Biorrefinería microalgal destinada a la producción sustentable de aceites óptimos para biodiésel y sílice amorfa como un co-producto de valor agregado

Abstract

El aumento de la demanda energética, el agotamiento de las reservas de combustibles fósiles y sus efectos ambientales negativos, han impulsado la producción mundial de biodiésel. Tradicionalmente, este biocombustible se obtiene de aceites de semillas comestibles, lo que compite con la producción de alimentos. Las microalgas oleaginosas, que almacenan altos contenidos de lípidos neutros (LN), específicamente triglicéridos (TAG), emergen como una fuente potencial para biodiésel. Esta tesis evalúa el potencial uso de la diatomea marina Halamphora coffeaeformis, aislada del estuario de Bahía Blanca, como una fuente sustentable de aceites para biodiésel bajo un concepto de biorrefinería. Los objetivos específicos incluyeron: 1) determinar condiciones óptimas de crecimiento a escala de laboratorio para el escalamiento a cielo abierto; 2) desarrollar cultivos en piletas raceways a cielo abierto; 3) definir estresores para la acumulación de TAG; 4) determinar cantidad y calidad de lípidos; 5) estimar propiedades del biodiésel; 6) realizar un seguimiento ultraestructural de la acumulación de TAG en cultivos a cielo abierto y 7) analizar las paredes celulares o frústulos para aplicaciones biomédicas. Bajo condiciones de laboratorio, H. coffeaeformis mostró ser euritolerante, con un rango de tolerancia de 5ºC a 30°C y de 5‰ a 95‰ de salinidad, y con un crecimiento óptimo entre 20-25 ºC y una salinidad de 20‰. El estrés salino a 45‰ incrementó la acumulación de LN y el porcentaje del ácido graso palmitoleico (C16:1ω-7), un ácido graso monoinsaturado preciado para la producción de biodiésel por brindar ventajas relacionadas con su viscosidad cinemática, especialmente en climas fríos. La relación Si:N de 0,5 favoreció el crecimiento de la cepa, mientras que una relación Si:N de 0,125 promovió una rápida acumulación de LN. Para el escalamiento de los cultivos a piletas de tipo raceways se prepararon inóculos en fotobiorreactores. Los cultivos en piletas raceways a cielo abierto, realizados en verano y primavera del 2021, se basaron en agua de mar, obtenida del estuario de Bahía Blanca, enriquecida con un biofertilizante y silicatos. La velocidad de crecimiento y productividad de biomasa fueron similares en ambas estaciones del año. El contenido de lípidos totales alcanzó aproximadamente 45% y 36% del peso seco libre de cenizas en verano y primavera, respectivamente. La salinidad fue el principal estresor que aceleró la acumulación de TAG. El perfil de ácidos grasos de esta especie cumple con estándares internacionales para biodiésel, asegurando buen rendimiento en climas fríos. Adicionalmente, la productividad lipídica (~25,6 kg ha-1 día 1) superó al cultivo de soja. El análisis ultraestructural y de fluorescencia realizado a lo largo del cultivo de primavera permitió efectuar un seguimiento del origen y formación de los puntos de acumulación de TAG a nivel celular. La principal acumulación de TAG ocurrió en gotas lipídicas citoplasmáticas, durante la fase estacionaria tardía; mientras que los plastoglóbulos representaron sitios de acumulación cloroplástica de TAG. Finalmente, se evaluaron las propiedades fisicoquímicas y la biocompatibilidad de las paredes celulares o frústulos de H. coffeaeformis para aplicaciones biomédicas. Frústulos de cultivos en fotobiorreactor (F-FBR) y piletas raceway (F-RAC) fueron sometidos a oxidación y calcinación, mostrando cambios significativos en composición y propiedades superficiales. Los F-FBR y F-RAC a 300ºC tuvieron mayor área BET, y los F-FBR presentaron mejor estabilidad en medio acuoso. Las pruebas de fragilidad osmótica mostraron que los frústulos de la cepa estudiada presentan una buena compatibilidad con eritrocitos humanos, crucial para su uso en aplicaciones biomédicas, como la administración de medicamentos. En conclusión, los cultivos de H. coffeaeformis representan una fuente sustentable y renovable de TAG de calidad para la producción de biodiésel y de sílice biogénico con potenciales aplicaciones biomédicas. Bajo un concepto de biorrefinería, este estudio aporta resultados de base para avanzar hacia la optimización de cultivos bioenergéticos, particularmente en regiones áridas y/o semiáridas, con acceso a agua de mar.

