Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Biorrefinerías sostenibles basadas en fitoplancton para la producción de pigmentos bioactivos y biogás
Autor
ÁGUILA CARRICONDO, MARÍA DEL PILAR
Director
VICENTE CRESPO, GEMMA
Codirector
DE LA ROCHE CAVADID, JUAN PABLO
Fecha de depósito
25-06-2025
Periodo de exposición pública
26 de junio a 9 de julio de 2025
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Ciencias
Mención internacional
No
Resumen
El fitoplancton, que incluye microalgas y cianobacterias, es una materia prima de gran interés para la obtención de productos de alto valor añadido, especialmente pigmentos como clorofilas, carotenoides y ficobiliproteínas. Estos compuestos no solo ofrecen propiedades colorantes para la industria cosmética, sino que también poseen beneficios para la salud, como su actividad antioxidante, antiinflamatoria y antitumoral, abriendo puertas a su uso en la industria nutraceútica y farmacéutica.
La creciente demanda de ingredientes naturales en sustitución de los sintéticos, junto con la búsqueda de la sostenibilidad en los procesos de producción, ha impulsado el interés en el fitoplancton. Su alta productividad y rápida velocidad de crecimiento le otorgan una ventaja competitiva frente a otras fuentes naturales. Sin embargo, la extracción de pigmentos enfrenta el desafío de ser poco rentable debido a los bajos rendimientos y el escaso contenido natural en la biomasa. Para superar esta limitación, se han desarrollado biorrefinerías que buscan maximizar el aprovechamiento integral del proceso, valorizando la biomasa residual tras la extracción del pigmento.
La biomasa residual puede transformarse en biogás, ofreciendo múltiples ventajas. Contribuye a la economía circular al utilizar no solo residuos del proceso de extracción, sino también de otras industrias y lodos de depuradoras. Adicionalmente, genera digestato, un subproducto rico en N y P que puede ser empleado como fertilizante. Un beneficio clave es que el biogás producido puede autoabastecer energéticamente al propio sistema de producción, reduciendo la dependencia de fuentes externas.
Las biorrefinerías, y particularmente las de fitoplancton, son fundamentales para alcanzar muchos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030. Desde 2018, la investigación en este campo ha crecido exponencialmente, lo que subraya la necesidad de profundizar en el conocimiento de estas nuevas biorrefinerías. Actualmente, la mayoría de los estudios se centran en especies aisladas, dejando un amplio margen para la investigación de consorcios y especies menos exploradas. La integración de la producción de biocompuestos y biogás en esquemas de biorrefinería es un campo con un gran potencial por explotar.
La Tesis Doctoral aborda el estudio de nuevas biorrefinerías sostenibles utilizando biomasa de fitoplancton para la extracción de pigmentos bioactivos y el aprovechamiento de la biomasa residual para generar biogás, en el contexto de economía circular. Para ello, se plantearon tres objetivos específicos:
Objetivo 1: Desarrollar biorrefinerías con biomasas de consorcios de fitoplancton para la extracción de clorofilas y la generación de biogás.
Objetivo 2: Desarrollar biorrefinerías con la biomasa de la microalga Dunaliella salina para la extracción de β-caroteno y la generación de biogás.
Objetivo 3: Desarrollar biorrefinerías con la biomasa de la cianobacteria Aphanizomenon flos-aquae para la extracción de ficocianina y la generación de biogás.
Se emplearon dos biomasas comerciales, Marine Algaemass® y Chlospira®, para la extracción de clorofilas. Se optimizaron los métodos de disrupción celular (agitación con vortex, prensa, ultrasonidos, molino de bolas) y se usaron soluciones hidroalcohólicas para la extracción. Se evaluó la capacidad antioxidante de los extractos y la biomasa residual se valorizó para la generación de biogás mediante digestión anaerobia mesofílica.
En la biorrefinería de Marine Algaemass®, el método de agitación con vortex permitió extraer el 0,48% p/p de clorofilas. La biomasa residual de Marine Algaemass® demostró un mayor potencial de producción de biometano (472 ± 32 mLCH4/grSV) que la biomasa intacta. Con Chlospira®, el molino de bolas fue el método óptimo, con un rendimiento de extracción del 1,35% p/p de clorofilas. Los extractos de Chlospira® mostraron mayor capacidad antioxidante que los de Marine Algaemass®.
Los diagramas de Sankey revelaron que, para Marine Algaemass®, un 56,6% de la biomasa inicial se convirtió en biogás (66,4% de biometano), y un 24,1% en extracto de clorofilas. En el caso de Chlospira®, el biogás representó un 25,6% (45,2% de biometano) y el 52,8% de la biomasa inicial formó parte del extracto.
