planta piloto de microalgas

8/6/2019 Planta Piloto de Microalgas

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Planta Piloto de

Cultivo de MiCroalgas

Desarrollo potencial Denuevas activiDaDes econmicasasociaDas a la biotecnologa

en canarias


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H s d m d z g z ad d J v d

ed d p H h f d

Planta Piloto de

Cultivo de MiCroalgas

Desarrollo potencial Denuevas activiDaDes econmicasasociaDas a la biotecnologa

en canarias


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HCTOR SALVADOR MENDOZA GUZMN ADELINA DE LA JARA VALIDO EDUARDO PORTILLO HAHNEFELD INSTITUTO TECNOLGICO DE CANARIAS, S.A.

D ivisin De i nvestigacin y Desarrollo t ecnolgicowww.itccanarias.org

Primera edicin: Marzo, 2011Diseo de cubierta: Alberto Snchez Rodrguez / CCPCMaquetacin y diseo de interior: Juan ngel Gutirrez Castaeda / CCPCImpresin:GRFICAS TENERIFE, S. A.

Ctra. Gral. del Sur, km 8,8 - (El Chorrillo)C/. San Mauricio, Nave 1, 38107, Santa Cruz de Tenerife

ISBN: 978-84-691-5866-1Depsito Legal:

Reservados todos los derechos.


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nDice

1. ANTECEDENTES ..................................................................... 9

1.1. Especies en cultivo ............................................................ 111.2. Sistemas de cultivo ............................................................ 141.3. Productos y mercado para las microalgas ........................ 211.4. Produccin de -caroteno yDunaliella salina ................... 23

1. . Producir microalgas en Canarias ...................................... 241.6. La actividad ....................................................................... 271.7. Proyectos ITC .................................................................... 29

2. PLANTA PILOTO DE CULTIVO DE MICROALGAS ................. 31

2.1. Recomendaciones de ubicacin ........................................ 312.2. Seleccin de cepas de cultivo ........................................... 322.3. Procesos de cultivo ........................................................... 34

2.3.1. Escalado de cultivo .................................................... 342.3.2. Gestin de cultivos .................................................... 342.3.3. Cosechado de cultivos ............................................... 392.3.4. Procesado de la biomasa .......................................... 41

2.4. Legislacin ......................................................................... 43

3. PRESUPUESTOS ..................................................................... 4

3.1. Presupuesto de equipamiento ........................................... 463.1.1. Presupuesto de laboratorio ........................................ 46

3.1.2. Presupuesto de cultivo y procesado .......................... 47


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3.2. Presupuesto obra civil ....................................................... 493.3. Resumen de presupuesto total .......................................... 03.4. Desarrollo en escala .......................................................... 1

4. EPLOGO ..................................................................................

. BIBLIOGRAFA.......................................................................... 7


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1. anteceDentes

Las microalgas han sido durante mucho tiempo objeto de un graninters como una fuente alternativa de alimentos y sustancias bioactivas.Si bien en un primer momento fueron consideradas como una fuente deprotenas (protena unicelular), al menos tan buena como otros vegetalesy mucho ms barata, los estudios realizados a lo largo de la dcada delos ochenta de la pasada centuria demostraron que la productividad y

los costes de los cultivos intensivos de microalgas distaban de ser ple -namente competitivos con la agricultura tradicional. En la actualidad sonconsideradas una fuente potencial, an no suficientemente explorada,de sustancias bioactivas de inters en la industria alimentaria y farma-cutica. Estas sustancias alcanzan un gran valor en el mercado inter -nacional y su demanda va en aumento al mismo ritmo que el desarrollode la tecnologa industrial, la biotecnologa y la demanda internacionalde nuevos medicamentos y compuestos de alimentacin.

Las microalgas constituyen un grupo de microorganismos cuyosusos potenciales an no han sido suficientemente estudiados. Se handescrito ms de 40.000 especies de microalgas, sin embargo, menosdel 1% ha sido sometido a trabajos de screening para la identificacinde nuevas sustancias bioactivas o potenciales aplicaciones industrialeso agrarias. Las microalgas constituyen una de las ms importantesreservas de nuevos productos y aplicaciones, lo que justifica el altointers que en la actualidad an despiertan.

Los primeros trabajos sobre la explotacin comercial de lasmicroalgas datan de la dcada de los cincuenta del siglo pasado. Esen esta fecha cuando aparece el que podramos considerar el primer trabajo recopilatorio sobre el cultivo a gran escala de microalgas paraconsumo humano: Algal culture from laboratory to pilot plant (Burlew,19 3). Desde entonces, han sido diversos los usos potenciales que alas microalgas han sido atribuidos y grandes las expectativas que sehan forjado en torno a su cultivo. A un grupo de organismos tan amplioy heterogneo como el de las microalgas resulta lgico que se asocien


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usos igualmente diversos. stos van desde su utilizacin en piensospara animales hasta la obtencin de hormonas como las auxinas y lagiberelinas, pasando por su utilizacin como biofertilizantes o en el tra-tamiento de aguas residuales. Sin embargo, y a pesar de las primerasexpectativas, la explotacin comercial de las microalgas se ha vistolimitada a un nmero reducido de especies y a pases con un granpotencial tecnolgico, al tratarse de cultivos altamente tecnificados yrelativamente costosos.

El cultivo de microalgas es una actividad an no plenamenteestablecida, con unos niveles de produccin relativamente limitados,al concurrir una serie de factores:

Las microalgas tienen una baja eficiencia fotosinttica en condi-ciones de alta irradiacin luminosa as como un estrecho margende respuesta a las variaciones de irradiacin, lo que repercuteen tasas de crecimiento bajas y en la dificultad de optimizar sucultivo a gran escala.

Los cultivos en grandes tanques a cielo abierto, aunque baratosy sencillos, son sumamente vulnerables a la contaminacin con

microdepredadores e incluso con algas oportunistas, tambinresultan sumamente sensibles a las variaciones de las condi -ciones ambientales. Esto dificulta el control y la estabilidad delos cultivos a gran escala en este tipo de sistemas, reduciendo aun escaso nmero las especies cultivables, aquellas altamenteadaptadas a condiciones de cultivo extremas que dificultan lacontaminacin con organismos competidores o depredadores.Este sera el caso de Dunaliella salina , uno de los microor -

ganismos ms halotolerantes conocidos, o de Spirulina , unacianoprocarioata que crece en medios alcalinos.

Los sistemas de cultivos cerrados (fotobiorreactores) aunquepermiten alcanzar mayores producciones resultan costosos ycomplejos. A la larga ven mermada su eficiencia productiva por contaminacin o perdida de superficie iluminada, por efectode adherencias orgnicas, precipitados, astillados o ara azoso la existencia de espacios muertos de baja turbulencia o derenovacin.


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Sin embargo, el cultivo a gran escala de microalgas es ya unaactividad que ha propiciado la aparicin de grandes y rentables explota-ciones. stas se han centrado en la produccin del limitado, aunque muyrentable, nmero de especies cultivables en grandes tanques de cultivoa cielo abierto. Algunas de ellas son explotaciones semiextensivas degrandes lagos salinos naturales o de salinas abandonadas.

1.1. e

En la actualidad son pocas las especies de microalgas explotadascomercialmente. Estas se limitan al reducido nmero de especies culti-vables en grandes sistemas de cultivo abierto. Son especies con altastasas de crecimiento y sumamente adaptadas a condiciones limitantesdel crecimiento de otros microorganismos. Entre ellas destacan:

Chlorella : fue la primera especie de microalga en ser aislada ycultivada. Se produce fundamentalmente por medio de tanques de culti-vo abiertos, aunque recientemente comienzan a aparecer explotacionesde cultivos en fotobiorreactores cerrados e incluso en fermentadores decrecimiento heterotrfico. Pertenecen a este gnero mayoritariamente

especies dulceacucolas. Son capaces de mantener elevadas tasasde crecimiento en sistemas abiertos, constituyendo un contaminantehabitual en cultivos intensivos deotras especies. Sus aplicacionesfundamentales son la elabora -cin de alimentos funcionaleso en diettica humana, aunquesus usos han sido sumamentediversos, desde la nutricinanimal hasta el tratamiento de

Figura 1. Cultivo de alta densidad deChlorella Pyrenoidosa (x 200).


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aguas residuales. Se estima que el mercado mundial para esta especiepuede rondar las 2.000 toneladas anuales, esencialmente en pasesindustrializados.

Pginas web de algunas de las mayores compa as productorasde Chlorella:

http://www.sunchlorellausa.com/http://www.taiwanchlorella.com/

Spirulina: en la actualidadconstituye una de las especies de

microalgas ms cultivadas. Es unacianobacteria filamentosa capaz demantener altas tasas de crecimien -to en medios alcalinos que limitanel crecimiento de especies contami-nantes, esto permite la explotacinen sistemas semiextensivos engrandes lagos en los que esta mi -croalga creca de forma natural. El

inters del cultivo de esta especieradica en sus elevados contenidosen protenas, que pueden llegar arepresentar hasta un 60% del pesoseco, y su alto contenido en diver -sas vitaminas. En la actualidad esuna de la especies de microalgas

comercialmente ms demandadas, existiendo mltiples empresas de -dicadas a su produccin. Se estima una demanda anual en los pases

industrializados en torno a las 3.000 toneladas.Pginas web de empresas productoras:

http://www.cyanotech.com/http://www.earthrise.com/http://www.dic.co.jp/eng/products/lina/index.html

Pgina genrica de inters:

http://www.spirulinasource.com/algaedirectory.html

Figura 2. Spirulina sp. (x 400).


