Producción de Biocombustibles A partir de Microalgas

1. Diseño de Foto-Bioreactores para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas
Parte 1. Teoría y Generalidades
Reinhardt Acuña Torres
Introducción
La crisis del petróleo y la dependencia forzada
de los países no productores de petróleo, de los
que sí lo producen, afecta no solo a la economía
de los primeros; sino también, a su autonomía e
independencia alimentaria y productiva. Por esa
razón, los biocombustibles alcanzan cada vez
una mayor relevancia como combustibles
alternativos de menor impacto ecológico. El
fitoplancton y una extensa variedad de micro
algas fotosintéticas, se caracterizan, aparte de ser
el alimento de gran parte de la vida marina
animal, por contener (ciertas familias y
variedades) grandes cantidades de aceites 1- Planta Productora de Biocombustibles A partir de Micro
esenciales de alto a mediano peso molecular. algas Fotosintéticas
Estos aceites pueden reformados mediante diferentes métodos para obtener combustibles de alto peso
molecular y potencial energético y flamante, similar al biodiesel. El objeto de este artículo es dar las
pautas de diseño y de operación para la construcción de fotobioreactores destinados al cultivo a gran
escala de esos microorganismos fotosintéticos.
El Concepto de un Foto Bioreactor para el Cultivo Micro Algas Oleaginosas
Un fotobioreactor es un contenedor biológico artificial cuyo ambiente
interno es capaz de generar las condiciones necesarias para que la
fotosíntesis de las clorofilas existentes en microorganismos, células o
tejidos fotosintéticos que en ellos se cultiva, crezca y se desarrollen de
manera rápida y eficiente para generar biomasa y los productos
metabólicos que se encuentren dentro de ella. En este sentido, el
término fotobioreactor se refiere a
sistemas cerrados para el medio
ambiente externo; es decir, que no 2- Fotobioreactor Moss con
tienen intercambio directo de gases y Physcomitrella patens
contaminantes con el medio ambiente externo.
Biotecnológicamente este tipo de bioreactor se utiliza para el cultivo
de micro algas con el propósito de fijar CO2 para la producción de
biomasa, mediante la reacción de la fotosíntesis que se lleva a cabo
3- Microalgas fotosintéticas

2. por la clorofila que contienen las microalgas. Las microalgas son microorganismos oxigénicos
fotoautotróficos que realizan fotosíntesis mediante la siguiente reacción de síntesis:
El CO2 es el reactivo limitante de la velocidad de reacción en los fotobioreactores cuyo propósito de
utilización es el cultivo de microalgas.
El propósito de diseño de estos fotobioreactores es cultivar microalgas (biomasa) para producir
aceites esenciales de alto peso molecular (producto metabólico).
Constructivamente existen tres tipos básicos de fotobioreactores para el cultivo de microalgas; siendo
que la fotosíntesis es el otro el factor determinante que interviene en el bioproceso, la intensidad de la
energía solar disponible es el parámetro unificador. Los tres tipos básicos de fotobioreactores para el
cultivo de microalgas son:
Fotobioreactor de Placa: Un bioreactor de la placa consiste en una serie
de paneles o placas interconectadas dispuestas vertical u horizontalmente en
cajas rectangulares; a menudo se divide en dos partes para efecto de una
agitación con recirculación del líquido (cultivo) del bioreactor. Esas conexiones
se utilizan también para realizar el proceso de llenado y vaciado, la introducción
de gas (CO2) y el transporte de sustancias nutritivas, fácil. La
introducción de los gases de combustión se produce por la parte inferior de
la caja o panel, para asegurarse de que el dióxido de carbono tiene
suficiente tiempo para interactuar con las microalgas en el seno del líquido del
reactor. 4- Fotobioreactor panel de platos
Fotobioreactor Tubular:
5- Fotobioreactor tubular vertical
Un bioreactor tubular se compone de una serie tubos dispuestos vertical u
horizontalmente, conectados a un sistema de tuberías. El cultivo es
líquido con biomasa en suspensión (microalgas) y debe ser capaz de
circular por la tubería. Los tubos deben estar hechos de material
transparente como plástico o vidrio y la circulación se mantiene constante
por efecto de una bomba impulsora al final del sistema. El gas (CO2) se
introduce al final y al principio del sistema de tubos; de esta forma se
evitan los problemas de difusión que ocasionan deficiencia de dióxido de
carbono y alta concentración de oxígeno, al final de la unidad durante la
circulación del fluido (cultivo).
Fotobioreactor de Columna de Burbujas:
Un bioreactor de columna de burbujas de fotos consiste en la columna vertical cilíndrica, hecha de
material transparente, que permite la introducción de gas, por la parte inferior de la columna, en
condición de flujo turbulento (Re>3000), para un óptimo intercambio de gases.

