Productos a base de algas y microalgas

Las características de las algas son interesantes en el contexto de La Estrategia Europea de Bioeconomía, que prevé el uso innovador de recursos biológicos sostenibles para satisfacer la creciente demanda de alimentos, energía y otros productos. Las algas son un recurso biológico emergente de gran importancia por su potencial aplicación en diversos campos. La actualización de mayo de 2022 ^[1] pretende acelerar el despliegue de una bioeconomía europea sostenible para maximizar su contribución a la Agenda 2030 y sus Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). La actualización propone un plan de acción de tres niveles para 1) Reforzar y ampliar los sectores de base biológica, desbloquear las inversiones y los mercados, 2) Desplegar rápidamente las bioeconomías locales en toda Europa y 3) Comprender los límites ecológicos de la bioeconomía.

Las algas son un grupo de organismos relativamente sencillos que se desarrollan principalmente en hábitats acuáticos de todo el mundo, como lagos, libras, ríos, océanos e incluso aguas residuales. Se parecen a las plantas, y la mayoría de ellas tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis, convirtiendo así la energía de la luz y las fuentes de carbono inorgánico (carbonato y CO₂) en biomasa, mientras liberan O₂ a la atmósfera^[2]. Su tamaño va desde los micrómetros de las microalgas unicelulares hasta las macroalgas marinas de decenas de metros. Dado que las algas contienen diversas moléculas de gran valor, como lípidos (aceite), proteínas e hidratos de carbono (azúcares), cada vez hay más interés en su uso como organismos productivos.

Tabla 1. Visión general de los productos de algas y de las aplicaciones no relacionadas con los combustibles en diversas industrias.

Fuente: Oilgae (2020).

Las microalgas se cultivan en una amplia gama de sistemas de producción que pueden colocarse en el exterior o en el interior. Los sistemas de cultivo van desde estanques abiertos de poca profundidad hasta fotobiorreactores cerrados. Los sistemas más utilizados a gran escala y con fines comerciales son los sistemas abiertos. Aunque los sistemas abiertos tienen menores costes de construcción y mantenimiento, necesitan una mayor proporción de superficie por volumen, la pérdida de agua por evaporación es elevada, la transferencia de gas y la eficiencia de utilización de la luz son pobres, el coste de la cosecha es elevado y la contaminación por otros microorganismos es alta. Por otro lado, los sistemas cerrados tienen costes más elevados, pero también una mayor eficiencia de producción.

Aunque la tecnología de producción de microalgas se considera todavía inmadura, la investigación y el desarrollo de sistemas de cultivo ha sido un área de investigación importante en los últimos años. Hay muchos diseños disponibles y se sigue trabajando en la mejora de los sistemas existentes, así como en el desarrollo de nuevos conceptos. Los principales retos de los sistemas de producción de microalgas son la ampliación, la reducción de los costes de producción y la consecución de procesos estables y fiables^[3].

La tecnología de cultivo de microalgas ha desarrollado gran número de mejoras durante los últimos años en múltiples aspectos: cepas de microalgas apropiadas, tamaño y diseño de reactores de cultivo, fácil manejo de recolecta, integración de sensores, etc. Todo esto centrado en la tecnología de crecimiento autótrofo, el cual necesita aporte de CO₂ y luz solar como fuentes de carbono y de energía para las microalgas. Los ámbitos de aplicación industrial se han centrado en agua residuales urbanas procedentes de depuradora, no tanto en el ámbito agroalimentario, de alto valor para las microalgas debido a la composición del agua residual rica en nutrientes y carbono.

Los fermentadores o reactores heterótrofos son utilizados actualmente por una minoría de los productores europeos de microalgas (10%). Con este método los cultivos de microalgas crecen de forma heterotrófica utilizando compuestos orgánicos como fuente de carbono. La producción en fermentadores heterótrofos puede combinarse con otros métodos como los sistemas autótrofos ya que el inóculo altamente concentrado que se obtiene en el cultivo autótrofo puede utilizarse para minimizar las limitaciones (por ejemplo, contaminación, escalabilidad) de estos sistemas.

La tecnología de fermentación tiene el potencial de aumentar los volúmenes de producción y reducir los costes de producción. La producción autotrófica de microalgas en cualquier tipo de sistema de estanque o fotobiorreactor se enfrenta a los principales retos de la limitación de luz y la falta de escalabilidad de los reactores.