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Dunaliella: este gnero esuno de los ms estudiados en loreferido a su cultivo en masa. Al-gunas especies son ampliamenteutilizadas en acuicultura, aunquesi alguna especie destaca particularmente es Dunaliella salina . Capazde crecer en medios hipersalinos, es uno de los microorganismos de

ayor os otolerancia conocidos. Presenta elevados contenidos en -caroteno, uno de los pigmentos ms demandados en la industria de laalimentacin y con importantes aplicaciones en la industria farmacutica,dado su carcter de provitamina A. Los medios hipersalinos en los quese cultiva Dunaliella salina permiten su explotacin en sistemas abier -

tos, tanto intensivos como semiextensivos, sin riesgo de contaminacincon otras especies. Dunaliella salina ha sido la primera microalga enser cultivada para la produccin comercial de sustancias de aplicacinindustrial en qu ica fina, para obtencin de -caroteno y glicerol. Enla actualidad existen diversas compa as dedicadas al cultivo comerciala gran escala de esta especie, fundamentalmente situadas en Israel,Australia y EE. UU. Se esti a que la de anda undial de -carotenoronda las 00 toneladas, con un volumen de mercado cifrado en unos300 millones de dlares.

Las ayores e presas productoras de -caroteno a partir delcultivo deDunaliella salina son:

AquaCarotene Limited: Explotaciones semiextensivas en lagossalinos en Australia (http://www.aquacarotene.com/).

Nature Beta Technologie (NBT): empresa de capital japonsperteneciente a la Nikken Sohonsha Corporation (http://www.chlostanin.co.jp/english/e_left.html) y desarrollada a la sombra

Figura 3. Dunaliella salina (x 400) enfase de carotenognesis. Duranteesta fase, generalmente inducida por condiciones de estrs, las clulas

sintetizan y acumulan gran cantidadde -caroteno.


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de las investigaciones del profesor Bent-A ot en el NationalInstitute of Oceanography de Israel en la localidad israelita deEliat (http://www.chlostanin.co.jp/english/e_e_1.html). Es unade las pocas empresas dedicadas a la produccin intensiva deDunaliella salina en tanques abiertos tipo raceway.

Las empresas Betatene Ltd y Western Biotecnologies, ambasaustralianas, son explotaciones semiextensivas de Dunaliellasalina en grandes lagos hipersalinos del sur de Australia. Ambasempresas, subsidiarias de la gran multinacional qumica HenkelCorporation, fueron vendidas en el 2001 a un gran consorcio desociedades financieras integrando la empresa qumica Cognis(http://www.cognis.com/cognis.html); en la actualidad es uno delos ayores productores y proveedores undiales de -carotenonatural procedente de Dunaliella salina , bajo la marca registradade Betatene (http://www.cognis.com/framescout.html?/Product-Catalog/FindYourProduct.html).

Como caso singular merece especial mencin la empresa chilenaNorbiotech (http://www.pez.cl/directorio/empresas/Norbiotech%20Chile.htm). Es una peque a explotacin en tanques de cultivo a cielo abierto

que en la dcada de los noventa del siglo pasado se ubic en el de -sierto de Atacama, que podra constituir un adecuado modelo para eldesarrollo de peque as explotaciones locales en Canarias, asociadasa otros cultivos de zonas ridas como los de Aloe vera.

1.2. s d

Los sistemas masivos de cultivo de microalgas se pueden clasi -ficar en dos categora bsicas: Sistemas abiertos:

Tanques naturales o artificiales (sistemas extensivos osemiextensivos). Raceway o sistemas en carrusel y derivados. Sistemas de capa fina y derivados.

Sistemas cerrados y semicerrados (fotobiorreactores tubularesy planos).


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En general los sistemas cerrados permiten un efectivo controlde los cultivos, especialmente de la temperatura y de los niveles deinyeccin de CO2, reduciendo, adems, los riesgos de contaminacin.Sin embargo, los sistemas cerrados, o fotobiorreactores, son general -mente ms costosos y slo permiten el trabajo con un volumen de cultivono muy grande, sustancialmente inferior al utilizado en los sistemasabiertos. Los sistemas cerrados vienen a constituir sistemas de cultivoaltamente intensificados, siendo diversos los dise os y los rendimientosque se pueden alcanzar. Algunos modelos permiten incluso el controlabsoluto sobre variables de cultivo tan decisivas como la luz o la tem-

peratura. Se suele distinguir dos modelos bsicos de fotobiorreactor:los fotobiorreactores tubulares y los planos o alveolares.

Los fotobiorreactores tubulares varan desde simples estructurascilndricas a extensos sistemas con kilmetros de tubera transparentede poco di etro (30-200 ). Uno de los diseos s extendidosde fotobiorreactor tubular es el denominado Biocoil, consistente enuna estructura helicoidal de tubo flexible transparente de polietileno,en la que el cultivo se mantiene en permanente circulacin por mediode bombas o sistemas de airlif (sistemas de impulsin neumtica). Se

Figura 4. Fotobiorreactor tubular convencional cilndrico (ensayos de materialesconstructivos, ITC-2006).


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han desarrollado experimentos en los que se ha demostrado con xitono slo la posibilidad de cultivo de microalgas con este fotobiorreac-tor, sino incluso su utilizacin como sistemas de depuracin de aire yagua en pruebas de supervivencia en entornos aislados, tal es el casode pruebas de supervivencia submarina ( http://ne s.cnet.co /2300-11395_3-6178101-4.ht ll).

Los fotobiorreactores planos o alveolares estn menos extendidos,consisten en estructuras planas transparentes en las que se mantieneuna elevada relacin superficie/volumen, la agitacin de los cultivos seobtiene generalmente por medio de sistemas de burbujeo.

Los fotobiorreactores son sistemas costosos y complejos, sonpocas las empresas que recurren a este sistema. Entre stas destaca -ba Aquaserch Inc. la cual emplea un dise o propio de fotobiorrreactor tubular (AGM) para la produccin en sistema mixto (en fotobiorreactor y en raceway) de Haematococcus para la obtencin de astaxantina(carotenoide de amplia utilizacin en acuicultura y en la industria de laalimentacin).

Figura . Fotobiorreactor tubular cilndrico vertical.


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Los sistemas abiertos de cultivo continan siendo en la actualidadlos ms extendidos. Son sistemas en los que no es posible un efectivocontrol de las condiciones de cultivo, estando sumamente expuestos alas condiciones ambientales y con elevados riesgos de contaminacin.Todo esto ha hecho que este sistema de cultivo se vea limitado a unreducido nmero de especies extremfilas, capaces de mantener ele -vadas tasas de crecimiento en condiciones limitantes para la mayorade microorganismos y a entornos con un clima templado y una elevadacantidad de horas de luz solar. No es extra o que las mayores explo -taciones de microalgas se localicen en regiones como Australia, Israelo Hawai. A pesar de que tienden a presentar rendimientos ms bajosque los sistemas cerrados, la utilizacin de medios altamente tecnifica-dos de monitorizacin, automatizacin e invernaderos climatizados deatmsfera controlada los aproximan prcticamente a las caractersticasy rendimientos de algunos de los sistemas cerrados ms simples.

Entre los sistemas de cultivo abiertos el ms frecuente y conocidoes el denominado raceway o cultivo en carrusel, segn su traduccin

Figura 6. Cultivo de especies marinas de microalgas en sistemas de carrusel dedoble calle bajo invernadero (ensayos en planta de cultivo ITC-2006).


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al castellano. En su dise o ms bsico este sistema consiste en undepsito alargado dividido longitudinalmente en dos calles comunica-das en los extremos, en las que el agua se mantiene en permanentemovimiento impulsada por un sistema de paletas, con el objeto de evitar la sedimentacin de las algas. El agua en el raceway apenas llega aalcanzar los quince o veinte centmetros de altura, lo que permite lamxima exposicin del cultivo a la irradiacin solar.

Los sistemas de cultivo en capa fina se basan en tanques incli -nados en los que el cultivo circula en una delgada lmina de apenasun centmetro de espesor. El sistema de capa fina es extremadamenteproductivo, pero los costes de bombeo tienden a encarecerlo de formaimportante. En la actualidad se ensaya la combinacin de sistemas decultivo mixtos, en los que se combinan fases de crecimiento en sistemascerrados y abiertos.

Son numerosas las patentes sobre nuevos dise os de fotobiorreac -tores, siendo la ingeniera de los cultivos uno de los aspectos ms estu -diados y en el que mayor esfuerzo investigador se ha venido invirtiendoen los ltimos a os, especialmente en el sector privado, algo que, a juicio

Figura 7. Nuevas patentes sobre el cultivo de microalgas. En general, se registrancomo media 4 nuevas patentes por a o de nuevos fotobiorreactores, representan -do el porcentaje ms importante en el conjunto de las patentes generales sobremicroalgas.