3. Este tipo de bioreactores se construyen con un diámetro máximo de 30 cm
(el rango es: 20 cm a 30 cm) con el fin de garantizar el suministro
necesario de energía luminosa, ya sea de una fuente natural (luz solar)
o de una artificial (luz eléctrica). 6- Fotobioreactor de
Columna de Burbujas
Los Aspectos Técnicos del Diseño
El mayor problema cuando se utiliza luz solar es que ésta es muy variable
en intensidad; según sea: la región (latitud), el clima (soleado, oscuro) y la
estacionalidad del tiempo (estaciones); eso determina que la
construcción esté limitada al tamaño más pequeño de diámetro. No
obstante, existen métodos para recoger o concentrar la luz del sol como colectores solares en forma de
cono o parabólicos y la transferencia de luz con cables de fibra de vidrio (fibra óptica) que se adapten
al perfil del bioreactor. En la gran escala, el consumo de energía debido a las bombas y el costo de
fabricación de CO2, pueden pesar más que el CO2 capturado por el bioreactor.
En forma general, el diseño de un fotobioreactor para el cultivo microalgas a gran escala, para uso
como biocombustible, debe considerar los siguientes aspectos:
 Control preciso de la dinámica de fluidos,
 Número de Reynolds optimizado,
 Control retroalimentado “feedback” de las variables de: turbidez, temperatura, pH, DO, DBO,
opacidad, colorimetría, espectro radiometría diferencial de aérea y de inmersión,
 Paneles o fuentes radiadores de flujo lumínico homogéneo de alto rendimiento, bajo consumo, larga
vida y bajo coste,
 Sistemas de microfiltración de fácil limpieza,
 Automatización del control de flujo de gases (CO2) y adición de nutrientes,
 Precámaras de mezcla y tolvas para la recogida del producto,
 Monitorización y control informático computadorizado.
Estos aspectos implican 4 diferentes áreas del diseño del fotobioreactor que tienen que ver con:
 El aprovechamiento de la energía luminosa: ciclos luz-oscuridad, trayectoria de la luz y geometría
de fotobioreactores;
 Los aspectos fisiológicos: fotoinhibición por oxígeno, cultivos de alta densidad celular, ultra alta
densidad celular, heterotrofía y mixotrofía;
 Los aspectos hidrodinámicos: número de Reynolds, estrés hidrodinámico, agitación, mezclado y
turbidez;
 Los fenómenos de transferencia: masa, calor y momentum.
Operativamente, un fotobioreactor para el cultivo de microalgas combina en uno solo, 4 tipos de
bioreactores:

4. Un quimiostato: de ambiente químico estático; es un bioreactor al que
continuamente se le agrega medio fresco, a la misma velocidad en el líquido de
cultivo, se remueve del sistema, para mantener el volumen de cultivo
constante. Su operación está diseñada para que al cambiar la velocidad con que
se agrega el medio de cultivo fresco al bioreactor, la tasa de
crecimiento del microorganismo se pueda controlar fácilmente. Dado que la tasa
de flujo medio se controla para mantener el volumen de cultivo constante, con
un flujo continuo, la alimentación (flujo de entrada) y la salida o efluente (flujo
de salida), deben ser iguales en un quimiostato.
Un turbidoestato es un dispositivo de cultivo continuo similar a
7- Bioreactor de tanque
un quimiostato; su nombre deriva de turbidez estática (ambiente); en
agitado (CSTR) operado
como un quimiostato. comparación con el quimiostato, este bioreactor tiene una retroalimentación
entre la turbidez y la tasa de dilución del recipiente de cultivo. La relación
teórica entre el crecimiento en un quimiostato y el crecimiento en un turbidoestato es similar, en el
sentido de que, ambos técnicamente tienen un volumen fijo y una tasa de flujo fija y por lo tanto, la
tasa de dilución es fija. En el estado de equilibrio, cuando las células son uniformes, el
funcionamiento de un quimiostato y turbidoestato son idénticos. Es sólo cuando el crecimiento no es
homogéneo que las diferencias se hacen manifiestas; eso ocurre cuando las células en crecimiento se
encuentran: fuera de equilibrio, están mutando, o están creciendo a su tasa de crecimiento máximo.
En este último caso (cuando las células están creciendo a su tasa de crecimiento máximo) es muy
difícil establecer el quimiostato a la tasa de dilución constante adecuada; por esa razón, el turbidoestato
utiliza un espectrofotómetro/turbidómetro para medir la densidad óptica del cultivo que se asocia a
su densidad celular, para el control de la tasa de dilución constante adecuada. No obstante, existen
otras opciones tales como, la permitividad dieléctrica para medir y controlar tasa de dilución en un
turbidoestato.
Un auxoestato es un dispositivo de cultivo continuo similar a un turbidoestato, se
diferencia de éste en que su funcionamiento utilice la información
obtenida por retroalimentación de una cámara de crecimiento celular, para
controlar: el caudal del medio de cultivo (alimentación fresca), el pH
(acidez), la temperatura y el mantenimiento interno (agitación,
viscosidad, etc.) a una medida constante. Auxo era la diosa griega del
crecimiento de primavera, y como un prefijo representa nutrientes. El uso
típico de los auxoestatos es para controlar la acidez (pH) en un cultivo
bacteriano con retroalimentación entre la tasa de crecimiento y un
medidor de pH, como se observa en la figura. No obstante, en un
auxoestato para el cultivo de microalgas deben medirse y controlarse el flujo y
concentración del CO2, la intensidad y el periodo de iluminación y 8- Auxoestato para el cultivo bacterial por
la densidad celular del cultivo celular. control de pH

