ALGAS diminutas Un recurso natural renovable, abundante y de gran potencial industrial

Juan David Peña Álvarez. Ingeniero Químico. Magíster en Ingeniería con énfasis en Energía. Profesional Investigación y Desarrollo Negocios Energía, Empresas Públicas de Medellín. CIIEN – Centro de Investigación e Innovación en Energía. [email protected]

Carlos Horacio Quiroz Morales. Ingeniero de Sistemas. Especialista en Gerencia de la Información. Profesional Investigación y Desarrollo Negocios Energía, Empresas Públicas de Medellín. CIIEN – Centro de Investigación e Innovación en Energía. [email protected]

En la naturaleza encontramos organismos de todos los tamaños. Entre ellos están las algas microscópicas, un recurso que apenas estamos aprendiendo a aprovechar para propósitos de salud, aseo o energía o para uso industrial en alimentos, cosmética o farmacia. En este artículo presentamos las características generales de estos microorganismos, lo que la ciencia viene haciendo con ellos, el modo como podemos ponerlos al servicio humano y los nuevos productos y servicios que Empresas Públicas de Medellín (EPM) ha desarrollado en asocio con dos universidades.

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CARACTERÍSTICAS Las microalgas son organismos que obtienen su color verde de la clorofila. La presencia de esta sustancia indica que son especies autótrofas, es decir, capaces de elaborar su materia orgánica aprovechando sustancias inorgánicas. Al igual que las plantas superiores, transforman luz solar en energía química, con una eficiencia cuatro veces superior, y esta energía química es empleada para su desarrollo, crecimiento, reproducción y, en menor proporción, para mantener sus estructuras diferenciadas (ver figura 1) (FAO, 1997). Algunas microalgas, además de clorofila, pueden contener otros pigmentos que dan lugar a especies con diferentes coloraciones, como verde-azules, amarillas, pardas, cafés o rojas (ver figuras 2a, 2b, 2c, 2d, 2e y 2f). Son organismos de una sola célula, de estructura menos compleja que las plantas superiores, y pueden existir en forma aislada o en colonias o agregados de células. Existen aproximadamente treinta mil especies distintas y son consideradas uno de los recursos más importantes de la tierra debido a que contribuyen con el balance de oxígeno en el planeta, y participan con casi la mitad de la fotosíntesis global. Además, la energía solar almacenada en forma de compuestos químicos es empleada como fuente de nutrición para los organismos del segundo nivel trófico, como los peces y los animales herbívoros. Un dato interesante es que forman la base de la cadena alimentaria, con más del 70% de la producción mundial de materia orgánica (Wayne, 1993; Wiessner, 1995; Andersen 1997). Dependiendo de la especie, las microalgas pueden tener forma esférica, elíptica, cilíndrica o en espiral. Cuando se integran masas de células individuales forman colonias o aglomerados de células sin forma definida. Su tamaño puede variar en un amplio rango que va desde 1 hasta 100 micras (una micra —representada con el símbolo µm— equivale a la millonésima parte del metro). (ver figuras 3a, 3b y 3c ). Las microalgas existen en casi todos los ambientes conocidos; la mayoría se establece en lugares acuáticos —marinos o de agua dulce—, pero también pueden desarrollarse en terrenos húmedos y en superficies maderables. Algunas especies son poco exigentes

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y pueden establecerse en condiciones extremas, como nieves perpetuas, suelos desérticos, cavernas y lagos salinos, acidulados, alcalinos y con altas temperaturas, aunque la generalidad es que habiten solamente en lugares favorables para su colonización y desarrollo. Los hábitats en medios acuáticos son muy variados y dependen de la cantidad de luz, temperatura y nutrientes, así como de la disponibilidad de dióxido de carbono (CO2) —condiciones que son modificadas por fenómenos de transferencia presentes en el agua, como la turbulencia—. La capacidad adaptativa de las microalgas está determinada por su capacidad de flotación y por su habilidad para absorber rápidamente los nutrientes que emplean en su desarrollo o que, por el contrario, son almacenados en su interior cuando escasean; además, está definida por las características ecológicas, genéticas, fisiológicas y bioquímicas de cada especie. Como deben mantenerse suspendidas en el agua, solo las más pequeñas tienden a ser redondas; las medianas y las más grandes muestran algún grado de alargamiento, prolongaciones, cuernos o espinas. Las microalgas pueden tener estructuras que les permiten flotar a merced de los movimientos del agua, o bien pueden estar dotadas de ventosas en la parte externa, que les facilitan el movimiento a voluntad para buscar nutrientes. Los valores nutricionales de las microalgas son muy altos, ya que ellas están constituidas por polisacáridos, proteínas, carotenos, ácidos grasos poliinsaturados y vitaminas, lo cual favorece su uso para consumo por parte de animales y humanos. Los requerimientos nutricionales son muy variados para cada especie; no obstante, en general, la masa viva de las algas está constituida por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), vitaminas y otros elementos hallados en menor proporción pero que son necesarios para mantenerlas vivas. Además de estos macronutrientes, necesitan micronutrientes como hierro, manganeso, cobalto, zinc y cobre (Grobbelaar, 2004; Molina, 1999).