En España este desarrollo ha sido de importante nivel a escala industrial en varias zonas del sur del país, en donde las condiciones climáticas son buenas para los requerimientos de las microalgas autótrofas. A nivel internacional, existen plantas de microalgas autótrofas a escala industrial que necesitan amplios espacios de terreno para sus reactores, lo cual no siempre es posible en este tipo de empresas y se solventaría con la tecnología de cultivo heterótrofo ya que las microalgas heterótrofas tienen una extraordinaria capacidad de absorción de carbono orgánico y nutrientes sin necesidades de luz solar, lo que permite que el tratamiento pueda realizarse en cualquier tanque cerrado como reactor, disminuyéndose en gran medida la superficie de tratamiento a utilizar en comparación con el cultivo autótrofo. Este ahorro de superficie, así como el fácil mantenimiento, hacen que el proceso sea más atractivo también desde el punto de vista económico.

El cultivo de algas puede dar lugar a una amplia gama de productos finales. Aunque existen varios productos basados en las algas, es probable que se desarrollen nuevos productos en los próximos años. Estos productos (como los bioplásticos y los biocombustibles) tienen que lidiar con cadenas de suministro bien establecidas y serán difíciles de introducir en los mercados correspondientes. Sin embargo, puede haber productos de algas con características únicas que faciliten su comercialización.

La Tabla 1 muestra la gama de productos de algas y la variedad de su uso (potencial) en diferentes industrias. Las microalgas se producen principalmente para aplicaciones específicas. La producción de componentes múltiples (o fracción) aún no se comercializa. No hay mercado para la biomasa sobrante una vez extraído el componente valioso, dados los bajos volúmenes que se producen.

En función de su valor de mercado, los productos derivados de las algas pueden clasificarse en tres categorías^[4]: a) Productos de alto volumen y bajo valor, b) Productos de valor medio y c) Productos de bajo volumen y alto valor. La pirámide de valor de los productos de microalgas se representa en la Figura 1. Los productos de alto valor y bajo volumen a base de microalgas incluyen Nutracéuticos, cosméticos y productos farmacéuticos (Tabla 2). Por otra parte, los productos de valor medio y alto basados en algas incluyen nutracéuticos (por ejemplo, espirulina y clorela), hidrocoloides (agar, alginato, carragenina) y productos químicos (pinturas, tintes y colorantes).

Figura 1. Pirámide de valor: valor de mercado de los productos de microalgas.

Fuente: Voort et al. ^[5]

Fuente: Oilgae (2020).

Por último, los productos de bajo y medio valor basados en las microalgas son los fertilizantes y los piensos, varios sustitutos de los sintéticos y la biorremediación (por ejemplo, el tratamiento de aguas residuales y los créditos de nutrientes comprende).

Actualmente, los únicos productos a base de algas en el mercado general son los productos especializados y algunos productos farmacéuticos y cosméticos (Tabla 3). En el caso de las microalgas, se trata de pigmentos, ácidos grasos omega-3 y -6, vitaminas y algas enteras como productos especiales para alimentación humana y animal y para cosméticos. Los usos para fertilizantes y gestión de aguas residuales químicas están en desarrollo.

Los productos derivados de las microalgas tienen actualmente tres formas posibles^[6]. En primer lugar, se forman como pasta, que se utiliza principalmente en aplicaciones de acuicultura. La pasta a base de microalgas se vende en diferentes envases con un peso seco que oscila entre el 5 y el 15%. En segundo lugar, mediante diferentes procesos, como el secado por aspersión, el secado por congelación o el secado al sol, se producen en forma seca, dirigidas principalmente a los sectores de la alimentación y los piensos. En tercer lugar, se obtienen extractos a base de microalgas para usos principalmente farmacéuticos y cosméticos.

Tabla 3. Aplicaciones actuales y en desarrollo de las algas.

Fuente: EABA (2018).

En todo el mundo, más de 2.000 empresas participan en actividades relacionadas con las microalgas. En 2016, se estima que la producción total de microalgas superó las 40.000 toneladas. En total, se estima que el sector de las microalgas emplea a más de 30.000 personas, y el volumen de negocios total del sector en 2015 se calcula en 2.600 millones de dólares.