5. Operación Continua y Cultivo de Microalgas en un Fotobioreactor
Operación Continua
Para un componente “i” cualquiera de un cultivo celular, incluida la biomasa, se puede plantear el
siguiente balance de materia en el bioreactor: d(VCi)/dt = F1Ci1 – F2Ci + Vrfi – Vrci (1)Donde V es el
volumen de cultivo, F1 es caudal de alimentación, F2 el de salida, Ci1 la concentración del componente
"i" en la alimentación y Ci la concentración en el caudal de salida; rfi y rci son la velocidad de formación
(f) y la velocidad de consumo (c) del componente "i" respectivamente. Bajo el supuesto de que, el
cultivo está perfectamente mezclado (mezcla perfecta), se puede asumir que Ci es idéntica a la
concentración que hay dentro del bioreactor. En una operación continua, el volumen varía con en el
tiempo, de acuerdo a la ecuación: dV/dt = F1 – F2 (2). En un quimioestato, los caudales o flujos de
entrada y de salida son iguales y dado que el volumen es constante; la ecuación 1 se reduce a: V
dCi/dt = F (Ci1 – Ci) + V(rfi – rci) (3).
Bioreactor de Inóculo 10- Esquema de un
bioreactor "fed batch"
Para iniciar un cultivo continuo a gran escala, se debe realizar previamente el
inóculo del bioreactor a gran 9- Esquema de un quimioestato escala, desde un bioreactor a pequeña,
dedicado exclusivamente, al cultivo por lotes “batch”. Las
microalgas son organismos fotosintéticos autótrofos por lo que, además de luz de calidad para realizar
la fotosíntesis, necesitan CO2 como substrato limitante de la velocidad de crecimiento para poder
dividirse. Un bioreactor de inóculo para el cultivo de microalgas debe ser por lo tanto, un
fotobioreactor alimentado “fed batch” por una corriente S de CO2 como
substrato limitante de la velocidad de crecimiento. Una vez establecido el inóculo, se
comienza a alimentar con medio fresco a un caudal F, la entrada y a recolectar la
biomasa o producto, por un rebalse o lavado; para que se mantenga el volumen
constante. En un bioreactor alimentado, el caudal de salida es nulo (F2 = 0) por
lo que, el volumen aumenta con el tiempo y en función del caudal de entrada
(F1). Las condiciones de operación del bioreactor de inóculo son: F1 = F; dV/dt = F
(4) y V dCi/dt = F (Ci1) + V(rfi – rci) (5).
El Tiempo de Residencia
El volumen V permanece dentro del operador diferencial pues varía con el tiempo. Por ese motivo, un
cultivo alimentado tiene duración limitada en el tiempo que se conoce como tiempo de residencia, ya
que, el volumen no puede incrementarse más allá del volumen útil que tiene el bioreactor. El tiempo
de residencia (τ) es la cantidad promedio de tiempo que pasa una célula dentro del bioreactor. Esta
medida varía directamente con la cantidad de sustancia en el sistema y en su forma genérica está dado
por la ecuación: τ = V/F (6). En el caso de “sistemas vivos”, la cantidad de substancia debe
transformarse y modificarse por concentración para adaptarse al concepto de sistema biológico, con
eso, la ecuación 6 se transforma en: C = Co exp (-kτ) (7). Donde; C = Concentración, Co = concentración

6. inicial, exp = exponencial, k = constante de velocidad de reacción, τ = tiempo de residencia del
bioreactor.
Ecuaciones y Balances de Materia en el Cultivo Continuo
En el estado estacionario la tasa de crecimiento específico (μ) de un microorganismo es igual a la tasa
de dilución (D).
La tasa de dilución se define como la tasa de flujo promedio entre el volumen del cultivo del
bioreactor: D = F/V (8).
Balance General de Materia: V dCi/dt = F (Ci1 – Ci) + V(rfi – rci) (3)
Balance Materia del Componente X (Biomasa): V dX/dt = -FX + V rfx (9)
Balance Materia del Substrato Limitante de la Velocidad S: V dS/dt = F (S1 – S) - V(rs) (10)
Balance de Materia del Producto P: V dP/dt = -FP + V rp (11)
Cinética y Crecimiento Bacteriano
11- Fases del crecimiento bacteriano
Cada microorganismo que crece en un sustrato en
particular tiene una tasa máxima de crecimiento
específico (μm) que se alcanza después de la fase
exponencial de crecimiento, al llegar la fase
estacionaria de crecimiento. Dado que, tasa de
dilución se define como la tasa de flujo promedio
entre el volumen del cultivo del bioreactor, D
define el comportamiento operacional del
bioreactor; si se elige una tasa de dilución mayor
que μm, habrá acumulación y eventualmente, el
volumen del cultivo llegará a ser mayor que el
volumen del bioreactor; el cultivo no podrá sostenerse a sí mismo en el bioreactor y habrá
lavado; es decir, se removerán las células del cultivo, a mayor velocidad de lo crecen o se
reproducen. Cuando la tasa de dilución menor que μm, la acumulación será negativa, las células y el
cultivo estarán siempre en su fase exponencial y no se alcanzará nunca el estado estacionario. Bajo
condiciones controladas, las cianobacterias pueden duplicar su población cuatro veces al día.
Ecuaciones Cinéticas en el Estado Estacionario
El caudal de salida o lavado contiene células maduras y medio de cultivo parcialmente agotado. En
base a la ecuación de balance general de materia (ecuación 3), se pueden establecer los balances de
materia para: la biomasa X, el substrato limitante de la velocidad S y el producto P.
En el estado estacionario: rX = μm (12). Resulta: F / V = D = μm (13).
La concentración media del substrato limitante de la velocidad S` en estado estacionario es: S` =
KsD / μm – D (14).
La velocidad de consumo de substrato en el estado estacionario es: rs = D (S1 – S`) (15).