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de algunos autores, ha redundadoen un cierto olvido del componentebiolgico. Las mejoras en los dise osde los sistemas de cultivo, aunquepermitan aumentar la eficiencia yreducir los costes de produccin, nopermitirn superar los lmites de lossistemas biolgicos, es decir, los lmi-tes impuestos por la propias especiesen cultivo. Contrasta el hecho de lagran diversidad de fotobiorreactoresgenerados por la investigacin aplica-da, en su mayora variaciones sobreunos mismos principios o modelos,con el escaso nmero de especiesque en la actualidad se mantienenen cultivo, bsicamente las mismasque se empezaron a cultivar a granescala en la segunda mitad del sigloXX. Adems, es indicativo el hecho

de que an hoy, a pesar del grado desofisticacin alcanzado por el dise ode fotobiorreactores, el sistema decultivo de eleccin en las grandesplantas de produccin contine sien-do el de los tanques abiertos tipocarrusel.

Merecen atencin, por sucarga innovadora, los cultivos demicroalgas en medios slidos, los llamados cultivos inmovilizados, enlos que las algas se mantienen en un sustrato slido por medio de lasdenominadas tcnicas de atrapamiento o absorcin. Son sistemasaltamente productivos, con unos elevados rendimientos por unidad desuperficie que, adems, ofrecen una alternativa a los complejos y costo -sos sistemas de cosechado de los cultivos tradicionales basados en cen -trfugas o tamizadoras industriales. No obstante, estos cultivos tampocose libran del problema biolgico, no todas las especies son cultivables

Figura 8. Diseos de fotobiorreactores.Evaluacin de materiales constructivos

(ITC-2005).


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por estos sistemas, estando anpendiente la realizacin de unamplio trabajo de seleccin deespecies y cepas.

En los ltimos a os hacobrado especial pujanza eldesarrollo de los denominadoscultivos heterotrficos o mixo-trficos. Son sistemas de cul-tivo en grandes fermentadores

industriales en los que se emplean fuentes orgnicas de nutrientes,de carbono y nitrgeno, o una combinacin de estas fuentes con lasde los cultivos fototrficos, en los que se usan medios inorgnicos eiluminacin. Este tipo de cultivo se caracteriza por su elevada eficienciaproductiva, con unos rendimientos que pueden llegar a ser superiores alos 10 g/L da, entre diez y veinte veces superiores a los rendimientosobtenidos por medio de los cultivos tradicionales de microalgas. Losfermentadores son sistemas de cultivo cerrados en los que se puedemantener un gran control de diferentes parmetros de cultivo, son siste -

mas muy bien establecidos y que cuentan con una extensa experienciay una amplia oferta en el mercado tecnolgico. La no dependencia dela irradiacin, de la luz, para el crecimiento de las algas hace que estoscultivos no estn sujetos a los inconvenientes derivados de la elevadarelacin superficie-volu en necesaria en los cultivos fototrficos. Suprincipal inconveniente radica en la dependencia de una fuente orgnicade nutrientes, lo que inhabilita una de las ventajas estratgicas de lasmicroalgas, la de ser cultivos primarios, sin ms requerimiento que luz

y fertilizantes inorgnicos.Los cultivos en fermentadores son una actividad netamente in-

dustrial con un elevado consumo en energa y en capital tecnolgico,alejada, por tanto, de las actividades agrarias o acucolas en las quesera posible ubicar la produccin tradicional de microalgas. La fuerteinversin industrial requerida para la puesta en marcha de una plantade produccin de microalgas en fermentadores slo sera comercial -mente viable para la generacin de una biomasa de alto valor a adido.Esta frmula comercial ya se ha demostrado posible en la actualidad.

Figura 9. Crypthecodinium cohnii.


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En este sentido destaca laempresa Martek (http://www.martek.com/); es una de lasms pujantes empresas en elsector de la biotecnologa azul,estando especializada en laproduccin de cidos grasosdel tipo 3 para el consu o hu ano a partir de icroalgas, especial-mente para el desarrollo de formulados para nutricin infantil.

Al igual que los restantes sistemas de cultivo la produccin hete-rotrfica de microalgas tambin se ve limitada por el reducido nmerode especies adaptadas a este cultivo. No ms de dos especies sonproducidas en la actualidad a gran escala en fermentadores industriales:Crypthecodinium cohnii y Schizochytrium . A este inconveniente hay quesumarle el coste y la complejidad de manejo de fuentes orgnicas de

nutrientes y de los propios cultivos. Sin embargo, estudios desarrolladosen el Instituto Tecnolgico de Canarias han propuestos alternativasque abren la posibilidad a la utilizacin como nutrientes de residuosprocedentes de la industria alimentaria. As, el proyecto PROCRYP yLACTOALGA (ITC 2003-2009) planteaban la reutili acin de lactosuerosprocedentes de las queseras industriales para el cultivo de C rypthe-codinium cohnii y Schizochytrium para la produccin de cidos grasos 3 para consu o hu ano. El proyecto no slo de ostr la viabilidadde esta actividad sino la posibilidad de una plena complementariedadentre el sector agroalimentario ms tradicional y ms establecido, como

Figura 10. Fermentador de labora -torio. Los materiales transparentespermiten el cultivo mixotrficode microalgas (tanto con fuentes

orgnicas como inorgnicas denutrientes).


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la industria quesera, y una biotecnologa de vanguardia basada en lasmicroalgas, en la que stas permitiran no slo obtener una biomasade alto valor a adido sino reutilizar y revalorizar lo que, como loslactosueros, no es ms que un residuo altamente contaminante y decompleja gestin.

1.3. p d y d

Aparte de la industria farmacutica (restringida a un reducidonmero de productos) y la produccin destinada a la acuicultura, elmayor mercado para los productos obtenidos a partir de las microalgas

corresponde a los alimentos dietticos y funcionales, seguido por elmercado de aditivos alimentarios, especialmente carotenoides como laastaxantina y el -caroteno. Especial pujan a co ien a a experi entarla produccin de cidos grasos poli-insaturados de cadena larga -3y -6 para consu o hu ano a partir de icroalgas, las cuales se pre-sentan como una ptima alternativa de futuro a la fuente tradicional deestas sustancias, los aceites de pescado. En la actualidad existe unagran e presa productora de cidos grasos -3 y -6 para consu ohumano a partir de microalgas (http://www.martekbio.com/home.asp).

Hasta ahora el ms amplio y basto mercado que ha absorbidola produccin mundial de microalgas corresponde al de la diettica,la parafarmacia y el de alimentos funcionales. A esto no es extra o laexistencia de una legislacin que restringa los productos derivados delas microalgas al mbito de las plantas medicinales o la diettica, nopermitiendo su plena expansin en el mbito de los alimentos conven-cionales.

La reciente reglamentacin europea sobre nuevos alimentos ynuevos ingredientes alimentarios consolida las posibilidades reales deexpansin de los alimentos funcionales y de una industria alimentariabasada en el desarrollo de una biotecnologa de vanguardia en la que,sin duda, las microalgas jugarn un destacado papel

El mercado de la diettica y de la parafarmacia ha experimenta-do recientemente una fuerte expansin a la sombra del desarrollo delmercado digital, no siendo difcil encontrar en internet numerosas refe-


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rencias comerciales elaboradas a partir de microalgas. Esta amplsimadiversidad de oferta contrasta con el reducido nmero de productorescomerciales de biomasa a partir de microalgas, lo que lleva a sospechar la existencia de un verdadero mercado sumergido, con productoresregistrados o no. Lo cierto es que la produccin de microalgas continasiendo una actividad sumamente restringida a un reducido nmero deempresas en un mercado an poco transparente.

e d d d d d

(Pulz y Gross , 2003)

p d us $ k -1 t d d(us $ 10 6)

b Comida natural 15-28 180-200Alimentos funcionales 25-52 En aumentoAditivos 10-130 Rpido crecimientoAcuicultura 50-150 Rpido crecimientoAplicaciones agrcolas >10 Desarrollo incipiente

c Astaxantina >3.000 > 0Phycocianina > 00 >10Phycoeritrina >10.000 >2

a x d -caroteno >7 0 >2Superoxido dismutasa >1.000 Desarrollo incipienteTocoferol 30-40 Mercado estancadoExtractos AO 20-35 10-20

a . g ARA 20EPA > 00DHA 30Extractos 30-80 10

p d Toxinas 1-3Istopos >

1.4. Produccin de -caroteno y Dunaliella salina

Dunaliella salina es uno de los microorganismos con mayores con -tenidos en -caroteno, que puede alcan ar concentraciones superioresal 10% del peso seco del alga, superando con creces a las tradicionales


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fuentes naturales de -caroteno co o la anahoria, la cual no alcan ael 2%. Por otra parte, el -caroteno deDunaliella salina presenta unaptima composicin isomrica, con elevados contenidos en las formasisomricas cis , ms estables y con un mayor poder antioxidante que latrans , predo inantes en el -caroteno sinttico.

