maestría en ciencias - utm.mx y... · lípidos de microalgas 5. pigmentos y proteínas de...
TRANSCRIPT
Maestría en Ciencias Productos Naturales y Alimentos
Biorrefinado basado en microalgas - Desde los biocombustibles a los productos naturales
( Yen et al ., 2012)
Huajuapan de León , Oax. Diciembre de 2012
PRESENTA: Analleli Jiménez Durán
Contenido
1. Introducción
2. Objetivo
3. Carbohidratos de microalgas
4. Lípidos de microalgas
5. Pigmentos y proteínas de microalgas
6. Conclusiones
1
1. Introducción
2
Reservas
90 % 10
%
Contaminación (CO2)
Chen, C.Y., Yeh, K.L., Aisyah, R., Lee, D.J., Chang, J.S. Cultivation, photobioreactor design and harvesting of microalgae for biodiesel production: a critical review. Bioresour. Technol. 1 2011 02, 71–81.
1. Introducción
3
El CO2 producido
Plantas
Algas
A través de la fotosíntesis (ciclo de Calvin).
Tienen un crecimiento mayor de células y la tasa de fijación de CO2 es alrededor de 10-50 veces más que las plantas.
La fijación de CO2 se acompaña de la producción de biomasa de microalgas.
Se convierte en una variedad de biocombustibles, pigmentos, cosméticos, alimentos nutritivos y alimentos para animales.
Ho, S-H., Chen, C-Y., Lee, D-J., Chang, J-S.Perspectives on microalgal CO2-emission mitigation systems – a review. Biotechnol. Adv. 2011. 2 9, 189–198.
4
1. Introducción
Algas
Rendimiento Alto contenido de aceites en algunas
cepas Requiere poco agua Se produce en tierras infértiles
VENTAJAS
EMPRESAS Exxon BP Chevron Shell Neste oil
Inv
iert
en
Hidratos de carbono Lípidos Ácidos grasos poliinsaturados Pigmentos Proteínas
OTROS COMPONENTES VALIOSOS
5
1. Introducción
Instalación y operación costosos Contaminación Bacterias o algas extrañas Suministro de luz y tiempo
inestable
PROBLEMAS
Biorefinado
Se requiere la consecución de buenas cepas para un cultivo de microalgas estables y sostenibles. Para la acumulación de sus componentes de interés se requieren condiciones diferentes de cultivo y de operación.
6
Enfoque innovador de aprovechamiento de microalgas
1. Introducción
Una etapa de un método de transesterificación para la producción de biodiesel de microalgas húmedas que contienen aceites
Análisis de ciclo de vida, balance energético, evaluación de los costos y los impactos ambientales.
2. Objetivo
7
Proporcionar un informe completo sobre la producción y aplicación de los productos naturales o refinado de microalgas, con el fin de ayudar a la mayor utilización de la biomasa (también conocido como una materia prima de tercera generación) para diferentes propósitos.
8
Acumulan un contenido alto de carbohidratos (50 % de su peso seco)
Almidón Glucosa Celulosa/hemicelulosa Polisacáridos
Producción de biocombustibles (bioetanol e hidrogeno)
Importante en la células de las algas
3. Carbohidratos de microalgas
9
3. Carbohidratos de microalgas
POLISACARIDOS DE MICROALGAS
Nuevos materiales bioactivos
Estructuras nuevas y distintas funciones biológicas
Contienen esteres de sulfato.Tienen aplicaciones medicas
Fucoidan Carragenano Agaranos
Alimentos Cosméticos Textiles Estabilizadores Fármacos clínicos ... APLICACIONES
10
3.Carbohidratos de microalgas
Los polisacáridos sulfatados de algas han demostrado que exhiben una amplia gama de actividad farmacológica, incluyendo actuar como antioxidante, antitumoral, anticoagulantes, agentes antiinflamatorios, antivirales e inmunomoduladoras como se muestra en la tabla 1.