El sector europeo de las algas cuenta con 225 empresas productoras de macroalgas (67%) y microalgas (33%). Además, se identificaron 222 productores de espirulina, el 15% de los cuales son también productores de microalgas (y se incluyen en la contabilidad de las microalgas), repartidos entre 23 países^[7]. España, Francia e Irlanda son los países que cuentan con el mayor número de empresas de macro y microalgas, seguidos de Noruega, el Reino Unido, Alemania y Portugal. Los mayores volúmenes de biomasa de algas en Europa los producen Noruega, Francia e Irlanda.

Según la Comisión Europea^[8], el valor total anual de la industria de la biomasa de algas se estima en hasta 6.300 millones de euros. La industria de las algas representa la mayor parte del valor total (unos 4.900 millones de euros), mientras que el mercado de la biomasa de microalgas representa los otros 1.400 millones de euros. Los productos alimentarios para el consumo humano se estiman en 4.600 millones, mientras que otros usos diversos, como los fertilizantes y los aditivos para la alimentación animal, representan el valor restante.

La comercialización de microalgas en el mercado de la UE se enfrenta a importantes retos. La principal preocupación es el coste de producción de la biomasa (Figura 2). La necesidad de innovación técnica y el acceso al capital de riesgo son también retos importantes. Además, especialmente para las aplicaciones de las microalgas en la alimentación humana y animal, es importante controlar el marco normativo antes de su uso y comercialización. Otros retos son las condiciones climáticas, la falta de demanda y las dificultades para regular los nuevos productos. Una mejor cooperación y el apoyo de los recursos financieros de la UE, así como la educación académica y de la industria pueden beneficiar el desarrollo del mercado de las microalgas en la UE.

Figura 2. Principales retos en el desarrollo del mercado de las microalgas en la UE.

Source: Salimbeni ^[9].

Las perspectivas de desarrollo de productos basados en microalgas son las siguientes^[10]:

Biocombustibles. Las perspectivas de los biocombustibles basados en algas son prometedoras. El mayor obstáculo es producir biocombustibles de algas a un nivel de precios competitivo. Otro cuello de botella es la capacidad de producción necesaria para producir grandes volúmenes de biocombustibles, si los biocombustibles de algas quieren ser un sustituto significativo del petróleo.

Fertilizantes. El desarrollo de fertilizantes de liberación lenta y respetuosos con el medio ambiente a base de microalgas es muy prometedor. Algunas especies de microalgas aportan nutrientes a las plantas, pero un número aún mayor de especies aporta micronutrientes o estimulantes para las plantas. Esto mejora la resistencia de las plantas frente a diversos factores de estrés.

Bioplásticos. Los bioplásticos son una nueva e interesante aplicación de las microalgas, y ya se han comercializado los primeros bioplásticos de algas. En estas aplicaciones, la biomasa de microalgas se utiliza como material polimérico que se transforma termoquímicamente en bioplásticos.

Alimentación. El uso de la biomasa de microalgas enteras como suplemento alimentario es, desde el punto de vista comercial, la aplicación más importante en el mercado alimentario. Las microalgas también se utilizan como fuente de ingredientes alimentarios, sobre todo carotenoides y ácidos grasos omega-3. La viabilidad económica de los alimentos (ingredientes) a base de microalgas depende del suministro de éstas a precios competitivos en comparación con los alimentos más convencionales.

Piensos. La harina y el aceite de pescado siguen siendo sustancialmente más baratos que las microalgas, lo que impide que éstas entren en el mercado de los piensos acuáticos. La falta de alternativas a las microalgas en los piensos para larvas y juveniles de peces asegura un mercado para las microalgas en los criaderos de peces. El uso de algas como ingrediente de piensos compuestos parece prometedor, ya que las microalgas tienen una composición proteica favorable. Pueden utilizarse en los piensos en porcentajes de alrededor del 10%, y tienen además un efecto positivo en la salud de los animales. La sustitución de la harina de soja en la producción de piensos compuestos es un mercado potencialmente amplio para las algas. El precio de las microalgas vendrá determinado por el nivel del precio de la harina de soja. Las perspectivas de uso de las microalgas como aditivos para piensos son positivas, debido a los diversos efectos positivos sobre la salud de los animales. Además, el objetivo de reducir el uso de antibióticos impulsa el uso de otros aditivos para piensos que mejoran la salud.

Cuidado personal y productos farmacéuticos. Se ha explorado el potencial de las microalgas como fuente de interesantes ingredientes farmacéuticos y de cuidado personal y se han dado los primeros pasos para su comercialización. Los mercados de productos de cuidado personal y farmacéuticos son mercados de alto valor y bajo volumen.

