración con el upgrading de biogás o la captura de CO2 de gases de combustión y la optimización de procesos de nitrificación-desnitrificación han permitido incrementar el rango de aplicación de esta tecnología (Bolado, y otros). La biomasa de las microalgas constituye una materia prima valiosa para la producción de bioenergía en forma de alcoholes o biogás, alimentación animal, biofertilizantes u otros productos de valor añadido.

En este contexto, los sistemas para llevar a cabo el tratamiento de aguas residuales en este siglo XXI aprovecharán al máximo la producción de energía a partir del agua residual con una huella reducida de carbono al tiempo que contribuirá a la eliminación de nutrientes y patógenos. Los procesos de algas y bacterias soportan una oxigenación fotosintética de bajo costo (mediante energía solar), una mayor asimilación de nutrientes comparada con los procesos convencionales de lodos activos (como resultado de la combinación de mecanismos autótrofo y heterótrofo) y una eliminación efectiva de patógenos y contaminantes emergentes (debido a los altos pHs y concentraciones de oxígeno inducidos por la fotosíntesis microalgal, y de la acción de la radiación UV) (C., R., & R., 2013). Esta tecnología,inicialmente desarrollada en California en los años cincuenta por el profesor William J. Oswald, ha experimentado importantes avances en los últimos años como resultado del reciente interés por los biocombustibles basados en microalgas. La posibilidad de transformar carbohidratos, lípidos y proteínas presentes en las algas lleva a la valorización de los residuos y nutrientes.

La gran ventaja de esta biotecnología es que la mayoría de las especies de algas que se han comprobado son efectivas y están disponibles, especialmente en países que carecen de infraestructura para el tratamiento de aguas residuales. En comparación con otros sistemas de tratamientos de aguas, los cultivos de microalgas son considerados una tecnología de mediana complejidad, con desarrollo en escala de plantas piloto (Flotats X, 2011). Al tratarse de organismos vivos involucran una serie de parámetros que deben ser considerados, evaluados y medidos para realizar con éxito un cultivo. La elección de las especies a cultivar depende directamente de la finalidad que se le desea dar a la biomasa resultante o si el cultivo es para ficorremediación. En condiciones apropiadas,las microalgas poseen una capacidad depuradora conocida como ficorremediación definida como el uso de macroalgas y/o microalgas para la eliminación o biotransformación de contaminantes, desde aguas residuales y desde un medio gaseoso (EJ., 2003). Las microalgas en un cultivo para ficorremediación deben cumplir con 3 condiciones: alta tasa de crecimiento, alta tolerancia a la variación estacional y diurna si es un sistema abierto y buena capacidad para formar agregados para una cosecha por simple gravedad (Park J, 2011). Además, altos niveles de componentes celulares valiosos por ejemplo lípidos para generación de biodiesel. Algunas especies presentes en aguas contaminadas son utilizadas en tratamientos de aguas residuales por su elevada tolerancia.

La intensidad lumínica es uno de los principales parámetros a considerar en un cultivo, ya que este influye en el proceso de fotosíntesis y por ende en su crecimiento (Contreras, J Peña, Flores, & R Cañizares, 2003).La intensa fotosíntesis realizada durante el día en sistemas de cultivo puede aumentar los niveles de oxígeno disuelto a saturación > 200%. Se cree que una saturación elevada podría afectar la productividad de algas. En 2011 Molina en su artículo sobre uso de microalgas como alternativa a las tecnologías disponibles de mitigación de emisiones antropogénicas de CO2, terminando que a una saturación del 200% existe una reducción del 17% en la productividad, mientras que a 300% se reduce en un 25%. Todavía se requiere más investigación para demostrar el efecto de altos niveles de oxígeno.De igual manera la producción de algas aumenta proporcionalmente con la temperatura hasta alcanzar la temperatura óptima de cada especie. La temperatura óptima varía entre las especies, pero en general está entre 28° y 35°C (Park J, 2011).

Otro parámetro importante es el pH del cultivo el cual está influenciado por varios factores como la productividad algal, la respiración, la alcalinidad y composición iónica del medio de cultivo, la actividad microbiana autotrófica y heterotrófica y la eficiencia del sistema de aumento de CO2. Como en los otros parámetros, cada especie necesita un rango determinado de pH que permita un crecimiento óptimo, siendo pH 8 el más indicado para especies dulcesacuícolas (L., 2008). Por encima o debajo de éste, presenta un descenso en la productividad, que no solo afecta el crecimiento de algas, sino también la capacidad de remover el nitrógeno en sistemas de tratamientos de aguas (Park J, 2011). A parte se han realizado variados estudios sobre las capacidades de diferentes microalgas para la fijación de CO2.

