Hacia una economía circular: desarrollo de una biorrefinería de microalgas para la extracción sostenible de ficocianina y la valorización energética de la biomasa residual.

Abstract

Las microalgas y cianobacterias, aparte de ser consideradas fuentes de energía renovables para la obtención de biocombustibles, también son materias primas muy importantes ya que en su interior acumulan numerosos compuestos de alto valor añadido, con grandes aplicaciones en diferentes sectores industriales. Entre los bioproductos que pueden almacenar se encuentran los pigmentos naturales (clorofilas, ficobiliproteínas, y carotenoides), la astaxantina, el ácido docosahexaenoico, lípidos, proteínas, vitaminas, etc. La presente tesis doctoral se ha centrado en la extracción, separación y purificación de uno de los pigmentos naturales, la ficocianina. Se considera una de las ficobiliproteínas más importantes debido a su capacidad antioxidante, anticancerígena, antiinflamatoria y neuroprotectora, entre otras. Es de color azul y está presente principalmente en las cianobacterias, concretamente en Arthrospira platensis, por ello, esta fue la cianobacteria seleccionada en el presente trabajo. Los pigmentos naturales extraídos de plantas, animales y minerales se han utilizado durante muchos años como colorantes naturales. Sin embargo, en el siglo XIX surgen los colorantes sintéticos como sustitutos a los colorantes naturales y han sido utilizados durante muchos años, por sus interesantes propiedades. Sin embargo, numerosas investigaciones señalan que el uso de colorantes sintéticos ha de reducirse ya que algunos de ellos han demostrado ser un peligro para la salud humana. Por el contrario, se ha demostrado que algunos colorantes naturales, entre ellos los carotenoides y las ficobiliproteínas, presentes en las microalgas y cianobacterias, presentan efectos preventivos para algunas enfermedades como la diabetes, la obesidad y enfermedades cardiovasculares. Esta naciente conciencia tanto de los efectos nocivos de los colorantes sintéticos como de los efectos preventivos de los colorantes naturales, unido a la reciente inclinación de la sociedad por el uso de productos más naturales ha llevado al aumento de la demanda de ciertos bioproductos (β-caroteno, espirulina) en alimentación y cosmética y, con ello a la utilización de las microalgas y cianobacterias como fuentes naturales. Las microalgas son una fuente muy interesante de colorantes naturales desde el punto de vista biotecnológico y medioambiental ya que poseen una amplia gama de pigmentos, crecen rápidamente en comparación con plantas superiores, pueden contener pigmentos en concentraciones considerablemente mayores a las que se encuentran en dichas plantas superiores, consumen CO2 durante su cultivo y tienen facilidad en su cultivo ya que a menudo pueden crecer en ambientes marinos. Asimismo, como estos microorganismos no requieren de tierra fértil para su cultivo, se evita la competitividad con la industria alimentaria. El objetivo principal de la presente tesis doctoral es la integración, tanto del proceso de extracción de un compuesto de alto valor añadido (como es la ficocianina), como del proceso de valorización energética de la biomasa residual obtenida tras dicha extracción, en un esquema de biorrefinería. Por ello, la combinación de la extracción de ficocianina junto con la producción de biocombustibles resulta imprescindible para que el proceso sea tanto económica como energéticamente viable en el marco de una economía circular. En el proceso global se produce una mezcla de productos, los de alto valor añadido (ficocianina) son los responsables de la viabilidad económica del proceso mientras que el resto de compuestos son los que pueden suministrar o minimizar la demanda energética del sistema. El valor económico que presenta la ficocianina viene condicionado por su grado de pureza, variando su precio desde 0,13 $/mg cuando la pureza es de grado alimenticio hasta alcanzar valores de 33 $/mg cuando se alcanza el grado analítico. Por ese motivo, aparte de ser necesaria la extracción de este bioproducto, también es necesaria su separación y purificación, siendo otro de los objetivos de la presente tesis doctoral. Sin embargo, a pesar de su alto valor económico, su comercialización todavía continua en desarrollo, debido a los altos costes de extracción, separación y purificación. Por ello, han surgido los líquidos iónicos (LIs) como disolventes alternativos ya que se ha comprobado que pueden ser reutilizados, lo que mejora la economía del proceso. De igual forma, su baja volatilidad hace que también sean medioambientalmente viables. En la presente tesis doctoral, en primer lugar, se analizaron las condiciones óptimas para maximizar la cantidad de ficocianina extraída mediante el pretratamiento de la biomasa de Arthrospira platensis con líquidos iónicos y ultrasonidos. Para ello se planteó un diseño factorial de experimentos del tipo compuesto central en el que se evaluaron los siguientes factores: la relación en masa de líquido iónico/agua y de biomasa/disolvente, la potencia y el tiempo de ultrasonidos. Por otro lado, se estudió el proceso de separación y purificación de ficocianina a partir del extracto crudo de ficocianina obtenido anteriormente mediante distintos procesos: sistemas de dos fases acuosas (sistemas ATPS), diálisis y precipitación con sulfato de amonio. En esta etapa de purificación surgieron dos enfoques; el primero de ellos basado en la etapa de diálisis y la posterior precipitación con sulfato de amonio y el segundo enfoque contenía la etapa adicional de separación mediante sistemas ATPS seguido de la diálisis y la precipitación. En el caso particular del presente trabajo, se plantearon dos biorrefinerías con el fin de evaluar las diferentes posibilidades de integración energética de la biomasa residual resultante del proceso de extracción de ficocianina. Este aprovechamiento energético se ha evaluado mediante licuefacción hidrotérmica (HTL) (biorrefinería 1) y digestión anaerobia (biorrefinería 2). Ambas biorrefinerías propuestas parten de la misma biomasa residual. En el caso de la biorrefinería 1, se ha optimizado la producción de bioaceite a partir de la biomasa residual...