Biorrefinería a partir de la microalga Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM: Producción de lípidos y pigmentos - Sánchez García, León (Universidad Autónoma Metropolitana, 2025)
En el contexto del cambio climático y la disminución de reservas de petróleo, la búsqueda de energías renovables y sostenibles ha llevado a explorar alternativas como los biocombustibles derivados de microalgas. Las microalgas, especialmente Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM, destaca por su capacidad para acumular lípidos y metabolitos de alto valor comercial. Esta tesis doctoral evalúa el potencial de Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM en la producción de biodiesel y otros compuestos de interés bajo el concepto de biorrefinería, integrando procesos técnicos y económicos para mejorar la viabilidad a escala industrial. Para aumentar el contenido de lípidos en la biomasa se evaluó la acidificación controlada del medio de cultivo a pH 5.5, combinada con limitación de nitrógeno, demostró ser una estrategia efectiva para incrementar la acumulación de lípidos en Scenedesmus obtusiusculu AT-UAM. En condiciones controladas en el Fotobiorreactor de Placas Planas (FPP), se alcanzó un 60% de lípidos con respecto al peso seco y una productividad de 85 mglípidos L⁻¹ d⁻¹, duplicando los valores obtenidos solo con la limitación de nitrógeno y sin acidificación. Esta estrategia también fue validada en los sistemas Fotobiorreactor de Columna de Burbujeo (FCB) y Raceway Pond (RWP) operados en la intemperie bajo condiciones de limitación de nitrógeno, donde el contenido lipídico aumentó de 24% a 45% del peso seco, cuando se aplicó la acidificación controlada y limitación de nitrógeno. Los análisis ultraestructurales revelaron cambios significativos en la pared celular y los cloroplastos bajo condiciones de estrés (limitación de nitrógeno), lo que sugiere una adaptación metabólica hacia la síntesis de lípidos. Estos resultados respaldan el potencial de Scenedesmus obtusiusculus para la producción sostenible de biodiesel, aunque se requiere optimizar el balance entre productividad de biomasa y acumulación de lípidos en escalas mayores, así como, el aprovechamiento de otros productos de interés como los pigmentos. Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM mostró capacidad para acumular luteína (4.2 mg g⁻¹ en condiciones óptimas), un carotenoide de alto valor comercial. La limitación de nitrógeno redujo el contenidode luteína (3.8 mgluteína gbiomasa⁻¹). Entre los métodos de disrupción evaluados, el disruptor de perlas de vidrio fue el más eficiente (92% de eficiencia), seguido por criomolienda (47%) y sonicación (20%). Estos resultados destacan la importancia de seleccionar técnicas de ruptura celular escalables y económicas para maximizar la recuperación de pigmentos. La integración de la producción de luteína en un esquema de biorrefinería podría mejorar la viabilidad económica considerando además el uso de corrientes residuales de otros procesos como los gases de combustión. El cultivo de Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM en sistemas abiertos (RWP) y sistemas híbridos (FBRH) confirmó su tolerancia a condiciones variables de intemperie y a diferentes concentraciones de CO₂ (hasta 5%). La microalga mostró una tasa de fijación de CO₂ de 0.95 g L⁻ 1 d⁻¹, con productividades de biomasa de 36 mg L⁻¹ d⁻¹ en RWP. El uso de medios alternativos (fertilizantes foliares) redujo costos sin afectar el crecimiento, mientras que la floculación con quitosano demostró ser efectiva para la cosecha. Estos resultados apoyan el potencial de Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM para su aplicación en el tratamiento de gases de combustión, no obstante, se requieren mejoras en la integración de los sistemas para escalar el proceso y garantizar su eficiencia. En este sentido se realizó la evaluación de un modelo de biorrefinería con el software SuperPro Designer v10®, basado en la producción simultánea de lípidos, luteína y biomasa residual, mostró viabilidad técnica y económica a partir de un análisis de costos de inversión, costos de operación y un análisis de prefactibilidad. Lo anterior, sustentado en los indicadores financieros como el retorno sobre la inversión del 18.35 %, VPN positivo (USD 2 millones), una TIR de 8.36%, con un periodo de recuperación de la inversión de 5.45 años. Sin embargo, se identificó que el costo unitario de la producción de luteína debe mejorase a través de la optimización del proceso y en el escalamiento. Este trabajo establece las bases para un Análisis