Desde mediados del siglo XX se sabe que las microalgas son eficientes en la remoción de nitrógeno y fósforo en aguas residuales (Hammouda O, 1995). Esto se debe a que son nutrientes esenciales en la formación de biomasa, por lo que incorporan el amonio, nitrato y fósforo por absorción directa Las principales formas en que se encuentra el nitrógeno en las aguas residuales son amonio, nitrito y nitrato, mientras que el fosfato se presenta como ortofosfato (Wong, 1996). En cuanto a los nutrientes el más importante es el nitrógeno después del carbono y se incorpora como nitrato o como amonio. Es también un factor crítico para regular el contenido de lípidos de las microalgas (JU, 2004).Comúnmente, las microalgas tienen un contenido lipídico aproximadamente del 20%, pero cuando el nitrógeno se convierte en el factor limitante del crecimiento, la acumulación de los niveles de lípidos aumenta en más del 40%. Sin embargo, usando la limitación de nitrógeno para estimular la acumulación de lípidos en las células de algas, a menudo reduce la producción de algas, lo que sugiere que las 2 condiciones, alto contenido en lípidos y alta productividad, pueden ser excluyentes (Benemann, 1993).

El fósforo es fundamental en muchos procesos celulares, tales como la formación de ácidos nucleicos y transferencia de energía. Aunque el contenido en fósforo de las microalgas es menor al 1%, su deficiencia en el medio de cultivo es una de las mayores limitaciones al crecimiento (JU, 2004)

En cuanto a la reducción de compuestos contaminantes, se busca eliminar la demanda bioquímica de oxígeno (DBO), sólidos suspendidos, nutrientes, coliformes y toxicidad (Dominic VJ, 2009).

En 1988, Colak & Kaya en estudios sobre utilización de microalgas en aguas residuales urbanas, registraron valores moderados de remoción de DBO de 68,4% (Hammouda O, 1995) En 2008, resultados similares se observaron por Hodaifa y colaboradores con una remoción de 67,4% en cultivos de Scenedesmus obliquus , alimentadores con agua residual procedente de la producción de aceite de oliva (Brennan & P, 2010). Mientras que León y Chaves en el 2010 con su artículo sobre “tratamiento de residual vacuno utilizando microalgas, la lenteja de agua Lemna aequinoctiales y un humedal subsuperficial en Costa Rica” lograron una reducción apreciable de un 91,4 % en tratamientos con lagunas de certeza y microalgas.En cuanto a la DQO, Hammouda en 1995 con “Microalgae and Wastewater Treatment” apareció para Scenedesmus sp. y Chlorella vulgaris Beyerinck , una remoción de DQO de 89 y 91,7, respectivamente. Hongyang (2011) en su trabajo “Cultivation of Chlorella pyrenoidosa in soybean processing Wastewater” al trabajar con C. pyrenoidosa Chick y aguas residuales del procesamiento de soja, adquirieron una remoción de DQO de 80 y 84%. Por último, se registraron valores de DQO de 90,3 y 90,8% en sus experimentos con Chlorella sp ., concluyendo que las microalgas utilizaban rápidamente diferentes compuestos orgánicos como fuente de carbono, además del CO2.

También se ha demostrado que cultivos hiperconcentrados de algas (biomasa > 1,5 g L-1 peso seco) son altamente efectivos, al acelerar la remoción de nutrientes en comparación a cultivos normales (Rawat, R, T, & F, 2011). A parte, muchas especies de microalgas han sido conocidas y estudiadas por su capacidad de retirar metales disueltos. En 1986, Gale tuvo una remoción del 99% de metales disueltos en agua de la minería por medio de microalgas (Abdel, Al, & IBM, 2010). Otras investigaciones demuestran que existe una amplia gama de especies de microalgas que absorben diferentes metales pesados, soportando y adaptándose fisiológicamente al estrés por este tipo de contaminación.

Entre los métodos de recuperación de la biomasa se pueden encontrar centrifugación, sedimentación, filtración, flotación y floculación (Abdel, Al, & IBM, 2010). La biomasa algal tiene una amplia utilización que va desde biofertilizante a producción de biocombustibles, también para alimentación animal y humana, y para la obtención de productos biotecnológicos con uso en medicina, farmacia y/o cosmética.

Gómez en el 2007 en su libro “Microalgas: Aspectos ecológicos y biotecnológicos”, indica los beneficios de los cultivos de microalgas en 3 puntos: Principalmente el cultivo de microalgas es un sistema biológico eficiente de utilización de la energía solar para producir materia orgánica. Las microalgas crecen más rápido que las plantas terrestres y es posible obtener mayores rendimientos anuales de biomasa; segundo, la composición bioquímica puede modificarse fácilmente variando las condiciones ambientales y/o la composición del medio de cultivo y por último, bajo ciertas condiciones, muchas especies de microalgas pueden acumularse en altas concentraciones compuestos de interés comercial, tales como proteínas, lípidos, almidón , glicerol, pigmentos naturales o biopolímeros (L, 2007).El potencial de las microalgas es considerable,

Una de las alternativas de energía renovables que se ha venido utilizando, es la producción y utilización de biomasa para la generación de biocombustibles. Esta se ha obtenido de diferentes fuentes, sin embargo, las microalgas son un fuerte contendiente para la generación de biocombustibles, ya que se puede cultivar con éxito en diferentes medios sintéticos, así como en diferentes tipos de aguas residuales, las cuales pueden ser la mejor opción para cultivar las microalgas, ya que contienen estos nutrientes para la generación de biomasa, que pueden utilizarse para la producción adicional de varios productos útiles, como biodiesel, etanol, metanol, biomoléculas, hidrógeno, fertilizantes y carotenoides. (Mostafá SSM, 2012)

