Algacultura - Algaculture

La algacultura es una forma de acuicultura que implica el cultivo de especies de algas .

La mayoría de las algas que se cultivan intencionalmente entran en la categoría de microalgas (también conocidas como fitoplancton , microfitas o algas planctónicas ). Las macroalgas , comúnmente conocidas como algas , también tienen muchos usos comerciales e industriales, pero debido a su tamaño y los requisitos específicos del entorno en el que necesitan crecer, no se prestan tan fácilmente al cultivo (esto puede cambiar, sin embargo, con el advenimiento de los cultivadores de algas más nuevos, que son básicamente depuradores de algas que utilizan burbujas de aire ascendentes en pequeños recipientes).

El cultivo de algas comerciales e industriales tiene numerosos usos, incluida la producción de ingredientes alimentarios como ácidos grasos omega-3 o colorantes y tintes alimentarios naturales , alimentos , fertilizantes , bioplásticos , materias primas químicas (materia prima), productos farmacéuticos y combustible de algas , y también puede utilizarse como medio de control de la contaminación .

La producción mundial de plantas acuáticas cultivadas, dominada abrumadoramente por algas marinas, aumentó en volumen de producción de 13,5 millones de toneladas en 1995 a poco más de 30 millones de toneladas en 2016.

Cultivo, cosecha y procesamiento de algas

Monocultivo

La mayoría de los productores prefieren la producción de monocultivos y hacen todo lo posible para mantener la pureza de sus cultivos. Sin embargo, los contaminantes microbiológicos todavía están bajo investigación.

Con cultivos mixtos, una especie llega a dominar con el tiempo y si se cree que una especie no dominante tiene un valor particular, es necesario obtener cultivos puros para cultivar esta especie. Los cultivos de especies individuales también son muy necesarios para fines de investigación.

Un método común para obtener cultivos puros es la dilución en serie . Los cultivadores diluyen una muestra silvestre o una muestra de laboratorio que contiene las algas deseadas con agua filtrada e introducen pequeñas alícuotas (medidas de esta solución) en una gran cantidad de pequeños contenedores de cultivo. La dilución sigue a un examen microscópico del cultivo de origen que predice que algunos de los contenedores de crecimiento contienen una sola célula de la especie deseada. Después de un período adecuado en una mesa de luz, los cultivadores usan nuevamente el microscopio para identificar contenedores para iniciar cultivos más grandes.

Otro enfoque es utilizar un medio especial que excluya a otros organismos, incluidas las algas invasoras. Por ejemplo, Dunaliella es un género de microalgas que se cultiva comúnmente y que florece en agua extremadamente salada que pocos organismos pueden tolerar.

Alternativamente, los cultivos mixtos de algas pueden funcionar bien para las larvas de moluscos . Primero, el cultivador filtra el agua de mar para eliminar las algas que son demasiado grandes para que las larvas las coman. A continuación, el cultivador agrega nutrientes y posiblemente airea el resultado. Después de uno o dos días en un invernadero o al aire libre, la sopa espesa de algas mixtas resultante está lista para las larvas. Una ventaja de este método es el bajo mantenimiento.

Cultivo de algas

Ver también: Cultivador de algas y Cultivo de microalgas en criaderos
Las microalgas se utilizan para cultivar camarones en salmuera , que producen huevos inactivos (en la foto). Los huevos se pueden incubar a pedido y alimentar a las larvas de peces y crustáceos cultivados.

El agua, el dióxido de carbono , los minerales y la luz son factores importantes en el cultivo, y las diferentes algas tienen diferentes requisitos. La reacción básica para el crecimiento de algas en agua es dióxido de carbono + energía luminosa + agua = glucosa + oxígeno + agua. A esto se le llama crecimiento autótrofo . También es posible cultivar ciertos tipos de algas sin luz, estos tipos de algas consumen azúcares (como la glucosa). Esto se conoce como crecimiento heterótrofo .