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FASES DE CRECIMIENTO El proceso de crecimiento de las microalgas exhibe, en general, cinco fases que corresponden al estado nutricional de las células. Tales fases pueden alargarse o acortarse si se manipulan diversos factores como la temperatura, la intensidad de irradiación de la luz, la composición del medio de cultivo, la cantidad inoculada y las características fisiológicas de la microalga. A continuación se describen estas cinco fases. Inducción (entre 1 y 3 días). Las células inician la absorción de nutrientes y la adaptación al medio. No se registra un incremento significativo debido a que las células no se encuentran en las condiciones adecuadas para dividirse, dada la necesidad de ajustarse a las condiciones bioquímicas del cultivo. Fase exponencial (hasta 4 días). Una vez adaptadas, se inicia la multiplicación celular a una velocidad extremadamente rápida y constante. Es un estado ideal para la preparación de inóculos para otros cultivos, ya que la división celular es más rápida que en células tomadas de otras fases. Declinación relativa del crecimiento (entre 1 y 2 días). Las células experimentan una disminución de la velocidad de reproducción celular debido a factores desfavorables en el medio de cultivo, como agotamiento de nutrientes, desajuste del pH, disminución de la intensidad de irradiación solar sobre el cultivo, o autoinhibición por producción de tóxicos. Fase estacionaria. La población de microalgas permanece aproximadamente constante. Su duración es muy corta y, en general, casi imperceptible. Muerte. Las condiciones del cultivo se tornan desfavorables debido al aumento del número de bacterias, hongos y espuma, como producto de la destrucción celular, lo cual conduce al final del cultivo (ver figura 4).

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CULTIVOS ARTIFICIALES Para garantizar el desarrollo de microalgas en cultivos artificiales, se deben proporcionar condiciones similares a las obtenidas en la naturaleza. Estas condiciones son garantizadas por ciertos parámetros que brindan a las células el ambiente bioquímico que requieren para llevar a cabo su desarrollo, crecimiento y mantenimiento. Los parámetros que mayor influencia tienen sobre las microalgas son: intensidad y longitud de onda de irradiación, temperatura, pH, salinidad y aireación, según se describirán a continuación. Iluminación. Es un factor determinante en los procesos de fotosíntesis de las microalgas y se puede ver afectado por las sustancias disueltas o suspendidas en el medio líquido. La fuente de luz puede ser artificial o natural, aunque se prefiere la primera porque la luz solar contiene rayos ultravioleta que pueden ser nocivos para las células. Temperatura. Está directamente relacionada con la tasa de crecimiento de las células; es decir, la multiplicación celular se incrementa cuando aumenta la temperatura hasta un valor óptimo y disminuye drásticamente a temperaturas superiores. La mayoría de las especies de microalgas crecen entre 10 y 35°C, aunque la temperatura óptima es de 16 a 24°C. Salinidad. Es un parámetro que incluye todas las sales inorgánicas disueltas en el medio, considerando además a los carbonatos y bicarbonatos. Las modificaciones de este parámetro influyen muy sutilmente en la productividad de metabolitos primarios, y lo hacen en mayor grado sobre procesos de selección de especies. A pesar de la gran variabilidad del rango de concentración de sales para el crecimiento de la mayoría de las microalgas marinas, es usual reproducirlas en salinidades de aproximadamente 30%. Aireación. Es un parámetro que facilita la difusión efectiva de nutrientes en el medio, mantiene a las microalgas suspendidas y suministra CO2 como fuente de carbono para la fotosíntesis, que además contribuye a la estabilidad del pH del cultivo.