Ambito Latino Americano

De las investigaciones que se han adelantado a nivel latinoamericano, la gran mayoría intersecan en la búsqueda de un combustible alternativo que supla las necesidades actuales, y reemplace los carburantes sobre todos los hidrocarburos, dado el gran problema con los impactos ambientales que todo el proceso trae ; sin embargo, debido a su estructura simple, son altamente eficientes en la fijación de CO2 y la utilización de energía solar para la producción de biomasa. Se encuentran presentes en todos los cuerpos de agua y en la mayoría de los ambientes terrestres, incluso en los más extremos. Debido a su gran diversidad, las aplicaciones de las microalgas van desde el empleo de la biomasa en la alimentación humana o animal y el tratamiento de efluentes;hasta su uso como plataformas biotecnológicas para la elaboración de productos de interés tecnológico y alto valor comercial como ácidos grasos poliinsaturados, carotenoides, enzimas, proteínas, productos bio-activos utilizados por la industria farmacéutica, etc. No obstante al extenso desarrollo logrado en las últimas dos décadas, existen aún numerosos problemas que son necesarios para resolver a fin de lograr una tecnología de cultivo eficiente y rentable. (Lourenço, 2006)

Con relación a los principales desafíos científico-tecnológicos que se deben enfrentar y resolver para lograr producir biodiesel a partir de microalgas a un costo competitivo dada la alta cantidad de estudios a nivel mundial e incluso regional. Se discute el entorno ambiental que ha generado la necesidad de este tipo de producto, haciendo observar en el cambio climático, los gases efecto invernadero y la producción de bioenergéticos. Se detallan las ventajas que ofrece la producción de biodiesel a partir de microalgas, tales como:

a) Las microalgas tienen un rendimiento de aceite mucho mayor que cualquier cultivo convencional
b) Sólo este bioenergético tiene una verdadera huella ecológica pequeña;
c) En contraste con otros bioenergéticos, se requiere una superficie muy pequeña para cubrir la demanda actual de diésel de petróleo;
d) Las microalgas oleaginosas pueden ser cultivadas en agua de mar, en agua salobre o en aguas residuales, disminuyendo así la presión sobre el agua dulce requerida para la producción de alimentos;
e) Las microalgas son excelentes captadoras de CO2.

(Olguín, 2010)

Partiendo de estos datos, se predispone la posibilidad del uso de las microalgas como un bioenergético de muy alta capacidad para suplir las necesidades de nuestro ritmo de vida actual, existen muchos estudios que corroboran la información, en todas partes del mundo.

En un estudio que pasó a formar parte de una tesis en la Universidad Nacional del Litoral en la ciudad de Santafé, argentina, se procura evaluar la factibilidad técnica de producir materias primas derivadas de la biomasa algal. No sólo se analiza la capacidad de producción en términos de biomasa producida por año por hectárea, sino que también se consideran aspectos vinculados con la estrategia que deberían adoptarse en función del compuesto final buscado. De las conclusiones en la que derivo el documento se pueden destacar.

dependiendo del producto final deseado, la estrategia de producción a adoptar debe ser diferente.
La producción de proteínas deberá realizarse en condiciones repletas de nitrógeno;
Para iniciar la producción de triglicéridos es ineludible la restricción de la administración de nitrógeno en el medio;
Para la producción de almidón, la cosecha de las microalgas deberá realizarse durante las últimas horas del primer o segundo día luego de iniciada la inanición (debilidad provocada por la falta de alimento) que causa el nitrógeno.

En cuanto a los rendimientos de los cultivos, la capacidad de producción de biomasa en un sistema de cultivo fotoautotrófico, el cual es una combinación de las alternativas de fotobiorreactores tipo columna, tubular y airlift. Este sistema permite una distribución efectiva del flujo de energía radiante sobre la superficie iluminada, evitando los fenómenos de estrés oxidativo y estratificación de la luz en el cultivo. A partir de los resultados obtenidos es posible suponer que este sistema sería una opción válida para la producción de microalgas y metabolitos derivados. La productividad anual del sistema de cultivo alcanzaría el valor de . (Heinrich, 2016)

Otra de las formas en cómo se han aprovechado el potencial que brindan las microalgas es en el tratamiento de aguas residuales; el empleo de microalgas en el tratamiento de efluentes, representa una de las aplicaciones biotecnológicas de mayor importancia en el área ambiental. Es una alternativa de tratamiento terciario, debido a la eficiente bioconversión de la energía solar, dada por la eficiencia del proceso: utilización y remoción de nutrientes, lo que se traduce en generación de biomasa aplicable en sistemas de cultivo (avícola, acuícola, etc. ), así como la oxigenación del efluente. Este sistema de valorización de aguas residuales, mediante el cultivo de microalgas clorofitas presenta diversas ventajas de aplicación integral, dependiendo del efluente, temperatura e intensidad luminosa,así como del género de microalgas y tipo de cultivo (monoalgal y mixto). Entre las microalgas clorofitas, existen 7 géneros específicos para el tratamiento de efluentes, debido a su tolerancia a concentraciones elevadas de nutrientes. Se utilizaron Chlorella vulgaris y Sphaerocystis sp. En cultivo monoalgal y mixto. El objetivo del trabajo es la evaluación del tratamiento terciario de los efluentes anaerobios, con cultivos monoalgales y mixtos de microalgas. (Margarita Salazar, 2010) con cultivos monoalgales y mixtos de microalgas. (Margarita Salazar, 2010) con cultivos monoalgales y mixtos de microalgas. (Margarita Salazar, 2010)