7. El rendimiento celular de biomasa se define como la relación entre la biomasa producida y el
sustrato consumido (usualmente la fuente de carbono y energía): Yx/s = -dX/dS (16).
Por la ecuación (16) la velocidad de consumo de substrato en función del rendimiento celular de
biomasa en el estado estacionario es: rs = μmX / Yx/s (17).
La concentración de biomasa en función del rendimiento celular de biomasa en estado estacionario
es: X` = Yx/s (S1 – S`) (18).
La velocidad de dilución crítica Dc en el estado estacionario es: Dc = μm S1 / Ks + S1 (19).
Ks se conoce como constante de saturación; el valor de Ks está inversamente relacionado con la
afinidad del microorganismo por el sustrato. Cuando la afinidad del microorganismo por el sustrato
es muy alta como ocurre en el cultivo de microalgas, S1 » Ks y Dc = μm, lo cual es un criterio útil para
elegir un valor de D apropiado.
La ecuación de formación de producto en estado estacionario es: P` = rp / D (20). O bien: P` = qpX` / D
(21). P es la concentración de producto en estado estacionario.
El rendimiento de producto se define como la relación entre el producto obtenido y el sustrato
consumido (usualmente la fuente de carbono y energía): Yx/s = -dP/dS (22).
El Cultivo de Microalgas
El cultivo de algas es una forma de acuicultura que se ocupa del cultivo de especies de algas,
mayoritariamente, microalgas, organismos fotosintéticos autótrofos que forman parte del fitoplancton
también denominadas micrófitas. El combustible de algas es un biocombustible de tercera
generación, fabricado a partir de los productos oleaginosos de microalgas; por esa razón, la
investigación sobre algas para la producción masiva de aceite se centra principalmente sobre esas
especies. Sus principales representantes son las diatomeas y las cianobacterias. La mayoría de las
diatomeas son unicelulares , aunque pueden existir como colonias en forma de filamentos o cintas (por
ejemplo, Fragillaria ); las diatomeas son los principales productores en la cadena alimentaria; su rasgo
característico es que están encerrados dentro de una pared de célula única Clasificación científica
hecha de sílice (dióxido de silicio hidratado) llamado frustule. A pesar de ser
grandes productoras de aceites, el frústule, más bien, la sílice del que está Cianobacterias
hecho, es un serio inconveniente para una producción industrial de
biocombustible, razón por la cual, las diatomeas no son utilizadas para ese Reino: Bacteria
bioproceso industrial.
Filo: Cyanobacteria
Cianobacterias
12- Cianobacterias: Lyngbya
Órdenes
Las cianobacterias (Cyanobacteria, gr. κυανός kyanós, "azul") son
un filo del reino Bacteria (único del dominio del mismo nombre) que
comprende las bacterias capaces de realizar fotosíntesis oxigénica y a sus  Gloeobacterales
descendientes, los plastos, por endosimbiosis. Las cianobacterias fueron  Chroococcales
consideradas durante mucho tiempo como cianófitas (Cyanophyta,
literalmente "plantas azules") o cianofíceas (Cyanophyceae, literalmente  Pleurocapsales
"algas azules"), castellanizándose el nombre como algas verdeazuladas.
 Oscillatoriales
 Nostocales
13- Cianobacterias:  Stigonematales
Croococales

