Producción de biomasa microalgal

Técnicos del departamento de Biomasa de Cener (Centro Nacional de Energías Renovables), llevaron a cabo durante el primer semestre de 2017 el escalado del cultivo de microalgas en las instalaciones del CB2G (Centro de Biocombustibles de 2º Generación), a partir de los protocolos de cultivo desarrollados en Neiker–Tecnalia. Durante la realización de este escalado se han producido los primeros 12 kg de biomasa fresca de microalgas con una concentración en sólidos mayor a la esperada y con un contenido en lípidos superior al 50%.

Biorreactores de producción de microalgas en cultivo heterotrófico de 40 y 100 L, localizados en el CB2G de Cener.

El origen del proyecto europeo Cyclalg (2016-2019) está basado en el conjunto de resultados obtenidos en un proyecto de investigación y desarrollo anterior, denominado Energreen (2012-2013) que fue cofinanciado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Feder). El proyecto Energreen demostró que la obtención de biodiésel mediante cultivo de microalgas no solo es medioambientalmente ventajosa (comparada con la obtención a partir de cultivos tradicionales), sino técnicamente posible. Al inicio del proyecto eran muchas las barreras que había que superar para que la producción de biodiésel a partir de microalgas pudiera ser una realidad factible, que pudiera trasladarse a una escala comercial.

Con este proyecto se consiguieron lograr dos objetivos importantes. En la fase de cultivo se triplicó la productividad de los cultivos, incrementando el contenido en lípidos de la biomasa por encima del 30%. Y en la fase de extracción de los aceites se validaron y optimizaron los procesos de extracción, evitando el uso de solventes tóxicos y alcanzando rendimientos de extracción del 80-90% con respecto a los lípidos. El aceite obtenido se transformó en biodiésel de calidad, con rendimientos de conversión superiores al 95% en ésteres metílicos de ácidos grasos o Fames (siglas inglesas de Fatty Acid Methyl Ester), independientemente de la tecnología empleada (catálisis química o enzimática).

Por otro lado, las acciones abordadas en Energreen también mostraron el potencial que tienen las microalgas para el establecimiento de industrias basadas en el concepto de biorrefinería, dado que el resto de fracciones obtenidas en la extracción del aceite se pueden revalorizar en nuevas materias primas, que resultasen adecuadas para distintos usos dentro del mercado cosmético, alimentario o energético, por citar algunos.

Sin embargo, Energreen encontró una importante limitación de índole económica. El proyecto incluía una fase de cultivo a escala preindustrial donde los resultados de productividad fueron significativamente inferiores a los alcanzados a escala de laboratorio. Obviamente, mantener una elevada productividad en cultivos a escala industrial es un aspecto clave para reducir el ratio de inversión/producto obtenido, y lograr la viabilidad económica de la tecnología.

En las sesiones de análisis de los resultados los socios valoraron diferentes vías de mejora, identificando como solución un cambio en la modalidad del cultivo fotoautótrofo al cultivo heterotrófico. Y es precisamente el debate en torno a esta idea en el que se gesta el proyecto Cyclalg, suponiendo un nuevo enfoque tecnológico. Además, como los cultivos heterotróficos requieren de la inclusión de fuentes orgánicas de nutrientes (C y N), Cyclalg contempla la hidrólisis y el reciclado de fracciones residuales del proceso como vía para alcanzar un esquema de economía circular y una mayor sostenibilidad económica y ambiental para el proceso en su globalidad.

Con estos antecedentes y recogiendo el interés por parte de los sectores industriales de la necesidad de avanzar en la producción de biomasa microalgal continua, de calidad y a un coste asequible de producción, el proyecto Cyclalg se plantea como objetivo el desarrollo y validación de procesos tecnológicos a escala de demostración basados en:

• Cultivo heterotrófico de microalgas, como una estrategia necesaria para incrementar la productividad del aceite y mejorar así la rentabilidad del proceso.
• Bioeconomía circular, mejorando el valor de la biomasa de microalgas mediante el uso eficiente de los recursos y el alargamiento de la vida útil de los residuos orgánicos derivados del procesado, integrándolos (junto a otros residuos agroindustriales) como nutrientes en el proceso de cultivo.
• Variedad de productos finales, persiguiendo el aprovechamiento integral de la biomasa algal para la obtención de diversos productos que son de gran interés en la industria química, energética y agropecuaria, favoreciendo así la explotación de las microalgas en un esquema de biorrefinería (ver diagrama del proceso).

Diagrama de flujo del proyecto. Valorización de las diferentes fracciones desarrolladas por cada uno de los socios del proyecto.