Así mismo siguiendo la misma tónica, las microalgas han demostrado también ser excelentes para el tratamiento de aguas domésticas, solución que se brinda a países en vía de desarrollo, resultando como una alternativa económica y óptima para la solución de las problemáticas que se atan a los vertimientos que no son tratados; En países con grandes problemas de saneamiento y pocos recursos, como los que están en vías de desarrollo, se requieren plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas –PTARD– apropiadas y sostenibles; dado que estos países se localizan en general en regiones de clima tropical y subtropical (temperaturas superiores a 20 ºC), la digestión anaerobia es una tecnología clave que genera subproductos con valor agregado (bioenergía, nutrientes y agua para reúso).América Latina es la región con mayor número de PTARD anaerobias, siendo el reactor UASB el de mayor aplicación para el tratamiento del ARD; su implementación a escala tan grande como la de la PTARD Onça (Belo Horizonte, Brasil) demuestra que es una tecnología consolidada, con eficiencias de reducción entre 65 % y 80 % de DQO y TRH entre 6 y 10 horas. Sin embargo, es necesario continuar avanzando en el mejoramiento y perfeccionamiento de los métodos actuales de tratamiento que permitan soluciones tecnológicas respetuosas con el ambiente y adecuadas a las condiciones socioeconómicas y culturales propias de cada región. (torres, 2012) con eficiencias de reducción entre 65 % y 80 % de DQO y TRH entre 6 y 10 horas.Sin embargo, es necesario continuar avanzando en el mejoramiento y perfeccionamiento de los métodos actuales de tratamiento que permitan soluciones tecnológicas respetuosas con el ambiente y adecuadas a las condiciones socioeconómicas y culturales propias de cada región. (torres, 2012) con eficiencias de reducción entre 65 % y 80 % de DQO y TRH entre 6 y 10 horas. Sin embargo, es necesario continuar avanzando en el mejoramiento y perfeccionamiento de los métodos actuales de tratamiento que permitan soluciones tecnológicas respetuosas con el ambiente y adecuadas a las condiciones socioeconómicas y culturales propias de cada región. (torres, 2012)

El deterioro creciente de los cuerpos de agua dulce, ha conducido al desarrollo de normas de calidad de aguas superficiales para la protección de las comunidades acuáticas. Estas se basan en la determinacion de concentraciones maximas permisibles de agentes quimicos determinados. Sin embargo, estas normas, no permiten determinar el efecto que estos contaminantes pueden tener sobre los organismos acuáticos (RICARDO FIGUEROA, 2003). Por ello se ha propuesto el uso de herramientas biológicas como “200 Lat. Soja. J. Aquat. Res. Bioindicadores y bioensayos de toxicidad ” para determinar la calidad de los cuerpos de agua superficiales (García, 2017).El uso de bioindicadores como las microalgas, ofrece múltiples ventajas tales como: la presencia en la mayoría de los sistemas acuáticos continentales, la simplicidad metodológica y una alta confiabilidad. Lo que hace de estos métodos una herramienta idónea para la vigilancia rutinaria del estado ecológico en las cuencas y ríos en general.

Ambito Nacional

Las microalgas son microorganismos que están presentes en los cuerpos de agua, en el suelo y en la mayoría de ambientes terrestres, incluso, los más extremos, son organismos verdaderamente pequeños, microscópicos, pero muy útiles para la generación de muchos productos, que están siendo implementados en Colombia, en los diferentes sectores productivos de la sociedad, como instrumento para las industrias y sectores agropecuarios, ambientales, de la salud, cosméticos, entre otros. (Industrias, 2016)

Uno de los factores de producción que se han venido impulsando en Colombia, es el empleo de microalgas para diversos usos en la industria nacional, apoyado por diferentes universidades y centros de apoyo a la investigación como Colciencias, cabe mencionar que el sector privado se integra de forma participativa en estas investigaciones.

Ejemplo de ello es la implementación de Microalgas con funcionalidades que desarrollan procesos, productos y servicios dentro del contexto de biodiversidad, biotecnología y bioindustria, gracias a la alianza entre el grupo de investigación Biotecnología de la Universidad de Antioquia, Colciencias y la empresa cultivadora de microalgas Ecotec. (“La UdeA cultivará microalgas para Colombia”, 2015)

Según Lucía Atehortúa, coordinadora del grupo de biotecnología de la Universidad de Antioquia, “Las microalgas pueden ser utilizadas para la fabricación de concentrados de la industria acuícola, la producción de biofertilizantes, bio insumos para alimento de ganado, mascotas (perros, gatos), aves de corral, cerdos, ganado vacuno o productos de belleza (colorantes, retardantes del envejecimiento, biolubricantes)”. (Sostensible, 2016)

Colombia es un país quien cuenta con aspectos ambientales que favorecen los cultivos de microalgas, muestra de ello son los recursos hídricos y la riqueza lumínica, que han aportado a la producción industrial y al uso de microalgas que traen bastantes beneficios no solo económicos si no sostenibles para el planeta y en especial para la misma nación.

