Botryococcus braunii es una microalga planctónica verde, de forma piramidal, que tiene una gran importancia potencial en el campo de la biotecnología . Hasta 2024 se consideraba que tenía tres razas: A, B y L., pero luego se determinó que se trataba de tres especies separadas. [1] Las colonias se mantienen unidas por una matriz de biopelícula lipídica y se pueden encontrar en lagos y estuarios oligotróficos templados o tropicales , y florecerán cuando estén en presencia de niveles elevados de fósforo inorgánico disuelto. La especie es notable por su capacidad para producir altas cantidades de hidrocarburos , especialmente aceites en forma de triterpenos , que suelen rondar el 30-40% de su peso seco. [2] En comparación con otras especies de algas verdes, tiene una pared celular relativamente gruesa que se acumula a partir de divisiones celulares anteriores; lo que dificulta bastante la extracción de componentes citoplasmáticos . Gran parte del aceite de hidrocarburo útil está fuera de la célula. [3]
Se ha demostrado que Botryococcus braunii crece mejor a una temperatura de 23 °C, una intensidad de luz de 60 W/m 2 , con un período de luz de 12 horas al día y una salinidad de 0,15 molar de NaCl. [4] Sin embargo, estos fueron los resultados de las pruebas con una cepa, y otras ciertamente varían en algún grado. En el laboratorio, B. braunii se cultiva comúnmente en cultivos de medio Chu 13 .
Se ha demostrado que las floraciones de Botryococcus braunii son tóxicas para otros microorganismos y peces. Se ha estudiado la causa de las floraciones y su posterior daño a las poblaciones de otros organismos. Se ha identificado como causa el exudado de Botryococcus braunii en forma de ácidos grasos libres. Una alcalinidad más alta transforma estos ácidos grasos libres en una forma que es más tóxica para otras especies, lo que hace que Botryococcus braunii se vuelva más dominante. La alcalinidad más alta se produce a menudo cuando las cenizas de las áreas quemadas se lavan en un cuerpo de agua. Si bien el predominio de Botryococcus braunii puede considerarse perjudicial para la diversidad ambiental de un cuerpo de agua, el conocimiento de cómo obtiene y mantiene el predominio es útil para quienes tienen la intención de cultivar estanques de este hongo como cultivo para combustible. [ cita requerida ]
La práctica de cultivar especies de algas se conoce como algacultura . Botryococcus braunii tiene un gran potencial para la algacultura debido a los hidrocarburos que produce, que pueden convertirse químicamente en combustibles. Hasta el 86% del peso seco de Botryococcus braunii puede ser hidrocarburos de cadena larga. [5] La gran mayoría de estos hidrocarburos son aceites de Botryococcus: botryococcenes, alcadienos y alcatrienos. La transesterificación no se puede utilizar para hacer biodiésel a partir de aceites de Botryococcus . [ cita requerida ] Esto se debe a que estos aceites no son aceites vegetales en el sentido común, en el que son triglicéridos de ácidos grasos . Si bien los aceites de Botryococcus son aceites de origen vegetal, no son comestibles y químicamente muy diferentes, al ser triterpenos , y carecen del átomo de oxígeno libre necesario para la transesterificación. Los aceites de Botryococcus se pueden utilizar como materia prima para el hidrocraqueo en una refinería de petróleo para producir octano ( gasolina ), queroseno y diésel . [6] (ver refinación de aceite vegetal ). Los botryococcenos se prefieren a los alcadienos y alcatrienos para el hidrocraqueo, ya que los botryococcenos probablemente se transformarán en un combustible con un índice de octano más alto .
Se conocen tres razas principales de Botryococcus braunii , que se distinguen por la estructura de sus aceites. Los botryococcenes son triterpenos isoprenoides no ramificados que tienen la fórmula C n H 2 n -10 . La raza A produce alcadienos y alcatrienos (derivados de ácidos grasos ) donde n es un número impar de 23 a 31. La raza B produce botryococcenes donde n está en el rango de 30 a 37. Los botryococcenes son los biocombustibles de elección para el hidrocraqueo a hidrocarburos tipo gasolina. La cepa "L" produce un aceite que no está formado por otras cepas de Botryococcus braunii . Dentro de esta clasificación principal, varias cepas de Botryococcus diferirán en la estructura precisa y las concentraciones de los aceites de hidrocarburos constituyentes. [7]
Según la página 30 del informe del Programa de Especies Acuáticas , [8] la cepa A de Botryococcus braunii no funcionó bien como materia prima para la producción de combustible basado en lípidos debido a su crecimiento lento (una duplicación cada 72 horas). Sin embargo, la investigación posterior de Qin mostró que el tiempo de duplicación podría reducirse a 48 horas en su entorno de crecimiento óptimo. [4] En vista de los hallazgos de Frenz, [7] los tiempos de duplicación pueden no ser tan importantes como el método de recolección de hidrocarburos. El Programa de Especies Acuáticas también encontró que el aceite de Botryococcus braunii de la cepa A era menos que ideal, ya que tenía la mayoría de sus lípidos como hidrocarburos alifáticos C 29 a C 34 y menos abundancia de ácidos grasos C 18. Esta evaluación de los aceites de Botryococcus braunii se realizó en relación con su idoneidad para la transesterificación (es decir, la creación de biodiésel ), que era el foco del Programa de Especies Acuáticas en el momento en que se evaluó Botryococcus braunii . El Programa de Especies Acuáticas no estudió los aceites de Botryococcus braunii para determinar su idoneidad para el hidrocraqueo , como lo han hecho algunos estudios posteriores sobre la raza "B".