Aunque existen importantes empresas dedicadas a la produccinde -caroteno a partir de fuentes naturales, la ayor parte del -carotenoconsumido en la actualidad es de origen sinttico. Se estima que la de -

anda undial de -caroteno ronda las 500 toneladas, con un volu ende mercado cifrado en unos 300 millones de dlares, siendo para el-caroteno de origen natural superior a los 25 illones. El -caroteno,adems de ser uno de los pigmentos alimentarios ms demandados,tiene una importancia trascendental en la nutricin humana, acta comoprovitamina A. La deficiencia de esta vitamina est considerada hoyda como uno de los mayores problemas en la alimentacin humana aescala global, su carencia es la responsable de mltiples y graves tras -tornos, especialmente en los ni os, lo que ha impulsado que organismosinternacionales como la UNICEF pusieran en marcha amplias campa-

as de suministro de vitamina A en pases empobrecidos (http://www.

unicef.org/spanish/newsline/pr/2001/01pr10sp.htm). Pero una de lasrazones que explican la reciente y fuerte explosin experimentada por la de anda co ercial del -caroteno son los diferentes estudios que lorelacionan con la prevencin de un gran nmero de afecciones, entreellas el cncer. Sin embargo, las investigaciones an distan mucho deestablecer de una forma clara esta relacin, no siendo difcil encontrar datos contradictorios en la bibliografa. Lo cierto es que el -carotenoes un potente antioxidante que puede reducir la accin da ina de los

radicales libres en el organismo.El -caroteno fue el pri er carotenoide en ser sinteti ado artifi-

cialmente. Su produccin industrial comenz en 19 4. Las dos mayorese presas productoras, Hoff ann-La Roche y BASF, controlan s dela mitad del mercado mundial de esta sustancia. En general, en manosde estas dos multinacionales est lo que hoy da se puede considerar como una actividad estratgica para el desarrollo de la humanidad: laproduccin y distribucin de vita inas, entre ellas el -caroteno. Unade las mayores conmociones en el mercado farmacutico internacional


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se produjo cuando en el ao 2001 Hoff an-La Roche y BASF fueronsancionadas por la Co isin Europea con s de 800 illones de eurospor prcticas ilegales de monopolio, la sancin ms cuantiosa puestapor estos motivos a ninguna empresa hasta la presente fecha. Trasesto, al menos en teora, se abran las puertas a la bsqueda de nue -vas alternativas y a una nueva filosofa en este mercado, se reconocasu inters estratgico y se propiciaba el desarrollo de una produccindescentralizada, no monopolstica. Lo cierto es que desde mucho antesel cultivo intensivo deDunaliella salina para la produccin de -carotenode consumo humano haba comenzado su desarrollo arrastrada por elau ento de la de anda de -caroteno natural, cuyo precio en el er-cado internacional puede llegar a duplicar el del -caroteno sinttico.La utilizacin de pigmentos sintticos a os antes haba comenzado aser restringida en algunos pases y los productos naturales encontraronun creciente mercado en los pases occidentales.

Referencias de productos comerciales a partir de Dunaliella sa-lina (mercado digital de productos de diettica, alimentos funcionales,parafarmacia, etc.):

http://www.herbalremedies.com/dusabeca.html

http://qualitycounts.com/fpdunaliella.htmlhttp://www.auravita.com/products/AURA/LIFP10000.asphttp://www.myvitanet.com/macafrdusaal.htmlhttp://www.herbaladvisor.com/shop/xq/asp/ptid.18746/qx/productDe-

tail.htm

1.5. p d c

Sin duda Canarias constituye un lugar ideal para el desarrollo delcultivo intensivo a gran escala de microalgas. Canarias, como reginrene unas condiciones ambientales ptimas para ello, como un climatemplado y una adecuada insolacin. Adems, el desarrollo de estanueva actividad podra constituir una oportunidad para las islas. El cul-tivo de microalgas es una actividad de bajo impacto ambiental con unnivel de demanda de agua dulce bajo y con un potencial de desarrolloy crecimiento elevado. Canarias es un territorio frgil, deficitario en susector industrial y en el que el sector primario pierde de forma acelerada


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peso econmico a favor deun sector terciario fuertemen-te dependiente del turismo. El

desarrollo, tanto de la indus-tria como de las actividadesagrarias, fuertemente condi-cionado por la insularidad,slo podra sustentarse sobrenuevas actividades poco ex -ploradas, con un gran poten -cial de desarrollo tecnolgicoy comercial y de bajo impactoambiental. El cultivo intensivo

de microalgas rene esas caractersticas, de hecho, es en un territoriocomo las islas Hawai, con tantas similitudes ambientales y econmicascon Canarias, en el que se llegaron a ubicar algunas de las mayoresempresas de produccin de microalgas

Cultivar Dunaliella salina quizs sea la mejor va para comenzar eldesarrollo de esta actividad en Canarias. Las tcnicas de cultivo de esta

microalga estn plenamente establecidas y su viabilidad sobradamentede ostrada en diferentes pases. El ercado internacional del -caro-teno, aunque altamente competitivo, es muy estable y su crecimientomuy probable. Adems, la produccin de Dunaliella salina en Canariaspodra tener nuevas dimensiones an no suficientemente exploradas.La posibilidad de asociar el cultivo de esta microalga a la explotacincomercial de las salinas contribuira a revitalizar esta actividad, la cualtiene una fuerte significacin cultural y paisajstica en las islas. Lassalinas constituyen parajes de un indudable valor natural. En Canariaslleg a existir una superficie de explotacin salinera superior a los dos

Figura 11. Salina. La coloracinrojiza de las salinas se debe a cre -cimientos naturales de Dunaliellasalina . Las salinas tradicionales

son verdaderos cultivos naturalesde esta microalga.


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millones de metros cuadrados. En la actualidad la mayor parte de lasviejas salinas han desaparecido o estn pobremente conservadas,apenas si llega a unos 00.000 metros cuadrados la superficie total delas salinas an en funcionamiento, situadas en su totalidad en las islasorientales, fundamentalmente en Lanzarote. Las estructuras de estassalinas, especialmente los cocederos, constituyen verdaderos tanquesde cultivo de microalgas.

El cultivo de Dunaliella salina tambin se podra asociar a lareutilizacin del agua de rechazo de las desaladoras. Uno de los msimportantes costes en la produccin de Dunaliella salina es la sal ne -cesaria para la elaboracin de los medios hipersalinos. En Canarias lasal no slo sobra sino que constituye un residuo cuya produccin va enaumento a medida que son ms numerosas las desaladoras en funcio -namiento, un residuo cuyo impacto an no est suficientemente evalua-do. En Canarias existen en la actualidad unas 223 desaladoras con unaproduccin diaria de ms de 400.000 m3 de agua desalada. Reutilizar las aguas de rechazo (salmue -ra) generadas en el proceso noslo constituira una ptima me-dida para convertir un residuoen un recurso, aprovechandoen actividades alternativas lasinfraestructuras de bombeo yalmacenaje de las propias de -saladoras, sino que constituiraun decidido impulso para abor -dar el pleno estudio y caracte-rizacin de este nuevo residuoy su impacto en las islas.

Figura 12. En Canarias lleg a existir casi una cincuentena de salinas, enla actualidad no quedan ms de unadecena seriamente amenazadas dedesaparicin. El cultivo de microal-gas puede ser una alternativa para surevalorizacin y recuperacin.


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En la actualidad se ha ensayado con xito la utilizacin de cultivosintensivos de microalgas como medio para la biofiltracin de gases decombustin en procesos industriales. Este fin cobra especial inters enun territorio como el canario en el que existe una fuerte dependenciade los combustibles fsiles y en el que la produccin de CO2 por habi-tante es una de las ms elevadas de Europa. Los cultivos intensivos deDunaliella salina se caracterizan por su alta eficiencia fotosinttica y sucapacidad de fijacin de CO2 en condiciones ambientales como las quese dan en Canarias. Adems, la demanda energtica de los sistemasde cultivo a gran escala no es elevada y sera plenamente sosteniblepor medio de energas limpias como la elica o la solar. Las salinasen Canarias han constituido uno de los ms tradicionales y antiguosejemplos de la utilizacin del viento como fuente de energa.

1.6. l d d

D d d Es una actividad muy joven, la experiencia no es amplia, aunque

existen diversos estudios de productividad, estos no dejan de te -ner un fuerte carcter estimativo siendo necesaria la consolidacinde trabajos de investigacin a escala de planta piloto.

En el efectivo desarrollo de un proyecto de produccin se hande establecer de forma clara los objetivos finales y el umbral deproduccin que se pretende alcanzar: produccin de biomasa,extractos o elaboracin de producto final.

Entre las debilidades hemos de contar todas la derivadas de lapropia insularidad y la lejana de los mercados finales y los pro-

veedores de tecnologa. El comercio asociado a los alimentos funcionales basado en lasmicroalgas es un mercado joven, y los productos tienen an unaescasa penetracin comercial, a lo que en gran medida contribu -yeron las viejas reglamentaciones, fuertemente restrictivas.