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En condiciones naturales, la mayoría de las microalgas crecen en comunidades mixtas que incluyen varias especies y géneros, además de otros microorganismos. Cuando se encuentran aisladas, las cepas requieren un ambiente adecuado para su crecimiento y desarrollo (Stein, 1973; McLellan, 1991; Becker 1994]. La biotecnología le ha permitido al hombre realizar cultivos de microalgas en medios artificiales, con el fin de aprovechar todos los beneficios que brindan y aplicarlas en múltiples sectores industriales, como el el alimentario, el cosmético, el farmacéutico y recientemente el energético. Los cultivos artificiales para producciones masivas de microalgas se llevan a cabo en dos tipos de biorreactores: los que son abiertos a la atmósfera, con o sin consumo de energía para agitación, y los cerrados, donde las microalgas son recirculadas con tratamientos técnicos que las protegen de factores atmosféricos (Terry, 1985; Tredici, 1999; Sánchez, 1999). Existen múltiples diferencias en las características de estos dos tipos de biorreactores; no obstante, la más importante, cuando se trata de aplicaciones en energía, es la relacionada con costos de producción. En general, la alta inversión inicial en infraestructura y la mayor demanda energética para mantener el medio en las condiciones óptimas para el crecimiento de las microalgas hacen que los costos de producción en un biorreactor cerrado estén entre tres y diez veces por encima de los registrados para biorreactores abiertos. No obstante, la producción de biomasa compuesta por microalgas depende de la luz solar disponible, haciendo que los rendimientos y la productividad sean menores, debido a las variaciones ambientales imposibles de controlar, además de una serie de factores que afectan la producción y la asepsia del cultivo. Los biorreactores cerrados, a pesar de tener mayores costos de producción, permiten alcanzar mayores niveles de producción y rendimiento, y garantizan la reproducibilidad de resultados (ver figuras 5a). Aunque las microalgas en ambientes extremos experimentan una significativa reducción de la producción, en la actualidad cerca del 98% de la biomasa de microalgas producidas en el mundo con fines comerciales se obtiene de biorreactores abiertos, debido principalmente a la capacidad de las especies cultivadas de crecer en ambientes extremos, lo cual minimiza los riesgos de contaminación con otros microorganismos que puedan competir por nutrientes o que se alimenten de ellas.

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Biorreactores abiertos. Son cultivos influenciados por las condiciones ambientales debido a su contacto directo con la atmósfera; se ven afectados por diversos factores, como la presencia e intensidad de luz natural y la temperatura. Por lo general, en este tipo de cultivos las variables que se pueden controlar son las concentraciones de nutrientes, el pH y la agitación. Las demás variables son impuestas por el ambiente natural. La infraestructura de este tipo de cultivos es muy simple y, en general, son sistemas tipo carrusel de agua (ver figura 5b) o estanques seriales también conocidos como sistemas de flujo continuo (raceways) (Pulz, 2001; Carvalho, Meireles, Malcata, 2006). Biorreactores cerrados. También conocidos como fotobiorreactores, son más complejos que los abiertos, pero permiten disminuir sustancialmente los riesgos de contaminación y mejorar el control de variables que son imposibles de controlar en biorreactores abiertos, como la temperatura, la intensidad de la luz y el fotoperiodo, debido a que pueden ser irradiados con luz artificial. Adicionalmente, este tipo de sistemas permite cultivar especies individuales de microalgas por tiempos prolongados (Chisti, 2007).

USOS DE LAS MICROALGAS Las microalgas tienen propiedades particulares que hacen que su cultivo genere gran expectativa dentro de la industria farmacológica, alimenticia y cosmetológica. Duplicación cada 24 horas. Elevada tasa de transformación de nitrato a proteína. Elevado contenido proteico. Composición bioquímica dependiente de las condiciones de cultivo. Escalamiento de cultivo hasta el nivel industrial. Crecimiento autotrófico, heterotrófico/mixotrófico.