En comparación con otras especies de algas verdes, Botryococcus braunii tiene una pared celular relativamente gruesa que se acumula a partir de divisiones celulares anteriores, lo que dificulta bastante la extracción de componentes citoplasmáticos . Gran parte del aceite de hidrocarburo útil está fuera de la célula [3] , actuando como una biopelícula para agregar células individuales en colonias. Desde hace mucho tiempo se ha buscado el mejor método para separar los aceites de las células con un daño mínimo a las células. Desde hace algún tiempo, se sabe que el hexano puede realizar esta función. Sin embargo, un método eléctrico puede ser más limpio y mejor en general. Se han aplicado campos eléctricos en pulsos cortos para extraer hidrocarburos de otras especies de microalgas debilitando las paredes celulares. Estos pulsos han tenido una duración de microsegundos a milisegundos. En abril de 2017 se informó [9] que investigadores de la Universidad de Kumamoto en Japón han utilizado pulsos más cortos, de nanosegundos de duración, para apuntar a la matriz extracelular de Botryococcus braunii. Descubrieron que el método eléctrico era menos costoso y menos dañino para las células que otros métodos. Los científicos de Kunamoto descubrieron que cuando los pulsos se aplican diez veces por segundo, la intensidad de campo óptima es de 50 kilovoltios por centímetro y la energía óptima aplicada es de 55,6 julios por mililitro de matriz de Botryococcus braunii. Los polisacáridos también se extraen de la matriz y deben separarse de los aceites.
Debido al creciente interés en las alternativas a los combustibles fósiles, la investigación sobre Botryococcus braunii ha aumentado. En abril de 2017, el Dr. Tim Devarenne de la Universidad Texas A&M (TAMU) anunció que se había completado la secuenciación del ADN del genoma de Bb. [10] Un año antes, en 2016, el equipo del Dr. Devarenne en TAMU descubrió la enzima responsable de crear el aceite de Bb, conocida como licopadien sintasa, o LOS, y es capaz de producir varios tipos de aceites. Devarenne sugirió que el gen LOS podría implantarse en otras algas con un metabolismo más rápido, con el fin de acelerar la producción del aceite. [11]
Este apartado recoge una serie de cepas que destacan por su potencial utilidad. Algunas de estas cepas están patentadas como resultado de la modificación activa del ADN, mientras que otras proceden de procesos de selección tradicionales.
En 1988, la Universidad de California en Berkeley obtuvo la patente estadounidense 6169 para la variedad Showa de Botryococcus braunii , desarrollada por el científico Arthur Nonomura de la Universidad de California en Berkeley en el Laboratorio Melvin Calvin como parte del programa interdisciplinario pionero del premio Nobel para el desarrollo de combustibles renovables para el transporte. La variedad patentada era notable, dice la solicitud de patente, debido a su contenido de hidrocarburos botryococceno altamente reproducible que comprendía el 20% del peso seco de "Showa". Está claro que Showa se convirtió en la principal fuente de hidrocarburos de su tiempo. La patente expiró en abril de 2008.
En mayo de 2006, Nonomura presentó una solicitud de patente internacional que revela nuevos procesos de crecimiento y cosecha para Chlorophyta. [12] También se presentó una patente separada para plantas sobre Botryococcus braunii variedad Ninsei que exhibe la característica de secreción extracolonial de sus botryococcenoids que pueden procesarse en refinerías de gasolina existentes para transportar combustibles.
En agosto de 2011, IHI NeoG Algae LLC anunció la variedad Enomoto . [13] Tiene " ... el mayor rendimiento para la producción de este combustible entre todas las algas que se han descubierto en el mundo ", con un crecimiento mensual declarado mil veces mayor que las cepas normales de Botryococcus braunii . Además, se dice que es muy robusta, [14] lo que presumiblemente significa que podría cultivarse en un entorno abierto (en estanques, en lugar de fotobiorreactores).