F z Canarias, en especial islas como las orientales del archipilago,

es un lugar ptimo para el desarrollo de esta actividad, no slo por


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sus inmejorables condiciones climticas, con un clima templadoy numerosas horas de luz solar, sino por su privilegiada situacingeoestratgica, con acceso a uno de los mercados internacionalescon mayor demanda de este tipo de productos.

Si bien la legislacin en materia de utilizacin alimentaria de lasmicroalgas es an sumamente restrictiva, en el especfico caso dela produccin de -caroteno,Dunaliella salina ha sido aceptada yreconocida reciente ente co o fuente natural del -caroteno deuso alimentario, conforme a los criterios establecidos por el Comi-t Mixto FAO/OMS de Expertos en Aditivos Alimentarios (JECFA)(http://www.fao.org/ag/agn/agns//jecfa_guidelines_es.asp).

En Canarias se cuenta con importantes centros de investigacinen el campo de la biotecnologa con microalgas, entre los quecabe destacar el Centro de Biotecnologa Marina de la Universidadde Las Palmas de Gran Canaria ULPGC (http://www.cbm.ulpgc.es/), sede del Banco Nacional de Germoplasma de Algas (BANA)(http://www.cbm.ulpgc.es/bangal.html). Tambin el Instituto Cana-rio de Ciencias Marinas (http://www.gobcan.es/iccm/index_flash.html), desarrolla trabajos en este campo, especficamente en laaplicacin de la biomasa procedente de las microalgas en acui -cultura.

La biotecnologa y, de forma especfica, la vinculada al desarrollode la acuicultura, constituye objetivo prioritario en los planes dedesarrollo tecnolgico en Espa a y especficamente en Canarias,siendo objetivo prioritario de financiacin en los planes nacionales,europeos y locales de I+D.

El desarrollo de la acuicultura como una actividad con entidad

propia en Canarias puede abrir las puertas a un nuevo mercadopara la absorcin de productos derivados de las microalgas.

a z El mercado para los productos derivados de las microalgas an

no es muy amplio y es poco transparente. La produccin de -caroteno a partir deDunaliella salina es un

sector de actividad controlado por un reducido nmero de em-

presas directamente vinculadas a poderosas multinacionales. La


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plena competitividad en este mercado radica en la mejora de lacalidad de los productos ofertados.

o d d En Canarias existe un amplio mercado, el del turista nacional e

internacional, que puede constituir un va ptima a explorar paracomercializar productos elaborados a partir de un produccinlocal de microalgas, especialmente a la sombra del desarrollo delturismo de salud y el ecoturismo.

Actividades locales de carcter agroalimentario, como la pro-duccin salinera o la quesera, se podran asociar a este tipo de

actividad. En la actualidad se explora la utilizacin de biomasaprocedente de las microalgas para la elaboracin de piensos dealta calidad, especialmente en avicultura y acuicultura, as comola elaboracin de alimentos de consumo humano con microalgascomo aditivo.

La depuracin terciaria de aguas residuales y la desalacin deaguas son actividades que se pueden asociar a la utilizacin y desa -rrollo de tecnologa vinculada a la explotacin de las microalgas.

El desarrollo de la acuicultura en Canarias terminar por generar demanda de biomasa procedente de microalgas.

El desarrollo de un proyecto de biotecnologa con microalgas,inicialmente enfocado a sistemas de cultivo en tanque abierto,especial ente para la produccin de -caroteno a partir deDu-naliella salina , puede constituir la ptima va de inicio de activida-des econmicas vinculadas al desarrollo de la biotecnologa enCanarias, avanzando en proyectos de desarrollo con una mayor demanda en tecnologa de vanguardia.

1.7. p y itc d -

En la actualidad en el Instituto Tecnolgico de Canarias, a travsde su Departamento de Biotecnologa, se desarrollan varios proyectos

de I+D+I que tienen por objeto evaluar la viabilidad de la explotacin co-


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mercial de los cultivos de microalgas en Canarias. Estos trabajos puedenconstituir la base sobre la que desarrollar esta actividad en las islas:

p y bioalgaEstudio de la potencial aplicacin de cultivos intensivos de mi-

croalgas a la depuracin de aguas residuales urbanas y la fijacin degases de combustin en procesos industriales. El sistema ofrece undoble efecto: la accin de depuracin y la produccin de biomasa. Sepretende determinar la eficacia del sistema, tanto como sistema dedepuracin como de produccin de biomasa algal de inters industrial,as como obtener resultados en cuanto a los requerimientos tcnicosy conocimientos biolgicos/ambientales de un sistema de produccinintensiva a escala semicomercial que nos permita una plena evaluacinde viabilidad econmica de la actividad.

p y procrYpProyecto de investigacin aplicada que propone el estudio de via-

bilidad tcnico-econ ica de la produccin a escala de planta piloto decultivos de la microalgaCrythecodinium cohnii . Esta microalga, hetero-trfica estricta, puede ser cultivada de forma intensiva en fermentadorescerrados en los que se pueden controlar perfectamente las condicionesde cultivo de tal forma que se puede garantizar la axenitud de los cultivosobtenidos, pudindose automatizar el proceso hasta el punto de su plenaindustrializacin. De esta forma se puede garantizar la produccin debiomasa con unas caractersticas homogneas, tanto desde el punto devista de los niveles de produccin como con respecto a los contenidosde DHA. El DHA es un cido graso poli-insaturado de cadena larga delgrupo de los -3. Es el cido graso predo inante en la co posicindel sistema nervioso y su carencia ha sido relacionada con diferentespatologas asociadas a un deficiente desarrollo del sistema nervioso.Crythecodinium cohnii es uno de los organismos que puede alcanzar las mayores concentraciones de DHA , lo que le convierte en una fuenteideal de este cido graso cuya demanda comercial va en aumento.

p y proDemEl proyecto propone el desarrollo de sistemas de cultivo intensivo

de microalgas marinas seleccionadas para la produccin de cidos


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grasos poli-insaturados esenciales de cadena larga (DHA y EPA) paraconsumo humano. Tal objetivo se pretende abordar tanto por medio desistemas de cultivo abiertos como cerrados, seleccionando materialesy sistemas de bajo coste e impacto ambiental que permitan lograr elevadas producciones en cultivo. Se pretende alcanzar una plenaintegracin de la fase de cultivo y procesado de la biomasa producida.Final ente se reali ar un estudio de la viabilidad tcnico-econ icadel proceso.

p y DunasalProyecto de investigacin aplicada que propone el estudio de

viabilidad tcnico-econ ica del aprovecha iento de la aguas derechazo de las desaladoras de agua de mar como base para el cultivointensivo de la microalgaDunaliella salina . Esta especie se caracterizapor su alta produccin de -caroteno (precursor de la vita ina A) conimportantes aplicaciones en la industria alimentaria, farmacolgica ycosmtica. Conjuntamente al desarrollo del los experimentos y estu-dios de cultivo se pretende establecer una plena caracterizacin de lasaguas de rechazo procedentes de las desaladoras en Canarias. Esteproyecto puede constituir un modelo de referencia para posibles trabajos

en Fuerteventura en este campo.


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2. planta piloto De cultivo De microalgas

2.1. r d d

La disponibilidad de instalaciones previas, como salas paralaboratorios, sistemas de bombeo, almacenamiento de agua yalmacenes para reactivos, permitirn reducir los costes en infra-estructuras. Constituye una ptima alternativa asociar el desarrollo

y construccin de una planta piloto de microalgas a instalacionesexperimentales o agroindustriales ya establecidas. El cultivo demicroalgas puede ser una actividad plenamente complementariacon las explotaciones agrcolas convencionales, es posible eldesarrollo de cultivos de microalgas aprovechando los espaciosmarginales no explotables, lo que permitira una diversificacinalternativa de las explotaciones agroindustriales.

Disponibilidad de agua a bajo coste. Se recomienda la ubicacinde la planta en zonas prximas al mar, una salina puede ser ellugar indicado. La planta puede estar asociada a una planta dedesalacin, lo que permitira una ptima disponibilidad de agua,as como el aprovechamiento de las propias infraestructuras debombeo, conduccin y almacenamiento de agua de la planta.Para el cultivo de Dunaliella salina la disponibilidad de sal o deagua salobre favorecera los trabajos y reducira los costes. Loscultivos deDunaliella salina podran desarrollarse con el agua derechazo de la planta desaladora o utilizando la sal proporcionadapor la propia salina. El agua de rechazo de los cultivos de Duna-liella podra usarse como fuente de agua en los cocederos de lasalina, cerrando el ciclo de produccin de sal. En el caso de unaplanta de cultivo tierra dentro, se debera habilitar un tanque decristalizacin. En el caso del cultivo de especies de microalgas dul-ceacucolas ( Chlorella ), la planta de microalgas podra asociarsea cultivos tradicionales, pudindose reutilizar el agua de rechazode los cultivos de microalgas en el riego de las plantaciones.


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La zona no ha de estar batida por el viento y debe disponer defciles accesos.