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Producción de veinte veces más biomasa que en los cultivos agrícolas tradicionales. Se ha descubierto que pueden tener aplicaciones tan variadas como tratamiento de aguas residuales y producción de alimentos, pigmentos, ácidos grasos poliinsaturados, carbohidratos, enzimas, vitaminas y muchos elementos más. Veamos algunos de estos usos. Alimento para animales Las microalgas son el alimento natural de muchas especies de organismos en acuacultura y la base de las cadenas alimenticias de las que tales especies dependen en su hábitat natural. Son de gran importancia para el cultivo comercial de diversos organismos, como el zooplancton, que son necesarios durante todo el ciclo de vida en la alimentación de organismos bivalvos y peces, e indispensables en las etapas larvarias de crustáceos. Las microalgas poseen valor nutritivo muy alto, dados sus componentes esenciales como pigmentos, ácidos grasos y vitaminas, lo que favorece su empleo en la acuacultura. La Spirulina, por ejemplo, es importante en la alimentación de cultivos de peces como el salmón y el koi, por la coloración que esta microalga les proporciona. Alimentación humana Las microalgas han sido empleadas como fuente de alimento desde tiempos muy remotos. Se estima que su crecimiento en el mar aporta la mitad de la producción primaria del mundo, y se les ha llegado a considerar como el principal recurso biológico que podría llegar a resolver los problemas mundiales de alimentación. En la costa asiática, las algas constituyen un ingrediente diario en la alimentación de sus habitantes (Corea del Sur es el mayor consumidor mundial). La industria alimentaria las ha incorporado a flanes, helados o mermeladas. Existen unas 200 especies de algas usadas para el consumo humano, de las cuales en Japón se usan unas 21, 8 de ellas desde hace más de mil años. Las especies más consumidas son el Nori (Phorphyra), el Kombu (Laminaria) y el Wakame (Undaria). En Japón y China se cultivan unas 11 especies

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de laminariales (como Kombu y Haidai), siendo la más importante de todas la japónica, utilizada con pescados, carnes, sopas y en platos de arroz. También se emplea pulverizada en salsas y se añade al arroz a modo de curri, e incluso se usa como infusión. Compuestos a partir de microalgas Se han desarrollado cultivos para la explotación comercial de compuestos, como proteínas, enzimas, carbohidratos, ácidos grasos, vitaminas, aminoácidos, antioxidantes, colorantes, agentes saborizantes y clarificantes. Asimismo, se puede obtener una amplia variedad de compuestos, como inhibidores de proteasas, ácidos grasos poliinsaturados, polisacáridos mucilaginosos y compuestos metabólicos con actividad contra bacterias y tumores, para regular el colesterol o rebajar la coagulación de la sangre. Las microalgas también se cultivan en forma comercial para obtener productos químicos de alto valor comercial como el betacaroteno; igualmente, son utilizadas para el mejoramiento de suelos agrícolas y para la producción de alimentos naturistas. Usos en medicina El fucoidan es un polisacárido sulfatado que se encuentra en la pared celular de ciertas algas marinas, en donde está asociado a varias actividades biológicas, como el reconocimiento y la adhesión celular. Este tipo de polisacáridos sulfatados son capaces de inhibir la replicación del VIH-1 por la supresión de la formación de células gigantes o por la inhibición de la enzima transcriptasa; también se ha descrito que tiene actividad contra la coagulación de la sangre. Algunos polisacáridos sulfatados, entre los que se incluyen el fucoidan y la carragenina, inhiben la metástasis. La carragenina interfiere directamente con la actividad proteolítica de la pepsina, y puede ser aplicada en el tratamiento de úlceras. Existe una serie de estudios que indican que los polisacáridos sulfatados de algas marinas tienen actividad en el sistema inmunológico sobre células específicas. Considerando la variedad de usos biomédicos que se han descrito sobre los polisacáridos sulfatados aislados de algas marinas,