Temperatura

El agua debe estar en un rango de temperatura que permita que las especies de algas específicas se cultiven principalmente entre 15 ° C y 35 ° C.

Luz y mezcla

En un sistema típico de cultivo de algas, como un estanque abierto, la luz solo penetra las 3 a 4 pulgadas superiores (76-102 mm) del agua, aunque esto depende de la densidad de las algas. A medida que las algas crecen y se multiplican, el cultivo se vuelve tan denso que impide que la luz penetre más profundamente en el agua. La luz solar directa es demasiado fuerte para la mayoría de las algas, que pueden usar solo alrededor de 1 ⁄ 10 de la cantidad de luz que reciben de la luz solar directa; sin embargo, exponer un cultivo de algas a la luz solar directa (en lugar de sombrearlo) es a menudo el mejor curso para un crecimiento fuerte, ya que las algas debajo de la superficie pueden utilizar más de la luz menos intensa creada a partir de la sombra de las algas de arriba.

Para utilizar estanques más profundos, los cultivadores agitan el agua, haciendo circular las algas para que no permanezcan en la superficie. Las ruedas de paletas pueden remover el agua y el aire comprimido que proviene del fondo levanta las algas de las regiones inferiores. La agitación también ayuda a prevenir la sobreexposición al sol.

Otro medio de suministrar luz es colocar la luz en el sistema. Las placas de incandescencia hechas de láminas de plástico o vidrio y colocadas dentro del tanque ofrecen un control preciso sobre la intensidad de la luz y la distribuyen de manera más uniforme. Sin embargo, rara vez se usan debido a su alto costo.

Olor y oxigeno

El olor asociado con pantanos , pantanos y otras aguas estancadas puede deberse al agotamiento de oxígeno causado por la descomposición de las floraciones de algas muertas . En condiciones anóxicas , las bacterias que habitan los cultivos de algas descomponen el material orgánico y producen sulfuro de hidrógeno y amoníaco , que causa el olor. Esta hipoxia a menudo resulta en la muerte de animales acuáticos. En un sistema donde las algas se cultivan, mantienen y recolectan intencionalmente, no es probable que ocurra eutrofización ni hipoxia.

Algunas algas y bacterias vivas también producen sustancias químicas olorosas, en particular ciertas cianobacterias (previamente clasificadas como algas verdiazules) como Anabaena . Los más conocidos de estos productos químicos que causan olores son el MIB ( 2-metilisoborneol ) y la geosmina . Dan un olor a humedad o terroso que puede ser bastante fuerte. La muerte eventual de las cianobacterias libera gas adicional que queda atrapado en las células. Estos productos químicos son detectables en niveles muy bajos, en el rango de partes por mil millones, y son responsables de muchos problemas de "sabor y olor" en el tratamiento y distribución del agua potable . Las cianobacterias también pueden producir toxinas químicas que han sido un problema en el agua potable.

Nutrientes

Los nutrientes como el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K) sirven como fertilizantes para las algas y generalmente son necesarios para el crecimiento. La sílice y el hierro, así como varios oligoelementos, también pueden considerarse nutrientes marinos importantes, ya que la falta de uno puede limitar el crecimiento o la productividad en un área determinada. El dióxido de carbono también es esencial; por lo general, se requiere una entrada de CO 2 para el rápido crecimiento de las algas. Estos elementos deben disolverse en el agua, en formas biodisponibles, para que las algas crezcan.

Métodos

Cultivo de macroalgas

Esta sección es un extracto del cultivo de algas . [ editar ]
Cultivo subacuático de Eucheuma en Filipinas
Una persona se encuentra en aguas poco profundas, recolectando algas que han crecido en una cuerda.
Un cultivador de algas en Nusa Lembongan (Indonesia) recolecta algas comestibles que han crecido en una cuerda.

El cultivo de algas o algas marinas es la práctica de cultivar y cosechar algas . En su forma más simple, consiste en la gestión de lotes encontrados de forma natural. En su forma más avanzada, consiste en controlar completamente el ciclo de vida de las algas.