Lo llano del terreno favorecer los trabajos de construccin dela planta.

Ha de ser una zona con una temperatura media anual no superior a los 30 C y poco expuesta a zonas de sombra.

2.2. s d

Se recomienda la seleccin de cepas locales de microalgas. Eneste sentido, y durante los trabajos desarrollados por el ITC en el marcodel proyecto SAL, se demostr la viabilidad del aislamiento y seleccin

Figura 13. Coleccin de especies y cepas de microalgas del ITC (medios agariza -dos y lquidos).


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de cepas autctonas de Dunaliella salina especfica de las salinas tradi -cionales. En la actualidad estas cepas estn recogidas en una coleccinespecfica del proyecto SAL en las instalaciones de Biotecnologa delITC en Gran Canaria (http://www.itccanarias.org/). La coleccin de cepaslocales es especialmente amplia en el Banco Nacional de Algas en elCentro de Biotecnologa Marina de la Universidad de Las Palmas deGran Canaria (BANA) (http://www.cbm.ulpgc.es/bangal.html).

No es difcil aislar cepas locales de Chlorella , sumamente adap -tadas a la condiciones de cultivo en Canarias. En este sentido el BANAdispone de una amplia coleccin de cepas de microalgas y cianofitas(Spirulina ) previamente cultivadas en sus laboratorios en Canarias.

Existe un importante nmero de colecciones de microalgas quepueden proporcionar el material biolgico necesario:ACOI Coleccin de algas de la Universidad de Coimbra, Portugal(http://www.uc.pt/botanica/ACOI.htm).ALGOBANK Banco de microalgas de la Universidad de Caen, Francia(http://www.unicaen.fr/unicaen/ufr/ibfa/lbbm/algobank/).ATCC Coleccin Americana de Cultivos Tipo, Rockvilli, Maryland, USA(http://www.atcc.org/SearchCatalogs/Protistology.cfm).CAUP Coleccin de algas de la Universidad de Charles de Praga, Re -pblica Checa (http://botany.natur.cuni.cz/algo/caup.html).CALA Coleccin de organismos autotrficos del Instituto Botnico deTrebn, Repblica Checa. (http://www.butbn.cas.cz/ccala/ccala.htm).CCMP Centro Nacional Porvasoli Guillar para el Fitoplancton Marino,Main, USA (http://ccmp.bigelow.org/).CAMARC CSIRO Microalgae Reserach Centre, Hobart, Tasmania,Australia (http://www.marine.csiro.au/microalgae/).IAM Coleccin de Cultivos del Instituto de Microbiologa Aplicada de laUniversidad de Tokio, Japn (http:// .ia .u-tokyo.ac.jp/ isyst/Co-lleBOX/IAMcollection.html).SVCK Sammlung von Conjugatenkulturen, Inst. Allgem. Botanik Ham-burg, Alemania (http:// .biologie.uni-ha burg.de/b-online/d44_ 1/44_1.htm).


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UTEX Coleccin de Cultivos de algas de la Universidad de Austin,Texas, USA (http://www.utex.org/).CIBNOR Centro de Investigaciones Biolgicas del Noroeste, Mjico

(http://www.cibnor.mx/ecibnor.php).

2.3. p d

2.3.1. e d d Uno de los puntos crticos en la produccin a gran escala de mi-

croalgas es la transferencia desde las colecciones tipo hasta los grandessistemas de crecimiento. Las algas son transferidas desde medios aga -rizados en ambiente controlado, de apenas unos 20 ml de cultivo, hastasistemas de gran envergadura de miles de litros a cielo abierto o bajoinvernadero. Este paso exige generar el adecuado volumen de cultivoque permita el inculo de los grandes sistemas, as como la adaptacinprogresiva de las algas a un entorno sumamente cambiante.

Se puede mantener un ptimo de escalado de los cultivos convolmenes de inculo (cultivo de media densidad en crecimiento expo-nencial) de 1/10. Para los sistemas de cultivos propuestos se pueden

antener race ay de bajo volu en (race ay de escalado) de 3-10m2 (300-1.000 litros de cultivo) para el cultivo previo antes de la transferencia a raceway de mayor envergadura. Los cultivos de escaladoson de fcil construccin en materiales poco costosos como las fibrassintticas. Para el inculo de los raceway de escalado bastan entre 30y 0 litros de cultivo directamente procedentes de la cmara de cultivo.Las especies seleccionadas son poco exigentes por lo que el escaladode cultivo se puede efectuar directamente desde la cmara de man -

tenimiento hasta raceway externos. En general se considera que lostiempos de escalado para el inculo de un raceway de 100 m 2 es deentre una y dos semanas.

2.3.2. g d Como estrategias bsicas se recomienda el cultivo de Spirulina y

Chlorella se mantendr en semicontinuo en una sola fase con una se -cuencia de uno o dos cosechados semanales. En el caso de los cultivosde Dunaliella salina se ensayar tanto la produccin en semicontinuo enun raceway como la produccin en doble fase. Tanto el crecimiento de


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Figura 14. Escalado progresivo de cultivos. La finalidad del escalado es la de ge -nerar la biomasa necesaria para el inculo de los sistemas de cultivo masivo y laadaptacin progresiva de las algas a las condiciones finales de produccin.


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Dunaliella salina co o la sntesis de -caroteno estn deter inados porla irradiacin incidente. El contenido de -caroteno enDunaliella salina est determinado por la relacin entre la tasa de crecimiento celular yla irradiacin. Los s elevados contenidos de -caroteno se alcan anen condiciones de crecimiento limitado y alta irradiacin. En general,el aumento en el contenido de carotenoides en las algas ha sido rela -cionado con condiciones de estrs celular. Esto representa una de las

ayores dificultades para la produccin a gran escala de -caroteno apartir del cultivo intensivo deDunaliella salina; la fase de mxima sntesisde -caroteno se produce en aquellas condiciones que li itan el creci-miento del cultivo. Las tcnicas de cultivo en doble fase permiten aunar la produccin de biomasa con la obtencin de altas concentraciones de

-caroteno. En una pri era fase las algas son cultivadas en condicionesde ptimo crecimiento, con una elevada disponibilidad de nutrientes yen densidades celulares relativamente altas. Seguidamente los cultivosson sometidos a una segunda fase de cultivo o fase de induccin dela carotenognesis, caracterizada por la supresin de nutrientes en elmedio, una mayor salinidad y una menor densidad celular, aumentandola exposicin del cultivo a la irradiacin solar.

m d x d d dDunaliella salina d f

Figura 1 . Ciclo de cosechado y refertilizacin de un cultivo en semicontinuo deDunaliella salina.


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En la figura 1 se puede apreciar el patrn clsico de variacin dedensidad celular en un cultivo semicontinuo de Dunaliella salina . Loscosechados se efectuaron cada tres das, con un volumen de cose -chado del 0% del cultivo. En cada ciclo de cosechado se aprecia unapaulatina disminucin de la densidad celular mxima alcanzada por elcultivo en el siguiente ciclo, lo que hace recomendable la alternancia defases de saneado del cultivo, limpieza de raceway y reescalado. En loscultivos en semicontinuo deDunaliella salina slo sera posible mantener altas tasa de produccin de -caroteno por edio de cosechados enciclo corto, generalmente de 24 horas, manteniendo una baja densidadcelular. Este sistema puede encarecer y complicar los procesos demantenimiento de los cultivos.

En un cultivo en doble fase el volumen retirado ( 0% del cultivoen fase verde en ciclos de tres das) es transferido a un nuevo racewaya una dilucin 1/3. Es posible alcan ar producciones de -caroteno encultivo del orden de 0 gramos por m2 y da (en superficie de cultivode fase roja, en total se alcanzaran producciones de 034 g/m 2 da), enciclos no superiores a los tres das (datos experimentales proyecto PRO -DEM), niveles de produccin significativamente ms elevados que losalcan ados por cultivos en continuo (Garca-Gon le et al., 2003).

El sistema de cultivo en doble fase se puede sostener en racewayde 100 m2 con una capacidad del 10.000 litros de cultivo en la fase verde(10 cm de columna), y 1 .000 litros en la fase roja (1 cm de columna)con una dilucin en fase roja de 1/3 y con dos cosechados semanales.

Transferencia del 0% delcultivo en fase verde (RWde 100 m2 y 10.000 litros decultivo) a cultivo en fase roja(RW de 100 m2 y 10.000litros de cultivo)

Procesado

Almacenamiento

Cosechado


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Los flujos de CO2 en fase verde estn en torno a los 00003 l/mi -nuto por litro de cultivo, lo que implica unos consumos diarios de aproxi-madamente una botella de 20 kilos de CO 2 a la semana por racewayde 100 m2. A estos flujos es posible trabajar con sistemas autnomosde CO2 sin rampa, lo que permite reducir los costes en inversiones alsimplificar las instalaciones. El sistema autnomo de inyeccin de CO2 estara compuesto por un manorreductor de hasta 16 bares, una elec -trovlvula de todo o nada, conectada a un temporizador programable,un rotmetro de 01 a 1 litro/minuto, y microdifusores de porcelana. Todoel sistema puede ser conectado por medio de mangueras flexibles. Lainyeccin de CO2 se programar en secuencias temporales en funcinde la irradiacin incidente, establecindose co o pti o unas 8 horas

diarias de inyeccin.