Hablando a nivel global se realizó un evento designado premio Everis, creado por Everis Foundation, la participación de Colombia en este concurso, concurrió con tres proyectos, de los cuales uno utiliza las microalgas, Phycore, este proyecto es trabajado con el fundamento de que dichas microalgas generan un sistema biotecnológico, el cual, purifica las aguas contaminadas, en la que las algas se comen los contaminantes ya partir de ellos genera biodiesel, y de la biomasa produce biogás el cual contribuye a la producción de energía.

Un estudio colombiano denominado “obtención de productos de alto valor agregado en una topología de biorefinería utilizando microalgas” es referenciado y descrito en el presente trabajo debido a su importancia, ya que maneja lo concerniente al alto valor que tienen los residuos del uso de microalgas como formador de biocombustibles, este artículo va a ser señalado en los siguientes párrafos .

“Obtención de productos de alto valor agregado en una topología de biorefinería utilizando microalgas”, estudia la obtención de productos secundarios de alto valor durante el proceso de producción de biocombustibles a partir de microalgas tipo Amphiprora sp, proporcionadas por la Corporación Instituto de Morrosquillo, en Punta Bolívar, Colombia.

Se dio viabilidad a este proyecto, teniendo en cuenta que: en Colombia se está comenzando a estudiar las microalgas como materia prima para la producción de biocombustibles; teniendo en cuenta que el uso continuo de derivados del petróleo presenta un producto insostenible, no renovable y con un incremento de sus precios debido a la reducción de las reservas disponibles.

La biomasa microalgal presenta un alto potencial para la obtención de biocombustibles de tercera generación. Estos además contienen otros productos cuya recuperación puede contribuir a la sostenibilidad de las cadenas lineales de producción de biocombustibles. Estas sustancias actualmente se tratan como impurezas que se extraen junto con los lípidos que influyen negativamente en el proceso de producción de biodiesel, por lo que su separación produce un doble beneficio: por un lado, la obtención de productos de alto valor agregado y por otro , la producción de un aceite más puro para la generación del biocombustible, abordando el concepto de biorefinería. (González Delgado, Barajas Solano & Kafarov, 2013)

Durante la etapa de obtención de biodiesel a partir de la biomasa de microalgas, se generan productos secundarios debido a que esta posee únicamente entre un 20 y 30% de lípidos útiles para la producción de este combustible. El material restante, se compone de carbohidratos para la producción de etanol, proteínas como fuente de nitrógeno y otras sustancias típicas de cada cepa de microalgas. Sin embargo, las microalgas no pueden procesarse a gran escala debido a factores técnicos y económicos, lo cual obliga al estudio de nuevos procesos que mejores y optimicen las etapas de producción de combustibles a partir de biomasa y generar un aprovechamiento del material residual obtenido durante estos procesos.

Partiendo de lo anterior, los autores realizaron, a escala laboratorio, el estudio concerniente para la obtención de clorofila durante el proceso de obtención de combustible a partir de microalgas, variando diversos parámetros como: solventes polares (etanol, metanol) y no polares (hexano , ciclohexano), grados de dilución, efecto de la Temperatura y del tiempo; esto con el fin de determinar que variables presentan una mayor efectividad durante el proceso.

Los resultados arrojaron un mayor grado de recuperación de clorofila cuando se maneja como solvente el etanol. Además, el etanol brinda otras ventajas ya que este suele ser menos tóxico y más fácil de trabajar durante los procesos de biorrefinación, esto comparado con el metanol. La mezcla de solventes más eficiente para este proceso fue la relación metanol/hexano, debido a que genera un incremento en la recuperación de materiales de alto valor como la clorofila, además de que este es más económico que el ciclohexano.

Los estudios posteriores muestran que las relaciones de tiempo no son tan sobresalientes como lo es la relación de dilución biomasa/solvente, por lo cual este debe ser un factor clave para la optimización durante el proceso de extracción. Contrario a esto, la temperatura mejora el grado de recuperación de clorofila en rangos de tiempo mucho menores que los trabajados a temperatura ambiente. Dicha temperatura es favorable en el orden de los 45 °C, durante un lapso de 4 horas y una relación de 1/10g/ml. Los autores ven como agentes externos que también deben ser estudiados, la variación de pH y la presencia de floculantes durante el proceso. (González Delgado, Barajas Solano & Kafarov, 2013)

Las variables que mejor resultado demostraron durante el proceso fueron las nombradas anteriormente, en donde la biomasa / solvente es la única variable significativa para la extracción de clorofila-a, y menos significativa en la extracción de petróleo crudo.

Teniendo en cuenta el desarrollo del artículo “obtención de productos de alto valor agregado en una topología de biorefinería utilizando microalgas”, en Colombia la implementación de biocombustibles de 3 ^ra generación (caso del producido por microalgas), genera una buena alternativa frente al uso de combustibles fósiles utilizados hoy en día. Esto debido a que estos no producen degradación del suelo como lo hacen los combustibles convencionales.