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podemos confirmar la importancia de estos compuestos, así como de su proyección futura dentro de la terapéutica en el tratamiento de una amplia variedad de enfermedades humanas y animales. Las ventajas que representaría el uso de microalgas para la obtención de reactivos biológicos de alto valor agregado como alternativa al uso de productos provenientes de macroalgas son atractivas y permiten pensar en el desarrollo de una industria biotecnológica. Fertilizantes Este es uno de los usos más antiguos de las algas, bien sea como abono o como estabilizante del suelo. Se usan también en cultivos de papas, alcachofas, cítricos, orquídeas y pastos. Se han comercializado extractos líquidos con estos fines. Las coralinas, algas rojas calcificadas conocidas como maërl, presentan un elevado contenido en carbonatos y se usan como acondicionantes del suelo y para corregir el pH de suelos ácidos. Uso industrial Con la llegada de las nuevas tecnologías, las microalgas pasaron a ser utilizadas industrialmente como fuente de productos químicos, o en la producción de champús y cremas. Hay una amplia gama de productos que se extraen de las algas y cuya variable viscosidad los convierte en compuestos empleados por la industria cosmética, farmacéutica y alimentaria, no como alimentos, sino como aditivos. Estos productos se engloban en tres clases principales: agar, carraginatos y alginatos; los dos primeros se extraen de algas rojas, mientras que el último se obtiene de algas pardas. Uso ambiental Se estima que existen aproximadamente treinta mil especies distintas de microalgas; consideradas responsables de la producción de la materia orgánica que se encuentra en los ecosistemas acuáticos y de casi el 60% de la fotosíntesis total del planeta. Tratamiento de aguas residuales

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Los elementos contenidos en las aguas residuales, como nitratos, amonios, cianuros, fosfatos, sulfuros con elevadas cargas orgánicas y metales pesados, entre otros, se potencializan como un sustrato para el crecimiento de microalgas, las cuales en su proceso metabólico asimilan estos nutrientes y el CO2, depurando las aguas y generando células con contenidos lipídicos (aceitosos). Producción de biocombustibles Biodiesel: Ciertas microalgas, con el fin de flotar y de esta manera captar mejor la luz solar, producen aceites (lípidos) que almacenan entre sus membranas. Es posible extraer estos lípidos y emplearlos como combustible en motores diesel. Bioetanol: Consiste en el cultivo de un tipo de microalgas verde azuladas, denominadas cianobacterias, que se alimentan de CO2 y producen etanol de manera natural. Biomasa: Se entiende por biomasa el volumen de masa de algas generado. Las algas contienen celulosa que se puede emplear para distintos fines, entre ellos el energético, con lo que se obtiene un poder calorífico por kilogramo de biomasa de alga, similar al del carbón. Biopetróleo: Ya hay empresas que desarrollan procesos para obtener biopetróleo a partir de las algas. Se trata de reproducir de manera artificial y acelerada los procesos biológicos que dieron lugar al petróleo de origen fósil. Este biopetróleo mantendría las ventajas y los usos del petróleo actual (combustibles, plásticos y petroquímica), siendo incluso necesario refinarlo, pero evitando sus inconvenientes (contaminación por azufre y otros metales pesados, emisiones de CO2 a la atmósfera, reservas finitas, etc.).

MICROALGAS APLICADAS A LAS NECESIDADES DE EPM Empresas Públicas de Medellín, consciente de la importancia de preservar el medio ambiente, promover el desarrollo de tecnologías limpias y apalancar el crecimiento y la sostenibilidad de la organización con nuevas opciones, además de preservar los negocios actuales promoviendo el uso de recursos renovables, en

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agua y energía, avanza, en alianza con la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB) y la Universidad de Antioquia (U de A), en el desarrollo de proyectos de investigación basados en microalgas para tratar aguas residuales y producir energéticos renovables. En la energía EPM, en asocio con el Grupo de Investigación en Biotecnología, de la Universidad de Antioquia, trabaja en la estructuración y puesta en marcha de un programa de investigación enfocado en la producción industrial de biocombustibles, incorporando avanzadas prácticas biotecnológicas. De acuerdo con la estrategia empresarial y el interés de EPM en incrementar su participación en el mercado nacional y penetrar en mercados internacionales, el desarrollo de actividades de investigación, desarrollo e innovación (I+D+i) en el campo de los biocombustibles es estratégico debido a las grandes posibilidades que tienen para atender sus necesidades en la generación eléctrica y en el mercado. Las microalgas tienen bondades para aplicaciones energéticas, específicamente porque: a) el costo asociado con su cosecha y transporte es relativamente bajo, en comparación con el de otras fuentes de biomasa obtenida en campo; b) en virtud de su pequeño tamaño, pueden ser fácilmente manipuladas para procesos químicos; c) pueden fijar CO2 atmosférico, y de esta manera contribuir con la reducción de los niveles de gases de efecto invernadero; d) son fuente de aceites transformables en biocombustibles; e) los volúmenes de biomasa producida en relación con el tiempo supera ampliamente a cualquier otra especie vegetal; f) no compiten con el sector alimentario; g) su productividad de lípidos es extremadamente alta, comparada con la de especies vegetales actuales (Chisti, 2007). Teniendo en cuenta estos aspectos diferenciadores, EPM emprendió la investigación “Desarrollo de un protocolo de cultivo ‘in vitro’ de microalgas de valor energético. Etapa I”, que tiene como propósito desarrollar un protocolo de producción en laboratorio de microalgas con fines energéticos, para optimizar la producción de biomasa microalgal y de lípidos, empleando fuentes de luz con diferentes longitudes de onda.