The increase in energy demand, the depletion of fossil fuel reserves and the negative environmental effects associated with their use have driven global biodiesel production. Traditionally, this biofuel is obtained from edible seed oils, which competes with food production. Oleaginous microalgae, which store high contents of neutral lipids (NL), specifically triglycerides (TAG), emerge as a potential biodiesel source. This thesis evaluates the potential use of the marine diatom Halamphora coffeaeformis, isolated from the Bahía Blanca estuary, as an oil sustainable source f for biodiesel under a biorefinery concept. The specific objectives included: 1) determining optimal growth conditions at the laboratory scale for scaling up to outdoor systems; 2) developing cultures in outdoor raceway ponds; 3) defining stressors for TAG accumulation; 4) determining lipid quantity and quality; 5) estimating biodiesel properties; 6) performing ultrastructural monitoring of TAG accumulation in outdoor cultures; and 7) analyzing cell walls or frustules for biomedical applications. Under laboratory conditions, H. coffeaeformis proved to be eurytolerant, with a tolerance range of 5ºC to 30ºC and salinity from 5‰ to 95‰, and optimal growth between 20-25ºC and a salinity of 20‰. Saline stress at 45‰ increased NL accumulation and the percentage of palmitoleic acid (C16:1ω-7), a monounsaturated fatty acid valued for biodiesel production due to its kinematic viscosity advantages, especially in cold climates. The Si:N ratio of 0.5 favored strain growth, while a Si:N ratio of 0.125 promoted rapid NL accumulation. The scaling up of cultures to raceway ponds was carried out in photobioreactors. Open-air pond cultures, conducted in the summer and spring of 2021, were based on seawater obtained from the Bahía Blanca estuary, enriched with a biofertilizer and silicates. Biomass growth rate and productivity were similar in both seasons. Total lipid content reached approximately 45% and 36% of the ash-free dry weight in summer and spring, respectively. Salinity was the main stressor accelerating TAG accumulation. The fatty acid profile of this species meets international biodiesel standards, ensuring good performance in cold climates. Additionally, lipid productivity (~25.6 kg ha-1 day-1 ) surpassed that of soybean cultivation. Ultrastructural and fluorescence analysis conducted throughout the spring culture allowed tracking the origin and formation of TAG accumulation points at the cellular level. The main accumulation of TAG occurred in cytoplasmic lipid droplets during the late stationary phase, while plastoglobules represented TAG accumulation sites at the chloroplastic level. Finally, the physicochemical properties and biocompatibility of H. coffeaeformis cell walls or frustules for biomedical applications were evaluated. Frustules from photobioreactor cultures (F-FBR) and raceway ponds (F-RAC) were subjected to oxidation and calcination, showing significant changes in composition and surface properties. F-FBR and F-RAC at 300ºC had a higher BET surface area, and F-FBR showed better stability in an aqueous medium. Osmotic fragility tests showed that the frustules of the studied strain present good compatibility with human erythrocytes. In conclusion, H. coffeaeformis cultures represent a sustainable and renewable source of high-quality TAG for biodiesel production and biogenic silica with potential biomedical applications. Under a biorefinery concept, this study provides baseline results to advance towards the optimization of bioenergy crops, particularly in arid and/or semi-arid regions with access to seawater.