En la producción de combustibles a partir de microalgas, se considera que, además de ser una excelente alternativa al uso de combustibles fósiles, produce ingresos económicos adicionales el aprovechamiento de los residuos generados en el proceso, los cuales son productos de alto valor.

El ser humano en su interés de conservar el agua como recurso vital para la vida, ha venido desarrollado a través del tiempo varias técnicas de biorremediación para el tratamiento de aguas residuales industriales mediante el empleo de microalgas. En Colombia dicha sustentación se puede comprobar a través de diversos estudios.

La biorremediación de efluentes residenciales, industriales y mineros es posible mediante el uso de la tecnología denominada ficorremediación, la cual tiene una relación costo-beneficio muy alta, debido a que las microalgas no presentan demasiadas exigencias nutricionales para su crecimiento. Tampoco se ven disminuidas por la presencia de uno o varios contaminantes, ya sea porque no son tóxicos para ellas o porque gracias a su corto tiempo de replicación, pueden adquirir resistencia para nuevos y ambientes adversos. La formación de consorcios con otros microorganismos también les favorece la degradación de compuestos orgánicos de cadena pesada, con un efecto de sinergia en los diferentes ambientes y una producción mínima de residuos secundarios (Renuka, 2015).

“Evaluación del uso de la microalga chlorella vulgaris en el tratamiento de aguas residuales industriales (vinazas)” tiene como finalidad primordial evaluar la posibilidad del empleo de la microalga Chlorella vulgaris , en el tratamiento de aguas residuales y la capacidad de remoción de nutrientes, carga orgánico presente en ellas.

Llevándose a cabo un experimento a escala de laboratorio, en el cual se presentó un tratamiento biológico que medir y cuantificar la producción de biomasa y las cantidades de remoción para los nutrientes y parámetros específicos de las aguas residuales, mediante el uso de Chlorella vulgaris.

Este estudio surgió la obtención de porcentajes de remoción de Fósforo, Nitrógeno, DQO y DBO5 de 75,7%, 84,93%, y 30,92%, respectivamente, lo que argumenta la viabilidad de emplear la microalga Chlorella vulgaris en la realización de procesos de biorremediación en el sector de los Biocombustibles. (Olarte Gómez, 2016).

La calidad del agua resultó del empleo para consumo humano, es importante debido a los riesgos que puede traer a la salud humana y al medio ambiente, de no tomarse esas medidas podría ocurrir una pandemia, muertes múltiples, afectaciones graves al ecosistema entre otras problemáticas graves . Por esto es prioritario diseñar estrategias para el manejo adecuado de la calidad de descargas residuales de agua, las cuales concilien las necesidades de protección a la humanidad y conservación de recursos naturales. Estas estrategias se generan a partir de estudios que ayudan al tratamiento eficaz del recurso hídrico residual, usando las características y funciones de las microalgas para tal fin.

Una de las formas para conseguir lo planteado anteriormente, fue evaluar las eficiencias de remoción de amoníaco y fósforo durante la microalga Chlorella vulgaris y Scenedesmus dimorphus, el biotratamiento del efluente secundario de aguas residuales agroindustriales de una industria láctea y de la cría de cerdos, demostrando como las microalgas pueden mejorar varias industrias colombianas entre ellas las que se mencionaron anteriormente para trabajar hallar dichos parametros.

Para lograrlo, las microalgas fueron aisladas de un estanque de aguas residuales cerca de Santafé de Bogotá, Colombia. Los cultivos discontinuos se realizaron usando ambas especies en birreactores de vidrio cilíndricos, en el biorreactor cilíndrico, S. dimorphus, fue más eficiente la eliminación de amoníaco con C. vulgaris . Sin embargo, la eficiencia final de ambas microalgas fue similar. Ambas microalgas eliminaron el fósforo de las aguas residuales en la misma medida en un biorreactor cilíndrico. Usando C. vulgaris , el biorreactor triangular fue superior para eliminar el amoníaco y el biorreactor cilíndrico fue superior para eliminar el fósforo.Este estudio muestra el potencial del uso de estas microalgas para reducir la contaminación ambiental de las aguas agroindustriales altamente contaminadas que actualmente se eliminan sin tratamiento en las vías fluviales y arroyos de la Colombia tropical. (González, Cañizares & Baena, 1997)

Otra de las industrias colombianas que se ha beneficiado del desarrollo de la biotecnología utilizando microalgas es la textil, los problemas ambientales creados por esta industria, se dan en parte por la generación efluentes contaminados, las aguas residuales resultantes de estos procesos tienen impactos negativos en términos del carbono orgánico total, demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno, sólidos en suspensión, salinidad, color, una amplia gama de pH (5-12) y la persistencia de compuestos orgánicos.

