Corales impresos en 3D, nuevos biorreactores para impulsar la producción de microalgas para biocombustibles

Las algas fotosintéticas, pequeñas algas que utilizan la luz para crecer, ofrecen una alternativa a los combustibles fósiles tradicionales. La pequeña cantidad de lípidos que produce cada célula se puede recolectar para producir biocombustible para la industria del transporte.

Actualmente, hay dos diseños principales para cultivar las algas: ya sea a través de un "estanque" artificial al aire libre o mediante un "fotobiorreactor" cerrado, generalmente un tubo o bolsa transparente.

Ambos tienen sus problemas. Aunque un estanque abierto puede ser lo suficientemente grande para la producción industrial, es difícil controlar la temperatura del estanque y el agua puede infectarse fácilmente con bacterias no deseadas.

Un fotobiorreactor de interior reduce ambos riesgos, pero pocos diseños pueden utilizarse para la producción industrial. En ambos tipos, las microalgas fotosintéticas comienzan a bloquear la luz a medida que crecen.

"A menudo, lo que se tiene es demasiada luz en la superficie del cultivo y muy poca luz a medida que se profundiza", dijo el Dr. Daniel Wangpraseurt, científico marino de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, que está investigando la mejor manera de cultivar microalgas.

La producción eficiente de biocombustibles comienza por encontrar la mejor manera posible de cultivar microalgas. "Lo que nos gustaría hacer es utilizar una cepa que produzca muchos lípidos que luego puedan convertirse en biodiésel", dijo el Dr. Wangpraseurt. Cuanto mejor pueda crecer una cepa en un biorreactor, mayor será el rendimiento de biocombustible.

Los arrecifes de coral

El Dr. Wangpraseurt y su proyecto BioMIC-FUEL se inspiraron en cómo crecen las microalgas en los arrecifes de coral tropicales. Al recrear estructuras de coral, él y su equipo esperaban recrear las mejores condiciones para la producción de biocombustible.

Como explica el Dr. Wangpraseurt, estos corales tienen una estructura única que permite que las algas fotosintetizadas prosperen en un entorno con mucha competencia por el espacio y la luz. Por ejemplo, el esqueleto de coral está hecho de carbonato de calcio, lo que permite que el coral esparza la luz de manera que pueda alcanzar las densas microalgas que crecen en él.

El siguiente paso fue crear una técnica de impresión 3D que pudiera replicar la forma de los corales, incluida su estructura química única de dispersión de luz. Esto implicó trabajar con bioingenieros con experiencia en "imprimir" células en la investigación de órganos artificiales.

Los investigadores que investigaban cómo recrear tejido hepático pudieron asesorar al equipo del Dr. Wangpraseurt sobre cómo recrear estructuras finas y detalles que se encuentran en la superficie de los corales. Se diseñó una "tinta biológica" cargada de nutrientes y productos químicos para ayudar a que las microalgas crezcan bien dentro de la construcción de tejido 3D.

"Hay muchas cosas diferentes que terminan en este cóctel que llamamos bio-tinta. Uno de los aspectos que más tiempo consumió fue ajustar esta bio-tinta para que fuera beneficiosa para el crecimiento de las algas", dijo el Dr. Wangpraseurt.

Esto les permitió crear estructuras artificiales que tenían una fuerza, suavidad y cualidades de dispersión de luz similares a las de los corales naturales. Después de encontrar la mezcla correcta, el Dr. Wangpraseurt y sus colegas pudieron cultivar microalgas hasta 100 veces más densas que las que se encuentran en los corales naturales.

El Dr. Wangpraseurt dice que se está trabajando para optimizar la tecnología y escalarla para que las empresas puedan usarla.

Ligero

En este momento, las empresas que buscan un biorreactor de interior todavía tienen pocas opciones: la tecnología todavía tiene problemas como controlar la luz y los nutrientes en el reactor y minimizar el riesgo de contaminación.

"En el pasado, las empresas intentaron resolver este problema y han llegado a algunas soluciones, pero no a algo a escala", dice Yonatan Golan, director ejecutivo de Brevel, una pequeña empresa con sede en Israel que desarrolla un fotobiorreactor a gran escala.

Como explica Golan, agregar luces al reactor crea nichos adicionales para que las bacterias no deseadas crezcan y contaminen el reactor. Se pueden instalar elementos de limpieza adicionales en el reactor, aunque esto provoca sombras dentro del biorreactor, lo que reduce la cantidad de luz para las microalgas.

El diseño del biorreactor de Brevel utiliza técnicas de limpieza e iluminación patentadas para iluminar el interior del fotobiorreactor y, al mismo tiempo, reducir el riesgo de infección por bacterias. Las nuevas técnicas de iluminación significan que la luz en el reactor puede ser más pequeña y más brillante, sin calentar la mezcla bacteriana. El análisis de imágenes digitales y el monitoreo en línea significa que el fotobiorreactor Brevel también está más automatizado que otros fotobiorreactores disponibles para la industria.

Sus resultados ya son prometedores. Pudieron reducir el costo de cultivar fotomicroalgas en un 90% y producir rendimientos 200 veces más altos que los fotobiorreactores al aire libre de última generación.

Salmón

El biorreactor tiene aplicaciones más allá del biocombustible. El salmón cultivado en piscifactorías no tiene el color rosado que se ve en la naturaleza. Para compensar, los productores de salmón agregan un pigmento artificial llamado astaxantina al alimento que le da a la carne de salmón de cultivo un tono rosado.

Como explica Golan, este pigmento sintético está hecho de petroquímicos, que los investigadores señalan que no está aprobado para ser consumido directamente por las personas, aunque es seguro comerlo en peces de cultivo. Este pigmento constituye el 10% del precio final del salmón.

El biorreactor Brevel ampliado puede producir este mismo pigmento al mismo precio de forma orgánica y al mismo precio que la versión sintética. También se ha demostrado que el pigmento elaborado orgánicamente es seguro para comer directamente y es naturalmente más alto en antioxidantes. Es probable que su precio baje con el paso del tiempo, agrega Golan. La compañía también está buscando producir productos para la industria de la nutrición y la cosmética.

El año que viene, Golan espera construir la primera fábrica de fotobiorreactores y contratar más ingenieros. Él cree que las microalgas también tienen sentido comercial sostenible.

"De hecho, podemos obtener ganancias de los productos de alto valor (nutrición y cosméticos) y quedarnos con la biomasa que contiene proteínas y lípidos", dijo. "Pueden ser para el mercado de las proteínas o es posible producir biocombustible a partir de ellas".