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En aguas El empleo de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y sus derivados, hace que las emisiones generen aumento de la concentración de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. Este incremento provoca a su vez un aumento de la temperatura de la tierra a través del proceso conocido como efecto invernadero. De otro lado, los efluentes líquidos (aguas residuales) contienen generalmente altas cargas de materia orgánica y otros contaminantes que causan alteraciones a los seres vivos por la acumulación en la sangre, el cabello, el sistema nervioso y la piel. Las algas presentan varias ventajas técnicas, económicas y ambientales para la depuración de aguas residuales. En general, ellas duplican su biomasa en 24 horas, alcanzando contenidos de aceites alrededor del 80% de su peso seco. Las microalgas tienen la capacidad de producir por lo menos quince veces más lípidos que la palma. Por tanto, se potencializa la producción de biocombustibles y consecuentemente se disminuyen las emisiones de CO2 a la atmósfera. EPM, en asocio con el Centro de Estudios y de Investigación en Biotecnología (CIBIOT) de la UPB, trabaja en la estructuración y puesta en marcha de un programa de investigación y desarrollo de negocios enfocado en la depuración de aguas residuales empleando microalgas, con el que se busca minimizar impactos ambientales en aire y agua, en la medida en que los contaminantes presentes en las aguas residuales se constituyen en los nutrientes requeridos para el crecimiento y desarrollo poblacional de estos microrganismos. La biomasa obtenida del proceso, por sus características lipolíticas, será materia prima para la producción de biocombustibles.

www.propiedadpublica.com.co

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Galería de fotos

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Fotosíntesis de la microalga. Imagen del Investigador.

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Micrografías de microalgas verdes y verde-azules.

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Micrografía de microalgas verdeazules.

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\http://www.e-energymarket.com/news/singlenews/article/repsol-and-iberdrola-leadingresearch-into-using-microalgae-for-energy.html

http://www.duiops.net/seresvivos/cianoficeas. html

Micrografía de microalgas verdes.

http://www.igb.fraunhofer.de/en/press-media/ archive/2000/red-lips-from-algae.html

Micrografía de microalgas amarillas y pardas

http://coralreef.noaa.gov/aboutcorals/coral101/ symbioticalgae/

Microalgas individuales: Espirulina.

http://ndsalud.blogspot.com/2011_02_01_ archive.html

2b

2e

3b

Micrografía de microalgas rojas y pardas.

http://www.igb.fraunhofer.de/en/press-media/ archive/2000/red-lips-from-algae.html

Micrografía de microalgas rojas

http://www.febico.com/es/page/FL-1-RedAlgae.html

Microalgas individuales: Chlorella.

http://bioreactorcrc.wordpress. com/2011/05/06/diseo-de-foto-bioreactorespara-el-cultivo-micro-algas-oleaginosas-parte-1teora-y-generalidades/

Galería de fotos

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Microalgas individuales: en colonias o aglomeradas.

http://www.biodieselnow.com/b/site/ archive/2010/03/16/daily-news-03-16-10.aspx

Biorreactor cerrado

http://cci-calidad.blogspot.com/2010/11/ columnas-de-fotorreacccion-para-algas.html

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Fases de crecimiento de las microalgas. Imagen del Investigador.

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Biorreactor abierto. Imagen del Investigador.

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