A nivel industrial se han patentado diversos biotecnológicos para el tratamiento de vertimientos industriales a cuerpos hídricos, provenientes de textileras, o bien utilizados para la recuperación de metales preciosos (oro y plata), mediante el empleo de los sistemas enzimáticos de las microalgas

Se ha evaluado la capacidad de la microalga Chlorella sp. Viva en suspensión para remover el color del efluente de una empresa textil en el departamento del Atlántico (Colombia). Empleando una metodología que consiste inicialmente en cultivar la microalga en un biorreactor de 2,5 L de capacidad efectiva, utilizando un fertilizante comercial como medio de cultivo bajo aireación continua a la temperatura del laboratorio, con fotoperiodos de luz/oscuridad, utilizando diferentes concentraciones de microalga en absorbancia con sus respectivos controles.

Los resultados muestran que el bioensayo de 0,30 en absorbancia eliminó el 97,2% del colorante presente y resultó en un 94,6% la DQO y 95,4% la DBO5, entre otros parámetros de caracterización antes y después del tratamiento, mostrando la mejor bioremoción. (Vacca Jimeno, Angulo Mercado, Puentes Ballesteros, Torres Yépez & Plaza Vega, 2017)

Los resultados de estudios biológicos anteriores permiten sugerir que el tratamiento con la microalgas es un método eficiente e innovador que ayuda a aumentar los sectores de la economía colombiana.

La biorremediación de aguas con desechos gaseosos o líquidos es posible mediante el uso de la tecnología con microalgas, constituye un paso fundamental para la transformación a su estado natural de un cuerpo de agua contaminado. Libre de químicos, malos olores y lodos (Impulsa Colombia, 2014).

La microalgas se presenta en ecosistemas naturales por ello es de vital importancia estudiarlas en sistemas naturales para comprender su funcionamiento y lograr desarrollar la biotecnología que se deprende de estos microorganismos.

Ejemplo de ello en Colombia son las que se encuentran en la amazonia, Los estudios de microalgas se han adelantado en lagos y ríos ubicados en la frontera colombo -brasilera conocida como el eje Apaporis – Tabatinga (PAT), en ecosistemas de los ríos Amazonas y Putumayo, donde existe información ecológica (Duque, 1997).

Gracias a la parte científica y académica en Colombia se ha avanzado en temas de biorremediación, bioingeniería y biotecnología, esto ha llevado a grandes avances que no solo se quedan en el papel de los artículos si no como se ve en este trabajo, se lleva a la realidad para mejorar continuamente el desarrollo sostenible y la calidad de vida en el país.

Normativa
Tratamiento de Aguas Residuales

Para el tratamiento de aguas residuales se utiliza el reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico RAS-2000 en el que se referencia según normas colombianas como NTC-ISO 5667-10 Calidad de agua, Muestreo, Muestreo de aguas residuales y GTC 31 Guía para la realización de pruebas de toxicidad.

Además de las normas latinoamericanas como el código de aguas residuales en Puerto Rico, reglamento nacional. Reglamentos técnicos de diseño para unidades de tratamiento no mecanizadas para sistemas de agua potable y aguas residuales. Bolivia, NB-7229 proyecto, construcción y operación de sistemas de tanques sépticos proyecto de norma 02:144.07-002 diseño, construcción y operación de unidades de tratamiento complementario y disposición final de los efluentes líquidos de tanques sépticos. Procedimiento y tambien se encuentra el decreto 1594 de 1984

En el RAS se habla acerca de Los diferentes parámetros en los que debe tener el agua y además cuales son los parámetros mínimos que se miden en el agua que están representados en las siguientes tablas

. Tabla N°1, parámetros que se deben medir en el agua
Fuente: RAS 2000.

Tabla n° 2 parámetros mínimos que se deben realizar en el agua.

Fuente: RAS2000

Estos parámetros son necesarios mencionarlos ya son los estudios que verifican si el tratamiento se está realizando con eficacia.

Tratamientos

El tratamiento que se menciona o en el que se habla directamente con la colaboración de los microorganismos es el tratamiento anaeróbico ya que es el proceso de degradación de la materia orgánica coordinada con los microorganismos, en ausencia de oxígeno y otros agentes oxidantes fuertes como (SO4 , NO3 y demás) Como subproducto de ella se obtiene un gas, denominado normativamente biogás, cuya composición básica es metano CH4 y dióxido de carbono CO2 en un 95%, pero con la presencia adicional de nitrógeno, hidrógeno, amoníaco y sulfuro de hidrógeno, normas en proporciones inferiores al 1%. (República de Colombia, 2000)

Postratamientos

Otros tratamientos son los postratamientos como los filtros sumergidos aireados, que es un proceso que utiliza un medio sumergido en el reactor para la fijación de los microorganismos; se caracteriza por la gran capacidad de fijar grandes cantidades de microorganismos en la superficie del medio y reducir el volumen del reactor biológico, permitiendo una depuración avanzada de las aguas residuales sin necesidad de recircular los lodos, como acurre con el proceso de lodos activados. (República de Colombia, 2000).