Los siete taxones de algas más cultivados son Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii , Gracilaria spp., Saccharina japonica , Undaria pinnatifida , Pyropia spp. Y Sargassum fusiforme . Eucheuma y K. alvarezii se cultivan para obtener carragenina (un agente gelificante ); Gracilaria se cultiva para agar ; mientras que el resto se cultiva para la alimentación. Los países productores de algas más grandes son China, Indonesia y Filipinas. Otros productores notables incluyen Corea del Sur, Corea del Norte, Japón, Malasia y Zanzíbar ( Tanzania ). El cultivo de algas se ha desarrollado con frecuencia como una alternativa para mejorar las condiciones económicas y reducir la presión pesquera y las pesquerías sobreexplotadas.

La producción mundial de plantas acuáticas cultivadas, dominada abrumadoramente por algas marinas, aumentó en volumen de producción de 13,5 millones de toneladas en 1995 a poco más de 30 millones de toneladas en 2016. En 2014, las algas marinas representaban el 27% de toda la acuicultura marina . El cultivo de algas es un cultivo de carbono negativo , con un alto potencial para la mitigación del cambio climático . El Informe especial del IPCC sobre el océano y la criosfera en un clima cambiante recomienda "una mayor atención a la investigación" como táctica de mitigación.

Estanques abiertos

Estanque de canalización utilizado para el cultivo de microalgas. El agua se mantiene en constante movimiento con una rueda de paletas motorizada .

Los estanques y lagos tipo canalización están abiertos a la intemperie. Los estanques abiertos son muy vulnerables a la contaminación por otros microorganismos, como otras especies de algas o bacterias. Por lo tanto, los cultivadores suelen elegir sistemas cerrados para monocultivos. Los sistemas abiertos tampoco ofrecen control sobre la temperatura y la iluminación. La temporada de crecimiento depende en gran medida de la ubicación y, aparte de las áreas tropicales, se limita a los meses más cálidos.

Los sistemas de estanques abiertos son más baratos de construir, requiriendo como mínimo solo una zanja o estanque. Los estanques grandes tienen la mayor capacidad de producción en relación con otros sistemas de costo comparable. Además, el cultivo en estanques abiertos puede aprovechar condiciones inusuales que solo se adaptan a algas específicas. Por ejemplo, Dunaliella salina crece en agua extremadamente salada; estos medios inusuales excluyen otros tipos de organismos, lo que permite el crecimiento de cultivos puros en estanques abiertos. El cultivo abierto también puede funcionar si existe un sistema de recolección solo de las algas deseadas, o si los estanques se vuelven a inocular con frecuencia antes de que los organismos invasores puedan multiplicarse significativamente. Los agricultores de Chlorella emplean con frecuencia este último enfoque , ya que las condiciones de crecimiento de Chlorella no excluyen las algas competidoras.

El primer enfoque se puede emplear en el caso de algunas diatomeas en cadena, ya que se pueden filtrar de una corriente de agua que fluye a través de una tubería de salida . Una " funda de almohada " de una tela de malla fina se ata sobre el tubo de salida para permitir que otras algas escapen. Las diatomeas en cadena se guardan en la bolsa y alimentan a las larvas de camarón (en los criaderos orientales ) e inoculan nuevos tanques o estanques.

Encerrar un estanque con una barrera transparente o translúcida lo convierte efectivamente en un invernadero. Esto resuelve muchos de los problemas asociados con un sistema abierto. Permite que se cultiven más especies, permite que las especies que se cultivan permanezcan dominantes y extiende la temporada de crecimiento; si se calienta, el estanque puede producir durante todo el año. Se utilizaron estanques de carrera abierta para eliminar el plomo utilizando espirulina viva (Arthospira) sp .

Fotobiorreactores

Las algas también se pueden cultivar en un fotobiorreactor (PBR). Un PBR es un biorreactor que incorpora una fuente de luz. Prácticamente cualquier recipiente translúcido podría llamarse PBR; sin embargo, el término se usa más comúnmente para definir un sistema cerrado, a diferencia de un tanque o estanque abierto.