TecnoEconómico aplicable a un modelo de biorrefinerías de microalgas, donde un escalamiento exitoso dependerá de integrar estratégicamente los procesos de cultivo, operación, purificación, valorización de subproductos y estudios de mercado. Este modelo se posiciona como una solución sostenible que combina bioenergía y economía circular, ofreciendo una alternativa viable ante los desafíos climáticos y energéticos globales.; In the context of climate change and declining petroleum reserves, the search for renewable and sustainable energy sources has led to the exploration of alternatives such as microalgae-derived biofuels. Microalgae, particularly Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM, stand out for their ability to accumulate lipids and high-value metabolites such as pigments (lutein). This doctoral thesis evaluates the potential of Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM for biodiesel production and other valuable compounds within a biorefinery framework, integrating technical and economic processes to enhance industrial viability. To increase lipid content in the biomass, controlled acidification of the culture medium to pH 5.5 combined with nitrogen limitation proved to be an effective strategy for enhancing lipid accumulation in Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM. Under controlled conditions (flat panel photobioreactors, FPP), lipid content reached 60% (85 mg L⁻¹ d⁻¹), doubling the values obtained without acidification. This strategy was also validated in outdoor systems (bubble column photobioreactors, FCB and raceway ponds, RWP), where lipid content increased from 24% to 45%. Ultrastructural analyses revealed significant changes in cell walls and chloroplasts under stress conditions, suggesting a metabolic adaptation toward lipid synthesis. These results support the potential of Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM for sustainable biodiesel production, although optimization of the balance between biomass productivity and lipid accumulation at larger scales is required, along with the utilization of other valuable products such as pigments. Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM demonstrated the ability to accumulate lutein (4.2 mg g⁻¹ under optimal conditions), a highvalue carotenoid. Nitrogen limitation reduced lutein concentration (3.8 mg g⁻¹) but increased extraction efficiency due to changes in cell wall structure. Among the cell disruption methods evaluated, bead milling was the most efficient (92% efficiency), followed by cryogrinding (47%) and sonication (20%). These results highlight the importance of selecting scalable and cost-effective cell disruption techniques to maximize pigment recovery. The integration of lutein production into a biorefinery scheme could improve economic viability, particularly when considering the use of residual streams from other processes such as flue gases. The cultivation of Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM in open systems (RWP) and hybrid systems (FBRH) confirmed its tolerance to variable outdoor conditions and different CO₂ concentrations (up to 5%). The microalgae showed a CO₂ fixation rate of 0.95 kg m⁻³ d⁻¹, with biomass productivities of 36 mg L⁻¹ d⁻¹ in RWP. The use of alternative culture media (foliar fertilizers) reduced costs without affecting growth, while chitosan flocculation proved effective for biomass harvesting. These results support the potential of Scenedesmus obtusiusculus AT-UAM for bioremediation and carbon capture applications, although reactor design adjustments are needed for process scaling. In this context, an evaluation was conducted of a proposed biorefinery model based on the simultaneous production of lipids, lutein, and residual biomass, which demonstrated both technical and economic viability. This was supported by key financial indicators including an 18.35% return on investment (ROI), positive NPV (USD 2 million), an IRR of 8.36%, and a payback period of 5.45 years. However, it was identified that the unit production cost of lutein needs improvement through process optimization and scaling. This work establishes the foundation for a TechnoEconomic Analysis applicable to a microalgae-based biorefinery model, where successful scaling will depend on the strategic integration of cultivation processes, operations, purification, byproduct valorization, and market studies. The model positions itself as a sustainable solution that combines bioenergy and circular economy principles, offering a viable alternative to address global climate and energy challenges