Otro postratamiento son las lagunas de oxidación o de precisión, esto es aplicable en los casos en los cuales la biomasa de algas o microalgas y los nutrientes que se descargan en el efluente pueden ser asimilados sin problema por el cuerpo receptor. En caso de que las algas descargadas al cuerpo receptor no puedan sobrevivir en él, generando una demanda de oxígeno adicional, que impida cumplir con los objetivos de calidad estipulados, debe incluirse en el proyecto la remoción de estas en el efluente final antes de ser descargado . En los niveles bajo, medio y medio alto de complejidad deben siempre requerir las lagunas de precisión dentro de la evaluación de alternativas que se realiza para la selección del sistema de tratamiento,las lagunas facultativas son otro postratamiento que las principales características son el comensalismo entre las algas y bacterias en el estrato superior y la formación anaerobia de los sólidos sedimentados en el fondo. (República de Colombia, 2000)

Tratados Internacionales para el Reconocimiento de las Microalgas

El tratado en el que se habla acerca del conocimiento y patente de los microorganismos como tal es el tratado de Budapest el cual fue realizado el 28 de abril de 1977 en el marco de la conferencia diplomática de Budapest y entro en vigor el 19 de agosto de 1980 los que participaron en el tratado fueron los siguientes países: Albania, Alemania, Armenia, Australia, Austria, Azerbaiyán, Bahrein, Belarús, Bélgica, Bosnia y Herzegovina, Brunei, Bulgaria, Canadá, Chile, China, Colombia, Costa Rica, Croacia , Cuba, Dinamarca, El Salvador, Eslovaquia, Eslovenia, España, Estados Unidos de América, Estonia, Federación de Rusia, Filipinas, Finlandia, Francia, Georgia, Grecia, Guatemala, Honduras, Hungría, India, Irlanda, Islandia, Israel, Italia , Japón, Jordania, Kazajstán, Kirguistán, ex República Yugoslava de Macedonia, Letonia, Liechtenstein, Lituania,Luxemburgo, Marruecos, México, Mónaco, Montenegro, Nicaragua, Noruega, Omán, Países Bajos, Panamá, Perú, Polonia, Portugal, Qatar, Reino Unido, República Checa, República de Corea, República de Moldova, República Dominicana, República Popular Democrática de Corea, Rumania, Serbia, Singapur, Sudáfrica, Suecia, Suiza, Tayikistán, Trinidad y Tabago, Túnez, Turquía, Ucrania y Uzbekistán.

Como punto central del Tratado residen en el hecho de que en él se estipula que los Estados contratantes que permiten o exijan el depósito de microorganismos a las multas del procedimiento en materia de patentes deben reconocer, a las multas de ese procedimiento, el depósito de un microorganismo emitió ante una “autoridad internacional de depósito” independientemente de que dicha autoridad esté ubicada en o fuera del territorio del Estado de que se trate. (intelectual, 1980).

Al realizar una patente se debe verificar que no existe una igual en otro país ya que esto repercute en múltiples consecuencias jurídicas lo que hace que el proceso sea más minucioso y además se ofrecen alicientes para el patentamiento en los Estados parte en el mismo y aumenta la seguridad biológica al evitar el riesgo que supone la transferencia de microorganismos entre países. Ante todo, el Tratado ofrece ventajas al depositante que desea cursar una solicitud de patente que surta efecto en varios países, en la medida en que, conforme a los procedimientos que se contemplan en el Tratado para el depósito de microorganismos, ahorrará gastos y ganará en seguridad. (intelectual, 1980).

Por otro lado en cuanto a la exportación e importación de microorganismos según el artículo 5 Cada Estado contratante reconoce el gran interés de que, si existen restricciones a la exportación desde su territorio o la importación al mismo de determinados tipos de microorganismos, y en la medida en que lo esté, tal restricción no se aplique a los microorganismos que están depositados o destinados a ser depositados en virtud del presente Tratado, más que en el caso en que esta restricción sea necesaria en consideración de la seguridad nacional o de riesgos para la salud o el medio ambiente. (intelectual, 1980).

Conclusiones

El tratamiento aguas residuales por medio de microalgas ha demostrado ser un método más eficiente y respetuoso con el medio ambiente a comparación de los métodos convencionales empleados.
Los experimentos que se han llevado acabo por este método deben empezar a fomentarse, ya que la mayoría solo se han realizado a escala de laboratorio. Resaltando que a parte de sus buenos resultados en el tratamiento de las aguas residuales también son muy útiles para la producción de biocombustible.
La investigación en Colombia acerca de en temas de biorremediación con microalgas y el uso de las mismas en otras partes de la industria, han llevado a grandes avances que demuestran, que al ser aplicados en la realidad, lograran mejorar continuamente el desarrollo sostenible y la calidad de vida en el pais.
El objetivo fundamental de la aplicación de microalgas en el tratamiento de aguas residuales es la utilización y transformación de los nutrientes a biomasa, logrando la remoción de gran parte de ellos, además de producir oxígeno y compuestos de alto valor en el mercado
Se podría decir que como tal no se encuentra una normativa específica acerca de microalgas en el cual solo se habla de ello en los procesos en que son utilizados como en el tratamiento de aguas residuales, además existe solo un tratado internacional en cuestión de patentes para microorganismos .

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Título de: Maria Alejandra Parra Merchan, Lina marcela Rivera Tibaduiza, Maria Alejandra Silva Sierra, Carlos Javier Varela Bernal

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BIOINGENIERÍA · BIOPROSPECCIÓN DE MICROALGAS

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