Figura 16. Cultivos de Dunaliella salina en fase roja y en fase verde. El cultivo endoble fase es uno de los sistemas indicados para la produccin de metabolitossecundarios, co o el -caroteno, asociados con condiciones de estrs celular. Esun sistema de cultivo que plantea importantes problemas de gestin operativa, peroel alto valor de las sustancias objeto de produccin los justifican.


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http://www.alfalaval.com/http://www.flottweg.com/spanish/worldwide_sp.htmlhttp://www.iaf.es/enciclopedia/pieralisi/index.htm

F .Es una tcnica muy ineficaz en la mayora de las es -pecies unicelulares, sin embargo es la que mejores resultadosofrece en el cosechado de Spirulina , mostrndose sumamenteeficaces tanto los peque os y artesanales sistemas de filtracinen maya como los grandes equipos de tamiz vibrtil. Una tcnicareciente es la de cosechado por medio de filtracin tangencial,sin embargo, son escasos los estudios comparativos de eficaciay coste entre las diferentes tcnicas de cosechado, siendo esto

uno de los objetivos de estudio en los diferentes proyectos deinvestigacin del ITC.

p d d q ( d ):t z d :http://www.allgaier.de/index_es.htmlF :http:// .asiain-sesores.co /rev3/pag31.ht mhttp://www.sartorius.com/en/contact/index.php

2.3.4. p d d Una vez obtenido tras el cosechado el concentrado celular o pasta

se efecta el procesado de la biomasa. En la actualidad, sobre todo conespecies de microalgas marinas para su aplicacin en acuicultura, secomienza a trabajar con biomasa no procesada, biomasa congelada o

refrigerada. Sin embargo, la mayora de las aplicaciones comercialesde la biomasa procedente de las microalgas requieren diferentes tra -tamientos.

D h d .La pasta suele tener una concentracin en sli -dos de entre el y el 1 % y debe ser procesada rpidamente puescortas exposiciones al ambiente la degradan, esto es particular -mente cierto en el caso de Dunaliella salina , altamente sensible ala fotooxidacin. El sistema de deshidratacin ms comnmenteusado es el de secado por atomizacin, aunque tambin han mos -


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Figura 18. Pasta de algas tras cosechado con un contenido en peso seco del %.

Figura 17. Tambor de cosechado de una centrfuga de eje vertical y flujo continuo.


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trado buenos resultados el secado por liofilizacin y con secadoresde tambor. Todos estos sistemas han sido ensayados con xitoen las especies propuestas ( Dunaliella , Chlorella y Spirulina ). Laliofilizacin resulta muy costosa y en los procesos de secado por atomizacin se ha apreciado cierta degradacin de la biomasa,sin embargo contina siendo el sistema ms extendido; es, por otra parte, un sistema altamente compatible con tratamientos dedeshidratacin de otros productos, como leche, lactosueros, jugode Aloe, etc. El secado de la biomasa simplifica los procesos deconservacin y extraccin de metabolitos, por lo que se hacerecomendable su realizacin antes de proceder a la extraccin.

Se ha observado la posibilidad de conservar, durante periodos detiempo relativamente prolongados y con niveles de degradacin asu-mibles, pasta no deshidratada, lo que permitira diferir los trabajos decultivo y procesado de la biomasa, concentrando los trabajos de proce -sado en el tiempo y en una nica planta. Esto favorecera un desarrolloen economa de escala del conjunto de la actividad, una sola planta deprocesado podra estar destinada al tratamiento de la produccin dediferentes explotaciones.

Para la conservacin, tanto de la pasta como del producto des -hidratado, es fundamental la disponibilidad de adecuados equipos deenvasado al vaco o en atmsferas modificadas (producto deshidratado)y de congelacin y refrigeracin.

p d d q ( d ):a z dhttp://www.niroinc.com/html/niro contacts/spain.htmle d y dhttp://www.tecnotrip.com/

H z y .Los tratamientos de homo-genizacin de la biomasa, y ruptura celular, favorecen las aplica-ciones alimentarias de las algas, al mejorar la digestibilidad de labiomasa y simplificar los procesos de extraccin de metabolitoscomo los pigmentos. Se han empleado diferentes tcnicas dehomogenizacin y ruptura celular como las de ultrasonido, pero


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las que mejores resultados han arrojado han sido los tratamientospor medio de homogenizadores de alta presin. En las especiespropuestas el tratamiento de homogenizacin slo tendra sen -tido en Chlorella , que presenta una slida pared celular. Esteno sera el caso de Dunaliella , que carece de ella y en la que elsimple cosechado por centrifugacin, los tratamientos de cho-que osmtico o la congelacin bastan para conseguir la rupturacelular. Los tratamientos de homogenizacin se pueden efectuar sobre la biomasa previamente congelada, mejorando incluso losresultados.

p d d q ( d ):H z d :http://www.niroinc.com/html/niro contacts/spain.htmlhttp://www.cbmills.com/CB_Mills_Products/horizontalmills.htm

ex d .Del conjunto de especies propuesto,este proceso slo tendra sentido en la extraccin de -carotenoen Dunaliella salina . La extraccin de -caroteno es un procesosencillo en el caso de esta especie, siendo posibles los tratamien -tos de extraccin directa por medio de aceite o con solventescomo el hexano.

Figura 19. Efecto de los tratamientos de ruptura celular sobre el porcentaje declulas ntegras.


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2.4. l

La nueva reglamentacin europea sobre nuevos alimentos ynuevos ingredientes ali entarios (Regla ento CE n 258/97) per itesuperar la barrera que tradicionalmente limitaba la comercializacin deproductos elaborados a partir de algas. Dicha reglamentacin se apli -ca a los alimentos y nuevos ingredientes alimentarios que no se hanconsumido anteriormente en cantidades significativas en la UE y quese inscriben en una de las siguientes categoras:

Alimentos o ingredientes que se componen de o contienen orga -nismos genticamente modificados.

Alimentos o ingredientes elaborados a partir de organismos ge-nticamente modificados.

Alimentos o ingredientes con una estructura molecular nueva ointencionalmente modificada.

a d q h d d , h .

Alimentos o ingredientes que se componen o se han obtenido a

partir de plantas, as como ingredientes alimentarios de origenanimal, a excepcin de aquellos obtenidos mediante prcticasde cra o cultivo tradicionales y que tienen un historial de usoalimentario seguro.

Alimentos o ingredientes obtenidos mediante nuevos procesosque producen modificaciones considerables en su estructura ocomposicin, y que afectan a las caractersticas nutritivas y a laseguridad del alimento o ingredientes en cuestin.

Por otra parte, la utilizacin de las microalgas en la industria ali-mentaria recibi un nuevo reconocimiento legal con la reciente acepta-cin del -caroteno procedente deDunaliella salina en las normas espa -

olas de identidad y pureza de los colorantes utilizados en los productosalimenticios (Orden SCO /10 2/2002 BOE 14/ /2002), transponiendo laDirectiva Europea 2001/ 0 (UE). Queda as definido como mezcla decarotenos obtenidos de cepas naturales del alga Dunaliella salina , quese cultiva en grandes lagos salinos en Whyalla, Australia del Sur. Lalegislacin se basa en los criterios establecidos por la JECFA, la cual,


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a su vez, establece unos criterios menos restrictivos en lo referido a laelaboracin de los extractos de caroteno a partir de Dunaliella salina ysu posible cultivo, lo que garantiza la posibilidad de un reconocimientolegal de este producto procedente de otros cultivos y sometido a otrostratamientos de procesado y extraccin.

(http:// .fao.org/ag/agn/jecfa-additives/details.ht l?id=698)

El registro sanitario de las explotaciones, salas de procesado yel producto final ha de atenerse a la vigente legislacin alimentaria y alos procedimientos de registro establecidos.

(http://www.aesa.msc.es/)


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3. presupuestos

Como referente de lo que podra ser un proyecto para la cons -truccin de una planta piloto de cultivo de microalgas abrimos esteapartado.

En el presente planteamiento se cubrira tanto la construccin yequipamiento de un peque o laboratorio para el seguimiento, controly mantenimiento de los cultivos, como el de una planta de cultivo ba-sada en dos tanques abiertos tipo raceway de doble calle de 100 m 2.Esta escala es suficiente para el desarrollo de experimentos piloto decultivo a gran escala de microalgas, pudiendo servir como una ptimaplataforma para proyectos de mayor envergadura.

Los presupuestos rese ados son orientativos y de carcter es -timativo. Afortunadamente el mercado tecnolgico es un mercado enexpansin y en crecimiento, la oferta se diversifica y la competenciaaumenta. Sin duda pueden existir muchos ms equipos necesarios parala puesta en marcha de un laboratorio, pero los aqu rese ados puedenser considerados como la base para un buen comienzo.