8. Cuando se descubrió la distinción entre célula procariota y eucariota se constató que taxonómicamente
son las únicas "algas" procariotas y los únicos procariotas que llevan a cabo fotosíntesis; y el término
"Cianobacteria" empezó a ganar preferencia. Actualmente, las cianobacterias son
un filo de bacterias que obtienen su energía a través de la fotosíntesis por lo que, también se les
denomina oxifotobacterias (Oxyphotobacteria); los análisis genéticos han venido a situar a las
cianobacterias entre las bacterias gramnegativas.
La taxonomía de las cianobacterias está actualmente en revisión y dista mucho de ser definitiva.
Las croococales (Chroococcales) son un orden de cianobacterias unicelulares que se agrupan en
colonias y forman falsos filamentos; no tienen heterocistes por lo tanto, son incapaces de fijar
nitrógeno; con frecuencia poseen revestimientos gelatinosos.
Las oscilatoriales (Oscillatoriales) son un orden de cianobacterias filamentosas sin ramificación, o
con falsa ramificación; son carentes 14- Cianobacterias: Oscillatoria de heterocistes y acinetos. Las
oscilatoriales incluyen numerosos géneros entre los que
destacan Oscillatoria y Spirulina. Oscillatoria es un
género de cianobacterias antiguamente incluido en la división Cyanophyta
que, junto a la división Prochlorophyta formaban un grupo de
procariotas autótrofos.
Establecimiento de Cultivos de Microalgas
Se han desarrollado diversos métodos para obtener cultivos monoespecíficos (de una sola especie) y
axénicos (libres de contaminantes) de microalgas, que en síntesis se pueden resumir bajo el siguiente
esquema.
Aislamiento
Los métodos básicos de aislamiento para microalgas son:
Filtración Diluciones Sucesivas
16- Aislamiento y purificación de microalgas por el método de diluciones
sucesivas y subcultivos repetidos.
Purificación
15- Método de filtración a través de
una columna empacada con algodón.

9. Los métodos básicos purificación para microalgas son:
Pipeteo Capilar: se utiliza para separar microalgas mayores de 10μ: se usa una pipeta de tubo capilar
como instrumento para capturar microalgas, a través del microscopio óptico; luego se separan
las células en pequeñas gotas con solución de nutrientes y se colocan alrededor de una
Caja de Petri o en portaobjetos escavados para que formen
cepas. Las cepas seleccionadas son
purificadas por cultivos sucesivos.
Rayado de Placas de Agar: se
utiliza para separar microalgas
menores de 10μ:
17- Purificación de cepas de microalgas mayores de 10µ mediante el
método de micropipeta (pipeteo capilar) y cultivos sucesivos.
se transfieren pequeñas gotas de plancton
con un asa de siembra, extendiendo por
estrías (rompiendo un poco el agar). Este agar se prepara con
una solución nutritiva para microalgas y con una
relación de 1–1.5% w/v de agar disuelto
18- Método de purificación de colonias de microalgas por rayado en
en el medio nutritivo, se incuba la placa placa de agar.
bajo iluminación a 18–20°. De este
primer crecimiento se transfiere a tubos con agar inclinado sembrando por estrías o bien, se transfiere a
medios líquidos en subcultivos sucesivos para su purificación, de tal manera que en cada dilución se
reduzca el número de organismos en una gota, es recomendable combinar la técnica de diluciones con
la de transferencia en placa de agar o tubo inclinado para obtener cultivos clonajes (de una sola colonia
o célula) y poder establecer el cultivo mono específico. Después de 10 días, pequeñas colonias aparecen
sobre la superficie del agar, que se pueden transferir mediante el Método de Hocking o de la
micropipeta a medios líquidos.
Control Bacteriológico
Para prevenir el desarrollo bacteriológico en los cultivos de Preparación del Medio de Zobell:
microalgas es necesario determinar la concentración óptima de Tripticasa 1.0 gr
antibiótico que inhibe el crecimiento de cepas contaminantes; así Extracto de levadura 1.0 gr
como el antibiótico ideal para dicho propósito. Para eso, primero
Fosfato Férrico 5 mg
es necesario preparar un medio de cultivo como el siguiente:
Agar 15.0 gr
En Cajas de Petri, con tapa no muy gruesa. Con un asa de Platino
Agua envejecida (3 meses) 1 litro
picar el agar con la muestra que se desea analizar y colocar a la luz
pH = 7.0 – 7.2
o en una incubadora con iluminación apropiada por un periodo de
2 a 3 días para observar si hay crecimiento bacteriano.
Si el cultivo presenta bacterias se debe realizar un
TUBO 1 2 3 4 5
ensayo factorial, sometiendo a la acción combinada
Volumen ml 3.0 2.0 1.0 0.5 0.25
Penicilina µg/ml 12.000 8.000 4.000 2.000 500
Estreptomicina µg/ml 8.000 4.000 2.000 1.000 250