Debido a que los sistemas de PBR están cerrados, el cultivador debe proporcionar todos los nutrientes, incluido el CO
2.

Un PBR puede funcionar en " modo por lotes ", lo que implica reabastecer el reactor después de cada cosecha, pero también es posible cultivar y cosechar de forma continua. El funcionamiento continuo requiere un control preciso de todos los elementos para evitar un colapso inmediato. El cultivador proporciona agua esterilizada, nutrientes, aire y dióxido de carbono en las proporciones correctas. Esto permite que el reactor funcione durante largos períodos. Una ventaja es que las algas que crecen en la " fase logarítmica " generalmente tienen un mayor contenido de nutrientes que las algas viejas " senescentes ". El cultivo de algas es el cultivo de algas en estanques u otros recursos. La productividad máxima ocurre cuando el "tipo de cambio" (tiempo para intercambiar un volumen de líquido) es igual al "tiempo de duplicación" (en masa o volumen) de las algas.

Los PBR pueden mantener el cultivo en suspensión o pueden proporcionar un sustrato sobre el cual el cultivo puede formar una biopelícula. Los PBR basados ​​en biopelículas tienen la ventaja de que pueden producir rendimientos mucho más altos para un volumen de agua dado, pero pueden sufrir problemas con las células que se separan del sustrato debido al flujo de agua necesario para transportar gases y nutrientes al cultivo.

Los diferentes tipos de PBR de cultivo suspendido incluyen:

Los PBR de biopelícula incluyen PBR de sustrato poroso y de lecho empacado. Los PBR de cama empaquetada pueden tener diferentes formas, incluida la placa plana o tubular. En los biorreactores de sustrato poroso (PSBR), la biopelícula se expone directamente al aire y recibe su agua y nutrientes por acción capilar a través del sustrato mismo. Esto evita problemas con las células que se suspenden porque no hay flujo de agua a través de la superficie de la biopelícula. El cultivo podría contaminarse con organismos en el aire, pero defenderse de otros organismos es una de las funciones de una biopelícula.

Cosecha

Las algas se pueden recolectar mediante micropantallas, por centrifugación , por floculación y por flotación por espuma .

La interrupción del suministro de dióxido de carbono puede hacer que las algas floculen por sí solas, lo que se denomina "autofloculación".

El "quitosano", un floculante comercial, más comúnmente utilizado para la purificación de agua, es mucho más caro. Las cáscaras en polvo de los crustáceos se procesan para adquirir quitina , un polisacárido que se encuentra en las cáscaras, del cual se deriva el quitosano por desacetilación. El agua que es más salobre o salina requiere mayores cantidades de floculante. La floculación suele ser demasiado cara para grandes operaciones.

El alumbre y el cloruro férrico son otros floculantes químicos.

En la flotación por espuma , el cultivador airea el agua en una espuma y luego quita las algas de la parte superior.

Actualmente se están desarrollando ultrasonidos y otros métodos de recolección.

Extracción de petróleo

Artículo principal: combustible de algas

Los aceites de algas tienen una variedad de usos comerciales e industriales y se extraen mediante una variedad de métodos. Las estimaciones del costo de extraer aceite de microalgas varían, pero es probable que sean alrededor de tres veces más altas que las de extraer aceite de palma .

Extracción física

En el primer paso de extracción, el aceite debe separarse del resto de algas. El método más simple es la trituración mecánica . Cuando las algas se secan, retienen su contenido de aceite, que luego se puede "exprimir" con una prensa de aceite . Diferentes cepas de algas justifican diferentes métodos de prensado de aceite, incluido el uso de tornillo, expulsor y pistón. Muchos fabricantes comerciales de aceite vegetal utilizan una combinación de prensado mecánico y disolventes químicos para extraer el aceite. Este uso también se adopta a menudo para la extracción de aceite de algas.