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0

3.1. p d q

3.1.1. p d

eq d

c

Centrfuga termostatizada 7.900

Espectrofotmetro 9.000

Oxmetro 1.100

Medidor de pH 0

Conductmetro 900

Refractmetro 300

Juego pipetas automticas 1.200

Microscopio invertido 4.000

Balanzas de precisin 1.200Balanzas 600

Agitadores-calentadores 600

Bomba de vaco 800

Sistema de filtracin 300

Cmara de cultivo 12.000

Agitador de vaivn y orbital 1.800Nevera 600

Cmara de flujo laminar .000

Sistema de agua destilada 6.000

Autoclave .000

t 58.850


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1

3.1.2. p d y d

eq p d c

Sist. Inyeccin CO2

Soportes 180

Rotmetros 1.000

Manorreductores 0

Conexiones 90

Electrovlvulas y temporizadores 3 0

Difusores 100

Monitorizacin de cultivos

Sensores CO 2 1.200

Sondas de temperatura 6 0

Cableado 600

Ordenador de control 1.200

Raceway de escalado 3.000

Centrfuga eje vertical (4.000 l/h) 43.000

Bombas 1.000

Sist. Limpieza de alta presin 1.800Arcones frigorficos 1.200

Selladora envasadora al vaco 3.000

Tamizadora vibrtil 1 .200

Atomizador 110.000

Homogenizador de alta presin 24.000

t 208.120


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g d d

c c / d d c

Consumo de energa(sin tratamiento de deshidratacin)

Kwh/ Kw/h14.800 0,09 1.332

Consumo de agua3 / 3

1. 00 0,6 900

CO2K / K

3.000 1, 7 4.710

Medios de cultivoK / K

2. 00 0, 1.2 0

Otros gastos 1.32

t / 9.517


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3

3.2. p d y d f d y d

r c 1. Movimientos de tierra 2.469

2. Cimentacin 8.142

3. Red de agua dulce 2. 13

4. Red de agua mar/hipersalina 2.313

. Red de saneamiento 6.16

6. Canalizaciones elctricas 1.636

7. Red lnea de sonda 876

8. Albailera 6.736

9. Sistemas de agitacin 14.832

10. Estructuras de hormign 168

11. Impermeabilizacin 8.550

12. Obra civil 52.080

13. Instalacin elctrica 18.540

14. Urbanizacin 9.800

p j 134.820

% de Gastos Generales 6.74112% de Beneficio Industrial 16.178

% IGIC 7.887

p d ej c 165.626


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4

3.3. r d

Coste correspondiente a una construccin de nueva planta sininstalaciones previas, asumiendo tanto fases de cultivo como de pro -cesado de biomasa (tratamiento de deshidratacin).

c d ( y d )

eq d l 58.850eq p d c 208.120

o c Sistema de cultivo 66.830 ed f y d 98.796

t 432.596

g d d

c c / d dcConsumo de energa(sin tratamiento de deshidratacin)

Kwh/ Kw/h (e )

14.800 0,09 1.332

Consumo de agua3 / 3

1. 00 0,6 900

CO2K / K

3.000 1, 7 4.710

Medios de cultivoK / K

2. 00 0, 1.2 0

Otros gastos 1.32

t / 9.517


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3.4. D No se han estimado costes de personal. El carcter experimen -

tal de la planta prefigura los costes de personal al dar prioridad a lostrabajos de estudio. Plantas operativas de carcter industrial-co ercialpermiten el desarrollo de economas en escala, reduciendo los costes,especialmente en el captulo de personal. En general se estima unoscostes en este captulo de 26 euros por m 2 de cultivo y a o, con unarelacin en horas de 1/6 (tcnicos superiores/operarios de planta).

El modelo de planta de cultivo propuesto correspondera a tan-ques abiertos tipos raceway de doble calle de hasta 100 m 2, con una

superficie total en planta de 200 m2

de tanques de cultivo (2 racewayoperando en simultneo). La proporcin de superficie operativa y defaenado para este tipo de sistema puede estar en torno al 20% de lasuperficie total de la planta de cultivo, lo que implicara una relacin desuperficie entre tanques y reas o especficas de cultivo de 3 a 1 (por cada 3 m 2 de tanques de cultivo se necesitara aproximadamente 1 m 2 de reas dedicadas al trnsito y el faenado). Conforme a este clculose habra de contar con una superficie total de 2 0 m 2 para una plantade cultivo de 200 m2 en tanques de cultivo.

En territorios como las islas la disponibilidad de suelo es uno delos principales factores limitantes de este tipo de proyectos, as comouno de los ms importantes gastos en el captulo de capital. Esteproblema, dada la naturaleza de la actividad, a caballo entre el sector primario y el industrial, se agudiza al no quedar plenamente tipificadoel carcter del suelo. As, el coste medio del suelo industrial en islascomo Gran Canaria puede oscilar en la actualidad entre los 300 y los600 euros por m2.

La planta piloto propuesta corresponde a un modelo de plantasobre estructura rgida en tanques de hormign impermeabilizados contratamientos en fibra y pinturas epoxicas de calidad alimentaria. Sin dudase trata de un modelo ampliamente testado y de una calidad contrasta -da. Sin embargo, es posible la construccin de tanques de cultivo sobreestructuras no rgidas, cubetas excavadas en suelo, e impermeabilizadascon geomembranas de PVC. Este modelo de construccin permite unareduccin de aproximadamente el 61% en los costes de capital, pasandode un coste por m2 de unos 176 euros a 68 euros.


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En general los costes de capital presentan una muy favorablerespuesta a los desarrollos en economa de escala. Esto es especial -mente cierto en el caso de los trabajos de cosechado y procesado dela biomasa, procesos en los que es posible alcanzar una reduccin enlos costes de amortizacin de equipamiento en torno al 96% por m2,si se alcanzara la plena operatividad de los equipos de cosechado yprocesado.

Por trabajos anteriores se puede deducir que la reduccin encostes asociada al tama o de la planta de cultivo es cercana a 0.001euros por kg de biomasa producida por cada m 2 de incremento en lasuperficie total de explotacin, lo que puede llegar a representar unahorro de casi el 79% sobre el coste total de produccin en el punto

ptimo de escala (Borowitzka, 1999).El rendimiento en cultivo es el factor determinante de los costes

finales de produccin. La productividad es muy diversa en funcin delas especies y de los sistemas de cultivo. Los mximos rendimientos enraceway descritos hasta la actualidad corresponden al cultivo de Chlo-rella , con una productividad que oscil entre los 2 y los 30 gramos debiomasa seca por m 2 y da (Ka aguchi, 1980). Esta especie es una delas primeras en ser cultivada a gran escala y sobre la que ms estudiosse han publicado. Chlorella constituye por tanto un ptimo referente parauna evaluacin comparada de costes y rendimientos potenciales.

En los proyectos desarrollados en el ITC se han alcanzado pro -ducciones sostenidas de Chlorella en raceway de 1 gramos por m2y da, lo que nos permite estimar los siguientes costes de produccinpor kilogramo de biomasa deshidratada en la planta piloto de cultivo demicroalgas planteada:

c d d ( /k d )Costes de operacin 6,78Costes de capital 23,26Mantenimiento 1,33t 31,37


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c d k d c d (kw/k ) /k

30,20 3,02c d ( 3 /k )

1,00 0,78n (k /k )

1,20 0,85c d co 2 (k /k )

2,00 1,21

Costes estimados sin gastos de personal ni adquisicin de suelo.

Estos costes son equivalentes a los indicados en trabajos ante -riores, con la salvedad de la envergadura de la explotacin, una plantapiloto de cultivo, que determina un elevado porcentaje en los costesde capital.


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4. eplogo

El presente trabajo slo pretende dar una visin global sobre lasposibilidades de la biotecnologa con microalgas como una actividadeconmica potencialmente viable en territorios como las islas Canarias,as como ofrecer datos experimentales contrastados sobre el posibledesarrollo y puesta en funcionamiento de una planta piloto de cultivode microalgas.

A pesar del carcter experimental y tentativo de esta propuestaconstituye un adecuado referente sobre lo que podran ser futurosdesarrollos ms ambiciosos y de mayor envergadura que superen elumbral del ensayo piloto.

Consideramos que el trabajo desarrollado por el Instituto Tecno-lgico de Canarias a lo largo de los ltimos a os no slo demuestra laviabilidad tcnica del cultivo de microalgas como una actividad produc-tiva, sino que tambin lo hace sobre sus posibilidades de desarrollocomo una actividad econmica posible en territorios como el archipilagocanario.


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bibliograFa

AVRON, M. yBE-AmOTz(1992): Dunaliella : Physiology, biochemistryand biotechnology. Boca Ratn, Florida, EEUU.

BOROwITzKA, M. (1999): Ecomic evaluation of microalgal processesand products. Cohen (ed.) Che ical fro icroalgae (387-409)Wellington, Surrey, United Kingdom.

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KAWAGUCHI, K. (1980): microalgae production syste in Asia. Shelefy Soeder (eds), Algae bio ass production and use (25-33), A ster-dam: Eselvier/North Holland Biomedical Press.

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planta piloto de microalgas

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