10. de al menos dos tipos diferentes de antibióticos, se recomiendan tres, en cinco diferentes
concentraciones; por ejemplo:
Medios de Cultivo para Microalgas
Se han desarrollado diferentes medios de cultivo para microalgas cuyas fórmulas tienen diferentes
usos o propósitos:
 Enriquecer el agua de mar natural,
 Enriquecer el agua dulce natural,
 Medios artificiales para:
• Agua de mar
• Agua dulce
 Medios específicos para: especies específicas,
 Medios selectivos para especies seleccionadas.
Los medios artificiales permiten resultados constantes en contraste con, los medios para enriquecer
que tienen resultados variables debido a, entre otros factores, que dependen del lugar y las
características del agua donde se colectan y el tiempo de almacenamiento de la misma. El fitoplancton
se desarrolla y multiplica en relación de las condiciones fisicoquímicas del medio; en términos
generales los macronutrientes son los factores limitantes del crecimiento y dirigen el metabolismo
basal o primario mientras que, los micronutrientes se requieren en cantidades menores y son
indispensables para el metabolismo secundario. Los macronutrientes son: el Carbono, Nitrógeno,
Fósforo, Silicio, Magnesio, Potasio y Calcio; en tanto que, los micronutrientes son: Hierro, Manganeso,
Cobre, Zinc, Sodio, Molibdeno, Cloro y Cobalto. Algunos medios de cultivo para microalgas son.
* Se recomienda usar el agua filtrada y
pasteurizada y adicionar los ingredientes. MEDIO ENRIQUECIDO
MEDIO MIGUEL (ALLEN-NELSON, 1910)
MEDIO DE YASHIMA Solución A: KNO3 20. 2 g
Para cultivo masivo de clorofíceas marinas
H2O 100 ml
Sulfato de Amonio (para
Solución B: la 100 g/t
Na2HPO412H2O 4g
agricultura 21%) 15 g/t
CaCl26H2O 4g
Superfosfato de Calcio (para la HCl15 g/t
conc. 2 ml
agricultura 21%) 30–50
FeCl3 2 ml
Urea (para la agricultura 21%) g/t
HO
2 80 ml
Clewat 32
Agregar 2 ml de la Solución A y 1 ml de la Solución B
Componentes de Clewat litro de agua de mar natural, calentar a 70°C por 20 min.
En un 32:
MEDIO ERD-SAHREIBER ENRIQUECIDO (FOYN, 1934a,b)
NaNO3 10 mg
Na2HPO412H2O 2 mg
Extracto de suelo 5 ml
Agua de mar 100 ml
MEDIO ERD-SCHREIBER
*Agua de mar 1 litro
Extracto de suelo 50 ml
NaNO3 0.2 g
Na2HPO4.12H2O 0.03 g

11. FeCl2 (como fuente de Fe) 0.385%
ZnCl2 (como fuente de Zn) 0.166%
MnCl2 (como fuente de Mn) 0.775%
CoCl2 (como fuente de Co) 0.017%
CuSO4 (como fuente de Cu) 0.007%
(NH4)6Mo7O24 (como fuente de
0.632%
Mo)
H3 BO3 (como fuente de B) 2.470%
EDTA 0.005%
MEDIO DE YASHIMA MODIFICADO
(HIRATA, 1975)
Medio de Yashima (en la misma concentración)
Peptona 50 g/t
Peptidasa 0.005%
Diaminasa 0.005%
(recomendado para cultivos axénicos)
MEDIO DE CULTIVO STEIN PARA AGUA DULCE (Guillard, In: Stein, 1979)
b. Micronutrientes: c. Vitaminas:
Na2EDTA 4.36 g/l Tiamina HCl 0.1 mg/l
FeCl3.6H2O 3.15 g/l Biotina 0.5 g/l
CuSO4.5H2O 0.01 g/l Cianocobalamina 0.5 g/l
ZnSO4.7H2O 0.022 g/l
CoCl2.6H2O 0.01 g/l
MnCl24H2O 0.18 g/l De la solución a se obtiene 1ml y se adiciona a 1l de
Na2MoO4.2H2O 0.006 g/l agua esterilizada.
De la solución b se obtiene 1ml y se adiciona a 1l de
agua esterilizada.
De la solución c se obtiene 1ml y se adiciona a 1l de agua esterilizada.
d. Tris:
De la solución d se obtiene 2 ml y adiciona a 1l de agua Hidroximetil Amino metano 50g/200 ml H2O dest.
esterilizada. Nota: Una vez preparado el medio de
cultivo, debe ajustarse de pH a 7.2 con HCl para no
obtener un pH ácido.

12. Cultivo de Microalgas en Fotobioreactores
TABLA 1 CARACTERISTICAS DE ALGUNAS DE LAS ESPECIES DE Crecimiento Celular
MICROALGAS UNICELULARES UTILIZADAS EN ACUACULTURA
(COLL-MORALES J., 1983)
El crecimiento y la división celular
CICLO DE TEMPERATURA DIAMETRO de las microalgas son afectados por la
GENERO
LUZ OPTIMA MEDIO intensidad de la luz y el fotoperíodo
Phaeodactylum (diatomea) 10 h 25°C 10.4µ (horas de iluminación y obscuridad)
en relación con la temperatura como
Skeletonema (diatomea) 13.1 h 18°C >20µ
muestra la Tabla 1. La duración del
Dunaliella (cloroficea) 24 h 16°C 17.8µ ciclo de luz así como la temperatura
óptima son susceptibles de
Chlorella (cloroficea) 7.7 h 25°C 5µ
variación de acuerdo con la selección
Tetraselmis (cloroficea) 18 h 18°C 18.4µ de la variedad (especie).
Monochrysis (crisoficea) 15.3 h 20–25°C 10µ
Crecimiento en Biomasa
Isochrysis (crisoficea) 30.2 h 20°C 10.2µ
El crecimiento
fotosintético en plantas requiere luz, dióxido de carbono, agua y sales
inorgánicas para que éstas desarrollen sus sistemas tisulares y cumplan
diversas funciones metabólicas. En el caso de las microalgas, casi toda la
superficie del microorganismo realiza la función fotosintética, por lo
que se obtiene un mayor rendimiento en la función fotosintética
(transformación de la energía lumínica a energía química). Esto
coloca a las microalgas en la base de la cadena trófica, transmitiendo
la energía al resto de escalones.
El crecimiento medio de las microalgas precisa una serie de
elementos inorgánicos básicos y carbono (C) como elemento
orgánico principal para constituir la célula. Los denominados
elementos esenciales son: carbono (C), nitrógeno 19- Esquema piramidal de la cadena trófica
(N), fósforo (P), metales; y en algunos casos silicio
(Si).
Requerimientos Principales de los Cultivos de Microalgas