Chen, B., You, W., Huang, J., Yu, Y., Chen, W. Isolation and antioxidant property of the extracellular polysaccharide from Rhodella reticulata. World J. Microbiol. Biotechnol. 2010. 26, 833–840.
Los polisacáridos sulfatados de microalgas, modulan el sistema inmune a través de la activación de las funciones de los macrófagos.
11
11
Microalgas polisacáridos sulfatados
actividad antiviral
Haematococcus lacustris
Estimula los macrófagos murinos para secretar la citoquina pro-inflamatoria
Microalga roja Porphyridium sp
Usado en tratamientos anti-inflamatorios de la piel debido a su capacidad para inhibir la migración y adhesión de leucocitos polimorfonucleares
Tannin-Spitz, T., Bergman, M., van-Moppes, D., Grossman, S., Arad, S. Antioxidant activity of the polysaccharide of the red microalga Porphyridium sp. J. Appl. Phycol. 2005. 17, 215–222.
3.Carbohidratos de microalgas
4. Lípidos de microalgas
12
De las algas el 30 – 50% de su peso seco son lípidos, bajo condiciones de stress variado.
Ácidos grasos de 14-20 átomos de carbono, usado para la producción de biodisel.
Ácidos grasos poli-insaturados (con más de 20 átomos de carbono), utilizados como suplementos para la salud.
Clasificación
Para la producción de biodisel, se considera:
El contenido de lípidos. La tasa de producción de biomasa. Su número de carbonos debe estar en el intervalo
de 14-20
13
4.Lípidos de microalgas
Ácidos grasos poliinsaturados
El ácido eicosapentaenoico (EPA, 20:5, ω-3). El ácido docosahexaenoico (DHA, 22:6, ω-3).
Spolaore, P., Joannis-Cassan, C., Duran, E., Isambert, A. Commercial applications of microalgae. J. Biosci. Bioeng. 2006. 101, 87–96.
(Triacilglicerol y almidón)
4.1 Biosíntesis de lípidos en el metabolismo microalgas
Biodisel y bioetanol
14
14
4.Lípidos de microalgas
En la Figura, hay tres principales pasos en la vía de síntesis de triacilglicerol.
(1) La conversión de acetil-CoA a malonil-CoA, catalizada por la acetil-CoA carboxilasa (ACCasa).
a). CO2 se transfiere a nitrógeno. b). CO2 activado se transfiere de biotina a acetil-CoA para formar malonil-CoA (2) La elongación de la cadena de carbono de ácidos grasos. a). Condensa moléculas de malonil-CoA y acetil-CoA, (3) La formación de TAG.a). a). La ACP tioesterasa-escinde la cadena de acilo y libera el ácido graso
15
Los sistemas de cultivo, las características de crecimiento y la composición de las microalgas dependen:
• Factores ambientales
• Composición del medio
Evaluación del rendimiento de la producción
Contenido de lípidos (% Lípido por peso seco de biomasa)
La productividad de lípidos (cantidad de lípidos por litro de
volumen de trabajo por día)
Factores que influyen en la eficiencia de la producción de lípidos:
• Temperatura
• Disponibilidad de la fuente de nitrógeno
• La intensidad de iluminación de luz
Diferencia en la cobertura de la longitud de onda, afecta el crecimiento
4.Lípidos de microalgas
4.2 Estrategias para mejorar la producción de lípidos de microalgas
16
Acumulación de lípidos en las microalgas
Cultivo bajo condiciones de
estrés
Estímulos físicos
• Temperatura • Intensidad de la luz
Estímulos químicos • pH • la salinidad • sales minerales • fuente de nitrógeno
(Hu et al., 2008).
Hu, Q., Sommerfeld, M., Jarvis, E., Ghirardi, M., Posewitz, M., Seibert, M., Darzins, A., 2008. Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances. Plant J. 54, 621–639.