Para estas aplicaciones de alto valor se utilizan compuestos de algas refinados, y no biomasa de algas entera, para mejorar la biodisponibilidad de los compuestos de algas. El importante tamaño de estos mercados, combinado con la demanda de productos naturales por parte de los consumidores, indica un gran potencial para las algas. El mercado del cuidado de la piel cuenta ya con numerosos productos a base de microalgas de empresas internacionales. El mercado del cuidado personal es relativamente fácil de acceder para los productos a base de microalgas. El índice de éxito en el descubrimiento de nuevos principios activos a partir de organismos marinos es mayor que el de los organismos terrestres o el de las técnicas convencionales de química combinatoria utilizadas en la industria farmacéutica.

Independientemente de cómo se produzca la biomasa, si el procesamiento posterior puede realizarse en una biorrefinería integrada que permita extraer el mayor número de productos y coproductos (Figura 3), y con la menor cantidad de residuos/desechos, se garantizará el máximo rendimiento de la inversión para el procesamiento posterior^[11]. En una biorrefinería de microalgas, esto significa que no solo se puede automatizar el sistema de cultivo y recolección de algas para reducir los costes de funcionamiento, sino que una red de sensores podría permitir a los operarios supervisar el crecimiento y la productividad de las algas en tiempo real. El concepto de Industria 4.0 va un paso más allá al construir una simulación, o gemelo digital, de la instalación y el cultivo de algas a partir de los datos de los sensores.

La simulación puede hacer predicciones en tiempo real del rendimiento celular futuro y ajustar las operaciones para satisfacer la demanda de productos prevista y reducir los residuos. Por ejemplo, una biorrefinería de microalgas totalmente realizada vincularía el rendimiento celular controlado de componentes específicos con la extracción automatizada en serie de varios coproductos que son impulsados por la demanda actual, en lugar de la tradicional acumulación de producción lineal que espera la demanda. Las biorrefinerías pueden estar situadas en centros regionales para dar servicio a los productores de los alrededores.

Fuente: Fabris et al [11].

Referencias

[1] EU Bioeconomy Strategy Progress Report. European Bioeconomy Policy: Stocktaking and future developments. Updated May 2022.

[2] Chojnacka Katarzyna, Piotr Pawel Wieczorek Grzegorz Schroeder and Izabela Michalak Editors (2018). Algae Biomass: Characteristics and Applications Towards Algae-based Products. Springer.

[3] Joint Research Center (2014). Microalgae-based products for the food and feed sector: an outlook for Europe. JRC SCIENTIFIC AND POLICY REPORTS.

[4] Oilgae (2020). Emerging Algae Product and Business Opportunities http://www.oilgae.com/ref/wp/downloads/emerging-algae-products-and-business-opportunities.pdf

[5] Voort, M.P.J. van der, Vulsteke, E., Visser, C.L.M. de. (2015). Marco-economics of Algae products, Public Output report WP2A7.02 of the EnAlgae project, Swansea, June 2015, 47 pp.

[6] EABA (2017) Value and size of Algae Biomass sector in Europe in 2016: Current relevance and future potential for biorefinery. European Algae Biomass Association Presentation by Vítor Verdelho Vieira. Algae biorefineries for Europe. Brussels October 17-18, 2017

[7] Araújo, R., Vázquez Calderón, F., Sánchez López, J., Azevedo, I. C., Bruhn, A., Fluch, S., ... & Ullmann, J. (2021). Current status of the algae production industry in Europe: an emerging sector of the blue bioeconomy. Frontiers in Marine Science, 7, 626389.

[8] European Commission (2015). Sustainable safe and nutritious food – New nutrient sources. Business innovation observatory. Case study 52.

[9] Salimbeni, A. (2014). European biomass industry association, open workshop on microalgae market, 12 Nov 2014, Brussels

[10] Rahman Khondokar M., (2019). Food and High Value Products from Microalgae: Market Opportunities and Challenges. Chapter 1 in Microalgae Biotechnology for¬ Food, Health and High Value Products ed. By Md.¬ Asraful ¬Alam, Jing-Liang¬ Xu and Zhongming Wang.

[11] Fabris, M., Abbriano, R. M., Pernice, M., Sutherland, D. L., Commault, A. S., Hall, C. C., ... & Ralph, P. J. (2020). Emerging technologies in algal biotechnology: toward the establishment of a sustainable, algae-based bioeconomy. Frontiers in plant science, 11, 279.