13. TABLA 2 REQUERIMIENTOS PRINCIPALES DE LOS CULTIVOS DE MICROALGAS La tabla 2 recoge los
principales requerimientos
REQUERIMIENTOS COMPUESTOS QUIMICOS VALORES
físicos y de nutrición en los
Físicos Luz 2,000 – 4,000 lux cultivos de microalgas, en
Temperatura 15 – 22°C valores aproximados.
En cada caso particular
Salinidad 0.37‰
(especie) se deben
pH 7–9 establecer las necesidades
Redox particulares de la especie
Nutritivos que se vaya a cultivar; en
CO2CO3≃
las condiciones concretas
C g/100 ml de cultivo que se van a
utilizar; para determinar la
condición optima de
O, H O2H2O g/100 ml
crecimiento. Ciertos
N N2NH4+ NO3 g/100 ml nutrientes como el fósforo
deben ser suministrados
PO4≃
en exceso debido a que, en
P g/100 ml
la mayoría de sus formas,
se encuentra como
complejos metálicos por lo
SO4≃
que, no todo el fósforo es
S g/100 ml bioasimilable. Si se utiliza
agua del mar como soluto,
ésta puede ser
Na, K, Ca, Mg Sales g/100 ml
suplementada con
Fe, Zn, Mn, B, Br, Si Sales mg/100 ml fertilizantes comerciales
Cu, Co, Cl, I, Sr, Rb, Al Sales µg/100 ml nitrogenados y fosforados;
Vitaminas B12, tiamina, biotina µg/100 ml
y con pequeñas cantidades
de otros micronutrientes.
Control de pH y Dosificación de CO2
20- Sistema de inyección de CO2
En un sistema continuo de cultivo de microalgas el CO2 debe
ser suministrado de manera continua; durante los
fotoperiodos de horas de luz y controlando su
dosificación mediante sensores de pH que minimicen las
pérdidas y regulen la acidez. En bioreactores tubulares el
pH al final del tubo (reactor) se eleva al disminuir la
concentración de CO2 debido a su alto consumo por parte
de los microorganismos algales. La concentración de
CO2 disuelto (COD) puede ser controlada mediante su
inyección en las zonas de estancamiento; es decir,

14. donde la concentración ya no permite obtener una capacidad máxima fijadora. El pH se debe
controlar junto con el COD debido al que el equilibrio del CO2 con el agua depende tanto de la
temperatura de la acidez del medio de cultivo.
Fotosíntesis Oxigénica y Eficiencia Fotosintética
La eficiencia fotosintética (EF) se define como la fracción de energía de luz que se fija como energía
química durante el crecimiento foto autotrófico. En la fotosíntesis de las plantas, como mínimo se
requieren 10 fotones de luz (cuantos) para producir un mol de O 2 .Los requerimientos nutricionales
mínimos para el metabolismo celular de la mayoría de especies de bacterias pueden ser estimados
usando la siguiente aproximación a la formula molecular de su biomasa: C 0.48 - H 1.83 - N 0.11 - P
0.01 (23). No obstante, las microalgas por ser microorganismos autótrofos fotosintéticos, poseen un
metabolismo diferente y su composición representativa de la biomasa debe representarse por la
siguiente fórmula: CH 1.78 - O 0.36 - N 0.12 (24) que corresponde a los 14 cuantos de fotones
necesarios para fijar un mol de CO2 en la biomasa, sobre la base de amonio como fuente de
nitrógeno. En esa misma base, un mol de CO2 fijado resulta en un Cmol de biomasa (= 21,25 g de peso
seco) con una entalpia de combustión de 547,8 × Cmol kJ -1. En la fotosíntesis normal sólo la luz de
longitudes de onda entre los 400nm y 700nm son aprovechables por la planta; esto representa el
42,3% de la energía del espectro total de luz solar y se llama radiación fotosintética activa (PAR); el
contenido promedio de energía de los cuantos de luz en ese rango del espectro es de 218 kJ/mol
cuanto. En cultivos de microalgas, la combinación activa de todos los elementos, se calcula que como
máximo el 9% de la energía solar disponible (teniendo en cuenta todas las longitudes de onda) se
puede en convertir en energía química con producción de biomasa nueva; eso significa que el rango
de PAR la eficiencia es del 21,4%. La fotosíntesis oxigénica es la
modalidad de fotosíntesis en la que el agua es el donante primario
de electrones y que, por lo tanto, libera oxígeno (O2) como subproducto.
La fotosíntesis oxigénica es propia de las cianobacterias y de sus
descendientes por endosimbiosis.
El Fotoperiodo
El fotoperiodo es un factor que regula la división celular, en diatomeas
la reproducción asexual (división) ocurre durante el período de luz y éste
es acelerado bajo iluminación continua. En contraste las especies
formadoras de auxoesporas (esporas sexuales) como las cianobacterias,
forman células del mismo tamaño durante el período de obscuridad.
Por tanto, el fotoperiodo o período de iluminación debe ajustarse de
acuerdo con los objetivos del cultivo; así como, con el espécimen y la
variedad que se cultiva. Un fotoperiodo continuo de iluminación
prolongada puede producir el crecimiento rápido del cultivo, pero
puede afectar a formación de auxoesporas. Un fotoperiodo normal, con
horas de luz y obscuridad semejante al fotoperiodo solar, mantiene un
crecimiento normal y saludable. En condiciones controladas, un
21- Fotobioreactor vertical en
fotoperiodo activo