4.Lípidos de microalgas
4.2 Estrategias para mejorar la producción de lípidos de microalgas
17
4.3 La producción de biodiesel a partir de lípidos de las microalgas
4.Lípidos de microalgas
Buena fuente para la producción de biodisel, alto contenido de lípidos, la tasa de crecimiento rápido y de gran capacidad de producción de lípidos.
Figura 2. Tansesterificación de triglicérido.
Catálisis alcalina (NaOH, KOH) ≈ 400 más rápida que catálisis ácida.
18
4.3 La producción de biodiesel a partir de lípidos de las microalgas
4.Lípidos de microalgas
Las ventajas del uso de las microalgas como una fuente de materia prima del biodiesel:
El crecimiento de microalgas , puede ser duplicado dentro de 24 h
19
4.3 La producción de biodiesel a partir de lípidos de las microalgas
4.Lípidos de microalgas
Difícil
Costoso
Cosecha Extracción de aceite
Deshidratación Concentración de
biomasa
Extracción en húmedo con metanol (Se ha logrado con una humedad hasta de 90%).
Uso de polvos secos de microalgas.
Estrategias
20
4.3 Ácidos grasos poliensaturados
4.Lípidos de microalgas
PUFAs
Confieren propiedades Flexibilidad Fluidez Permeabilidad
Estrategia para la producción: Determinación alta de EPA y DHA
en el rendimiento de cepas Manipulación genética Optimalización de condiciones de
cultivo Cambios en la aireación
Contienen 3 o más dobles enlaces
El ácido eicosapentaenoico (EPA, 20:5, ω-3).
El ácido docosahexaenoico (DHA, 22:6, ω-3).
21
4.3 Ácidos grasos poliensaturados
4.Lípidos de microalgas
Los datos de la productividad y el rendimiento que se muestran en las Tablas 2 y 3 revelan que
la producción de EPA y DHA por las algas es un reemplazo potencial para la extracción convencional de EPA y DHA a partir de carnes de pescado.
22
El aspecto colorido de las algas se deriva de sus pigmentos que absorben la luz visible e inician reacciones de la
fotosíntesis.
Clases de pigmentos fotosintéticos
Hall, D.O., Rao, K.K., 1999. Photosynthetic apparatus, 6th ed. In: Photosynthesis, The Press Syndicate of The University of Cambridge, pp. 33–57.
La clorofila es un pigmento que absorbe la energía de las longitudes de onda azul-violeta y naranja-rojo.
Sirve como donador primario de electrones en la cadena de transporte de electrones.
5. Los pigmentos y proteínas a partir de microalgas
23
5. Los pigmentos y proteínas a partir de microalgas
Se encuentra en laminillas de cloroplasto, donde la
porfirina se une a las capas de proteína, y un fitol se
extiende en las capas lipídicas.
Son pigmentos verdes que contienen:
• Una porfirina (tetrapirrol anillo)
• Un átomo de magnesio central
• Cadenas laterales
• Una cola fitol
Algas verdes • Tienen el más alto contenido de clorofila • Pertenece a la especie Chlorella
Chlorella es producido en todo el mundo, con una producción anual de 2.000 toneladas métricas de polvo seco
5.1 Clorofilas
24
El contenido de feofórbido en los alimentos está regulada por
las normas de higiene.
Los niveles han sido establecidos por el Departamento de
Salud de:
Taiwán ( <0,8 mg / g de Chlorella y <1 mg / g de Spirulina) y
Japón (0,8 mg / g) .
• Reacciones que causa: • Alérgica en humanos • Inflamación • Erupción roja en la
piel.
Las características fotosensibilizador de feofórbido significa que se ha aplicado en la terapia fotodinámica (PDT) desde la década de 1990 .
• Feofórbido a es un derivado de clorofila obtenido a partir de la eliminación de la fitol y el átomo de magnesio central.