El choque osmótico es una reducción repentina de la presión osmótica , lo que puede hacer que las células de una solución se rompan. El choque osmótico a veces se usa para liberar componentes celulares, como aceite.

La extracción ultrasónica , una rama de la sonoquímica , puede acelerar enormemente los procesos de extracción. Usando un reactor ultrasónico, se utilizan ondas ultrasónicas para crear burbujas de cavitación en un material solvente. Cuando estas burbujas colapsan cerca de las paredes celulares, las ondas de choque resultantes y los chorros de líquido hacen que las paredes celulares se rompan y liberen su contenido en un solvente. La ecografía puede mejorar la extracción enzimática básica.

Extracción química

Los disolventes químicos se utilizan a menudo en la extracción de aceites. La desventaja de utilizar disolventes para la extracción de aceite son los peligros que implica trabajar con los productos químicos. Se debe tener cuidado para evitar la exposición a los vapores y el contacto con la piel, cualquiera de los cuales puede causar daños graves a la salud. Los disolventes químicos también presentan un peligro de explosión.

Una elección común de solvente químico es el hexano , que se usa ampliamente en la industria alimentaria y es relativamente económico. El benceno y el éter también pueden separar el aceite. El benceno está clasificado como carcinógeno .

Otro método de extracción con solventes químicos es la extracción Soxhlet . En este método, los aceites de las algas se extraen mediante lavados repetidos, o percolación , con un disolvente orgánico como hexano o éter de petróleo , a reflujo en una cristalería especial. El valor de esta técnica es que el solvente se reutiliza para cada ciclo.

La extracción enzimática utiliza enzimas para degradar las paredes celulares con agua que actúa como disolvente. Esto facilita mucho el fraccionamiento del aceite. Se estima que los costos de este proceso de extracción son mucho mayores que los de la extracción con hexano.

El CO 2 supercrítico también se puede utilizar como disolvente. En este método, el CO 2 se licúa a presión y se calienta hasta el punto que se vuelve supercrítico (con propiedades tanto de líquido como de gas), lo que le permite actuar como disolvente.

Todavía se están desarrollando otros métodos, incluidos algunos para extraer tipos específicos de aceites, como los que tienen una alta producción de ácidos grasos altamente insaturados de cadena larga.

Colecciones de cultivos de algas

Se pueden adquirir cepas específicas de algas a partir de colecciones de cultivos de algas, con más de 500 colecciones de cultivos registradas en la Federación Mundial de Colecciones de Cultivos.

Usos de las algas

Dulse es una de las muchas algas comestibles.

Comida

Varias especies de algas se cultivan como alimento.