Para la microalga Dunaliella salina, se utilizó acetato de etilo para extraer β-caroteno, sin necesidad de disrupción celular por la ausencia de paredes rígidas. Se evaluaron cuatro pretratamientos alcalinos (dos directos y dos indirectos) para optimizar la capacidad antioxidante y la producción de biometano.
El rendimiento de extracción de β-caroteno osciló entre 4,3% y 5,5% (p/p). Se seleccionó el pretratamiento directo en matriz 100% acuosa por su mejora dual en la bioactividad de los extractos (1,89 mmolTE/grDW de captura de radicales hidroxilo y 0,69 mmolTE/grDW de radicales ABTS) y el incremento en la producción de biometano (301 ± 14 mLCH4/grSV de la biomasa residual). Esta biorrefinería logró un aprovechamiento del 33,8% de la biomasa inicial, con un esquema de aplicación industrial para generar un ingrediente cosmético y biogás a partir de 70 kg de biomasa de Dunaliella salina.
La extracción de ficocianina de la cianobacteria Aphanizomenon flos-aquae se realizó mediante ciclos de congelación-descongelación y extracción con agua en PBS asistida por ultrasonidos. Se evaluó la capacidad de captura de radicales ABTS y la actividad citotóxica in vitro frente a células de cáncer de mama (HCC1806) y glioma grado IV (U-118 MG). La biomasa residual se empleó para generar biogás. Además, se llevó a cabo un Análisis del Ciclo de Vida (ACV).
Se logró un rendimiento de extracción de ficocianina de 4,19% (p/p). La ficocianina contribuyó a un 22% de la actividad antioxidante total del extracto (0,17 mmolvitC/grDW). En cuanto a la citotoxicidad, la ficocianina fue responsable del 55,5% de la muerte celular en células de glioma (29,9 ± 6,1% a 0,75 mg/mL), mientras que en células de cáncer de mama la ficocianina no tuvo una influencia significativa (80,9 ± 5,1% de mortalidad con 1 mg/mL de extracto). La biomasa residual aumentó la producción de biometano 1,3 veces (447 ± 18 mLCH4/grSV). El ACV confirmó la sostenibilidad de esta biorrefinería en comparación con otras similares, aunque se identificaron limitaciones para el escalado industrial, como la necesidad de reducir los ciclos de congelación-descongelación.
En un análisis conjunto de las cuatro biorrefinerías, las de Dunaliella salina y Aphanizomenon flos-aquae mostraron los mayores rendimientos de extracción de pigmentos (4,3% y 4,2%, respectivamente). Chlospira® lideró en rendimiento de extracción total de biomasa (52,8%). Los extractos de clorofilas de Chlospira® fueron 3,4 veces más antioxidantes que los de Marine Algaemass®. Aunque los extractos de Dunaliella salina fueron 5 veces más antioxidantes que los de Aphanizomenon flos-aquae, esta última presentó un rendimiento de extracción 2,2 veces mayor.
Respecto a la producción de biogás a partir de biomasa residual, Marine Algaemass® obtuvo la mayor producción de biometano, seguida por Aphanizomenon flos-aquae. Considerando la aplicación cosmética y la producción de biometano de forma integrada, la biorrefinería de Aphanizomenon flos-aquae resultó ser la óptima, incluso teniendo en cuenta que el β-caroteno proyecta mejores previsiones de mercado que la ficocianina para 2033.
Las principales conclusiones de esta tesis son:
- Las biorrefinerías de clorofilas (Marine Algaemass® y Chlospira®) requieren protocolos de extracción específicos. Marine Algaemass® destacó en recuperación energética, y Chlospira® en la obtención de clorofilas.
- Se desarrolló un innovador método alcalino para la biorrefinería de β-caroteno de Dunaliella salina, mejorando tanto la capacidad antioxidante de los extractos como la producción de biometano de la biomasa residual.
- Los extractos crudos de ficocianina de Aphanizomenon flos-aquae mostraron mayor poder antioxidante que la C-ficocianina pura y citotoxicidad selectiva en células tumorales humanas, especialmente en células de cáncer de mama. La biomasa residual demostró un gran potencial para la generación de biometano.
Un análisis comparativo sugiere que, aunque Dunaliella salina ofrece mejores proyecciones de mercado, la biorrefinería de Aphanizomenon flos-aquae es la óptima al integrar rendimiento de extracción, previsión de mercado y producción de biometano.
Esta tesis abre nuevas vías de investigación, incluyendo el análisis económico de las biorrefinerías, la caracterización completa de los extractos bioactivos y una prometedora línea de investigación en el campo biomédico para el tratamiento de cáncer de mama y glioma.