Con el fin de asegurar el flujo eficiente de recursos y productos y optimizar los aspectos medioambientales del proceso global, el proyecto contempla el Análisis de Ciclo de Vida de las diferentes vías de revalorización de los residuos.

Cyclalg también aborda un acercamiento al concepto de ‘simbiosis industrial’ en el territorio Poctefa (Programa Interreg V-A España-Francia-Andorra). Con este fin, se incluye una actividad dirigida a identificar las posibles interrelaciones y sinergias entre empresas que podrían implicarse en el uso y aprovechamiento de los productos y residuos derivados de una biorrefinería de algas. Para ello, se incluyen siete acciones de validación inmediata de las tecnologías desarrolladas mediante la colaboración con empresas pertenecientes a diversos sectores industriales.

Neiker-Tecnalia, socio coordinador del proyecto, ha seleccionado una cepa de microalgas y ha establecido un procedimiento de cultivo heterotrófico que permite alcanzar una concentración de biomasa de 18 gPSL-1 en un periodo de cultivo de 4 días, siendo la productividad de dicho proceso de 4,6 gPSL-1d-1.

La biomasa obtenida mediante este proceso presenta un contenido superior al 55% de lípidos transformables en Fames. Este valor representa un incremento superior a 50 veces la productividad de los cultivos fotoautótrofos de otras especies del mismo género, evaluados en Energreen.

Se ha validado también la reproducibilidad de dicho proceso a escala de 30 L y de 80 L por parte de los investigadores del departamento de Biomasa de Cener (Centro Nacional de Energías Renovables), durante los ensayos realizados en sus instalaciones del CB2G (Centro de Biocombustibles de 2º Generación). Está pendiente llevar a cabo en el primer trimestre de 2018 el escalado en un reactor de 1 m³ con un volumen de trabajo de 0,5 m³.

Hasta el momento, Cener ha conseguido producir 12 kg de biomasa de microalgas frescas que han sido enviadas al socio francés del proyecto, Catar-Critt, el cual dispone de un extractor a escala piloto. Tras la extracción de los 12 kg de microalgas se han obtenido 1,7 kg de ácidos grasos, 6,4 kg de biomasa algal residual, además de 47 g de fracción insaponificable y una fracción glicerinosa. Las infraestructuras de escalado de Cener han sido claves para demostrar la viabilidad del proceso a escala piloto y proporcionar la cantidad suficiente de biomasa para realizar las tareas de valorización de todas las fracciones obtenidas.

Los ácidos grasos producidos han sido transformados en biodiésel en las instalaciones de Cener a escala de laboratorio. La caracterización de este biodiésel ha demostrado un perfil idóneo de Fames, más del 75% de los mismos corresponden al ácido oleico, linoleico y linolénico, siendo de éstos el oleico significativamente mayoritario. Este perfil de ácidos grasos es similar al que muestra la colza (material de referencia para la obtención de biodiésel), lo que se puede considerar como un indicador inicial del potencial del aceite derivado de esta microalga como fuente de la que producir biodiésel. Este biodiésel producido está siendo testado por una empresa del sector de los biocombustibles que emitirá un informe de evaluación sobre sus características y su posible utilización, bien como monoproducto o bien mezclándolo con otras calidades de biodiésel.

La biomasa algal residual ha sido caracterizada por Neiker-Tecnalia para la producción de:

• Hidrolizados proteicos. Se realizará una demostración de secado y peletizado con una empresa del sector de la producción de ingredientes alimentarios, piensos y fertilizantes, que evaluará el potencial de los hidrolizados proteicos para su uso como fuente de aminoácidos peletizados.
• Hidrolizados proteicos y de hidratos de carbono. Se elaborarán medios de cultivo, para la propia producción de microalgas heterotróficas o para su uso en la producción de microorganismos biorremediadores. Para ello, se realizará una demostración con una empresa dedicada al desarrollo de este tipo de microorganismos, encargada de evaluar la viabilidad del uso de estos hidrolizados.

Además, Catar-Critt está evaluando la obtención de otros extractos ricos en proteínas y monosacáridos, usando la tecnología bitornillo, a partir de residuos agroalimentarios como torta de linaza, residuos de maíz dulce y ciruelas, que también se analizarán como medios de cultivo para las microalgas heterotróficas.

Finalmente, con el resto de fracciones separadas de menor cuantía se está valorando su aplicación en el mundo de la alimentación y de la cosmética.

Cyclalg se desarrollará durante tres años y cuenta con un presupuesto de 1,4 millones de euros, que en un 65% cofinancia el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (Feder) a través del Programa Interreg V-A España-Francia-Andorra (Poctefa 2014-2020). Nº de acuerdo: EFA037/15. Web del proyecto: http://www.cyclalg.com