5. Los pigmentos y proteínas a partir de microalgas
5.1 Clorofilas
25
Usos del Feofórbido basada PDT:
• Tratamiento de sarcoma uterino humano line MES-SA
• Adenocarcinoma de colon humano
Fuente de luz con la longitud de onda apropiad
excita Fotosensibilizador Produce una especie de oxígeno reactivo
El oxígeno singlete reactivo reacciona rápidamente
Estas reacciones destructivas eliminen al objetivo, tales como cánceres malignos (apoptosis o necrosis)
Los tres componentes principales de las modernas aplicaciones PDT son: Fotosensibilizadores, fuentes de luz y oxígeno tisular.
Chen, B., You, W., Huang, J., Yu, Y., Chen, W., 2010. Isolation and antioxidant property of the extracellular polysaccharide from Rhodella reticulata. World J. Microbiol. Biotechnol. 26, 833–840. Busch, T.M., Cengel, K.A., Finlay, J.C., 2009. Pheophorbide a as a photosensitizer in photodynamic therapy: in vivo considerations. Cancer Biol. Therapy 8, 540–542.
• Hepatoma humano (células Hep 3B)
• El cáncer de páncreas de rata
5.1 Clorofilas
5. Los pigmentos y proteínas a partir de microalgas
26
5.2 Carotenoides
5.Pigmentos y proteína de microalgas
CAROTENOIDES
Terpenoides (40 carbonos)
Fotoprotectora contra daños Foto-Oxidantes
Color: Amarillo Naranja
Rojo
27
5.Pigmentos y proteína de microalgas
5.2 Carotenoides
Prevención: • Inflamación crónica • Enfermedades oculares • Enfermedades de la piel • Cardiovascular • Cáncer • Diabetes
Astaxantina
Antioxidante
Debido a esto se tiene: • Suplemento dietético • Cosméticos • Alimentos
Inhibidor potente de oxigeno reactivo y especies nitrogenados
Son 10 veces mayor que el β-Caroteno y 500 veces mas que los α-Cotoferol
28
5.Pigmentos y proteína de microalgas
5.2 Carotenoides
Fuente de astanxantina
Camarones
Microalgas Levaduras plancton
La producción es mejor
La producción de astanxantina en EE.UU se estimó $ 200 millones en 2004
29
Las Ficobilinas
Ficobilinas se unen covalentemente a los polipéptidos
para formar solubles en agua ficobiliproteínas.
Los ficobilinas más ficobiliproteínas dan un espectro
de absorción distinto, que van desde 460 hasta 670
nm, en el que la clorofila a tiene una baja absorción.
5.Pigmentos y proteína de microalgas
5.3 Ficobilinas / ficobiliproteínas a partir de algas
30
Alta energía son las Phycoerythrins (PES) o phycoerythrocyanins
(PEC), con su 480-580 nm;
Energía Intermedia son Ficocianinas (PC), 600-640 nm principal,
Las de Bajo consumo son Allophycocyanins (APC), 620-660 nm.
Ficobiliproteínas, por su
energía ficobilina
(espectros de absorción):
• Las Ficobiliproteinas purificadas son altamente fluorescente porque no hay aceptores cercanos para recibir la energía obtenida.
• Tienen varias características tales: • Como una absorción ancha en un espectro de luz visible • Un alto coeficiente de extinción • Alta eficiencia cuántica de fluorescencia • Desplazamiento de Stokes grande • Extinción de la fluorescencia muy poco.
5.Pigmentos y proteína de microalgas
5.3 Ficobilinas / ficobiliproteínas a partir de algas
6. Conclusiones 31
Los componentes de microalgas son valiosos, con una amplia gama de aplicaciones. Los hidratos de carbono de microalgas se consideran una materia prima adecuada para el crecimiento microbiano y para la producción de diversos productos de fermentación. El alto contenido de lípidos en la biomasa de algas hace que se rentable la producción de biodiesel, mientras que los relacionados con la cadena larga de ácidos grasos, pigmentos y proteínas, tienen sus propias aplicaciones nutracéuticos y farmacéuticas. Por lo tanto, los procesos de biorrefinado de microalgas merecen nuevas investigaciones.
Gracias