15. fotoperiodo de 16/8 horas luz/oscuridad ha mostrado ser óptimo para cultivos de cianobacterias, en
gran variedad de especies.
La Curva Dosis-Respuesta a la Energía Luminosa
No toda la radiación lumínica (luz) puede ser
aprovechada por o en el cultivo de organismos foto-
autotróficos. La tasa de fotosíntesis celular (F) es la
capacidad de captación de fotones que tiene una célula
fotosintética y depende de la energía luminosa (E) que
reciben las células. La radiación fotosintéticamente
activa (F/E) es la cantidad de radiación integrada del rango
de longitudes de onda que son capaces de producir actividad
fotosintética en plantas y otros organismos fotosintéticos
como microalgas y bacterias. Ese rango está comprendido
entre los 400nm y los 700nm y corresponde también
aproximadamente con el espectro visible por el ojo humano. 22- Respuesta de un ojo humano tipo a la luz
El aprovechamiento de la energía radiante
durante la fotosíntesis está relacionado con la
curva dosis-respuesta que describe esa
relación como una respuesta típica del
crecimiento celular respecto a la
intensidad luminosa. A bajos niveles de
intensidad luminosa la rapidez de la
fotosíntesis aumenta con la intensidad de
luz; pero cuando el nivel de energía
incidente supera cierto valor crítico (Ek) la
actividad fotosintética decae y solo induce 23- Curva Dosis-Respuesta a la Energía Luminosa
pequeños cambios en F. La constante Ek es
específica y característica para cada organismo, e indica el nivel de energía luminosa al que
comienza a saturarse el fotosistema del microorganismo. Cuando la energía incidente supera el nivel
crítico, el efecto causa la inhibición de los fotosistemas celulares; lo cual, puede ocasionar el deterioro
del cultivo celular e incluso causar un daño irreversible.
Eficiencia y Eficacia Luminosa
La eficacia luminosa de la radiación (κ) mide la parte de energía electromagnética que se usa para
iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso (F) entre el flujo radiante (φ), κ = F/φ (25). En el
sistema internacional SI la eficacia luminosa se expresada en lúmenes por vatio (lm/W). La eficacia
luminosa tiene un valor máximo posible de 683 lm/W que para el caso de la luz
monocromática corresponde a una longitud de onda de 555 nanómetros (verde).

16. La eficacia luminosa de una fuente de luz (η) o rendimiento luminoso mide la parte de energía
eléctrica que se usa para iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso emitido (F) entre la potencia
(P) eléctrica consumida, η = F/P (26).
Por otro lado, la eficiencia luminosa (F/E) mide la eficiencia con la que la luz incidente es utilizada
por la célula o el microorganismo fotosintético; es decir, la fracción de energía luminosa incidente
que es convertida a energía química por el fotosistema.
Unidades de fotometría del SI
Símbo Abre
Magnitud Unidad del SI Notas
lo v.
A veces se usa la denominación talbot, ajena
Energía luminosa Qv lumen segundo lm·s
al SI
Flujo luminoso F lumen (= cd·sr) lm Medida de la potencia luminosa percibida
Intensidad
Iv candela (= lm/sr) cd Una unidad básica del SI
luminosa
candela por metro cd/m
Luminancia Lv A veces se usa la denominación nit, ajena al SI
cuadrado 2
Usado para medir la incidencia de la luz sobre
Iluminancia Ev lux (= lm/m2) lx
una superficie
Emitancia Usado para medir la luz emitida por una
Mv lux (= lm/m2) lx
luminosa superficie
Eficacia lm/
η lumen por vatio razón entre flujo luminoso y flujo radiante
luminosa W