  • La alga púrpura ( Porphyra ) es quizás la alga marina más domesticada. En Asia se usa en nori ( Japón ) y gim ( Corea ). En Gales , se usa en laverbread , un alimento tradicional, y en Irlanda se recolecta y se convierte en gelatina al guisar o hervir . La preparación también puede implicar freír o calentar las hojas con un poco de agua y batir con un tenedor para producir una gelatina rosada. La recolección también ocurre a lo largo de la costa oeste de América del Norte , y en Hawái y Nueva Zelanda .
  • Dulse ( Palmaria palmata ) es una especie roja vendida en Irlanda y el Atlántico de Canadá . Se come cruda, fresca, seca o cocida como la espinaca .
  • La espirulina ( Arthrospira platensis ) es una microalga azul verdosa con una larga historia como fuente de alimento en África oriental y en el México precolonial. La espirulina es rica en proteínas y otros nutrientes, por lo que se utiliza como complemento alimenticio y para la desnutrición. La espirulina prospera en sistemas abiertos y los cultivadores comerciales la han encontrado muy adecuada para el cultivo. Uno de los sitios de producción más grandes es el lago Texcoco en el centro de México. Las plantas producen una variedad de nutrientes y grandes cantidades de proteínas . La espirulina se usa a menudo comercialmente como suplemento nutricional.
  • La chlorella , otra microalga popular, tiene una nutrición similar a la espirulina. La chlorella es muy popular en Japón . También se utiliza como complemento nutricional con posibles efectos sobre la tasa metabólica.
  • El musgo irlandés ( Chondrus crispus ), a menudo confundido con Mastocarpus stellatus , es la fuente de carragenina , que se utiliza como agente endurecedor en pudines instantáneos, salsas y productos lácteos como helados. El musgo irlandés también es utilizado por los cerveceros como agente clarificante .
  • La lechuga de mar ( Ulva lactuca ), se usa en Escocia , donde se agrega a sopas y ensaladas.
  • Los dabberlocks o badderlocks ( Alaria esculenta ) se consumen frescos o cocidos en Groenlandia , Islandia , Escocia e Irlanda.
  • Aphanizomenon flos-aquae es una cianobacteria similar a la espirulina, que se utiliza como complemento nutricional.
  • Los extractos y aceites de algas también se utilizan como aditivos en diversos productos alimenticios. Las plantas también producen ácidos grasos omega-3 y omega-6 , que se encuentran comúnmente en los aceites de pescado y que han demostrado tener beneficios positivos para la salud.
  • Las especies de sargazo son un grupo importante de algas marinas. Estas algas tienen muchos florotaninos .
  • El cochayuyo ( Durvillaea antarctica ) se come en ensaladas y ceviche en Perú y Chile.
  • Tanto las microalgas como las macroalgas se utilizan para hacer agar (ver más abajo), que se utiliza como agente gelificante en los alimentos.

Manipulación de laboratorio

Los científicos australianos de la Universidad Flinders en Adelaide han estado experimentando con el uso de microalgas marinas para producir proteínas para el consumo humano, creando productos como " caviar ", hamburguesas veganas , carne falsa , mermeladas y otros alimentos para untar . Al manipular microalgas en un laboratorio , se podría aumentar el contenido de proteínas y otros nutrientes y cambiar los sabores para hacerlas más apetecibles. Estos alimentos dejan una huella de carbono mucho más ligera que otras formas de proteína, ya que las microalgas absorben en lugar de producir dióxido de carbono , que contribuye a los gases de efecto invernadero .

Fertilizante y agar

Durante siglos, las algas se han utilizado como fertilizante . También es una excelente fuente de potasio para la fabricación de potasio y nitrato de potasio . También algunas de las microalgas se pueden utilizar así.

Tanto las microalgas como las macroalgas se utilizan para hacer agar .

Control de polución

Con la preocupación por el calentamiento global , se están buscando nuevos métodos para la captura completa y eficiente de CO 2 . El dióxido de carbono que produce una planta de combustión de carbono puede alimentarse en sistemas de algas abiertos o cerrados, fijando el CO 2 y acelerando el crecimiento de algas. Las aguas residuales no tratadas pueden proporcionar nutrientes adicionales, convirtiendo así dos contaminantes en productos valiosos.

Se está estudiando el cultivo de algas para el secuestro de uranio / plutonio y la escorrentía de fertilizantes purificadores.

Producción de energía

Las empresas, el mundo académico y los gobiernos están explorando la posibilidad de utilizar algas para producir gasolina, biodiésel, biogás y otros combustibles. Las algas en sí mismas se pueden usar como biocombustible y, además, se pueden usar para crear hidrógeno. Consulte Combustible de algas .

Otros usos

La Chlorella , en particular una cepa transgénica que porta un gen de reductasa de mercurio adicional , se ha estudiado como un agente de remediación ambiental debido a su capacidad para reducir el Hg.2+
 al mercurio elemental menos tóxico.

Las algas cultivadas sirven para muchos otros propósitos, incluidos cosméticos, alimentos para animales, producción de bioplásticos, tintes y producción de colorantes, producción de materias primas químicas e ingredientes farmacéuticos.

Ver también

Fuentes

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Referencias

enlaces externos