Diseño y validación de un método no invasivo para la determinación del factor de protección de cremas solares. Fabricación de una crema a partir de microalgas y el diseño de su proceso de producción.

Abstract

En la actualidad, cada vez hay más conciencia social respecto al impacto que las actividades humanas tienen en el medio ambiente. Por este motivo, cada vez son más las personas que consumen productos ecológicos y con un origen biológico, tanto en alimentación como en cosmética. Se ha demostrado que los protectores solares son una fuente de contaminantes para los ecosistemas marinos costeros, por lo que se están buscando nuevas formulaciones que puedan reducir dicha contaminación.

En este trabajo se propone, en cuanto al cambio en la composición de los protectores solares, la incorporación de cianobacterias como componente principal, ya que algunas especies son muy buenas productoras de micosporinas, unos metabolitos secundarios con la capacidad de absorción de radiación UV, tanto A como B, que es como las microalgas consiguen protegerse de dicha radiación.

En el presente TFG se ha intentado estimular la producción de micosporinas por parte de cianobacterias del género Anabaena sp., tanto con una especie marina como con una continental. Dicha estimulación se ha inducido mediante el estresado celular aplicando una dosis baja de radiación UVB, observándose que, para dosis de 25,92 kJ y 51,84 kJ aplicadas a lo largo de un tiempo de 72 horas, los resultados guardan similitud y no es posible afirmar qué dosis es más efectiva. Además, también se ha observado que la especie continental es mejor productora de dichos metabolitos, aumentando su producción en hasta un 50% cuando se trabaja con caudales bajos.

El estresado se ha realizado con el fin de elaborar un protector solar que contenga biomasa microalgal con alto contenido en micosporinas, habiendo diseñado previamente un método óptico in vitro de medición del Factor de Protección Solar (SPF), característica utilizada para la clasificación comercial de los protectores solares y relacionada con el grado de protección frente a la componente UV de la radiación solar que son capaces de ofrecer. El método empleado consiste en la medición de la transmitancia en el intervalo de 290-400 nm empleando un espectrofotómetro UV-Vis-NIR con esfera integradora, lo que permite calcular fotométricamente el SPF.

Para la validación del método propuesto se ha elaborado en el laboratorio un Protector Solar Estándar, de acuerdo a la Food and Drug Administration de los EE.UU. (FDA), resultando el SPF obtenido experimentalmente muy similar al aportado por la FDA.

Además, se ha realizado la determinación del SPF de diversos protectores solares disponibles comercialmente, entre ellos el modelo Babaria Kids 50+, del que la Organización de Consumidores y Usuarios, OCU, publicó recientemente que no cumplía con el SPF especificado, comprobándose experimentalmente la certeza de este hecho, puesto que se ha obtenido un valor del SPF de 32.

A la hora de la elaboración del protector solar a partir de microalgas del género Anabaena sp., el SPF máximo logrado ha sido únicamente de 7,5. Por dicho motivo, se ha optado por añadir biomasa microalgal a uno de los protectores solares comerciales, observándose un aumento de su SPF superior al 50%, pasando de un valor inicial de 33 a uno de 55 tras añadir la biomasa.

Por otro lado, se ha diseñado el proceso de producción de la cianobacteria estudiada a escala de planta piloto, con el fin de obtener una producción de 25 kg/año. Para dicho cálculo, ha sido necesario obtener la cinética de crecimiento de Anabaena sp., continental y marina, obteniéndose, respectivamente, una concentración máxima promedio de 471 y 973 mg/L y una productividad de 1,47 y 1,03 mg·L-1·h-1. Se obtienen valores de productividad bajos, puesto que en algunos estudios se han conseguido productividades superiores a 5 mg·L-1·h-1, provocados, probablemente, en este caso, por un efecto de fotoinhibición, el cual puede ser de interés de estudio para posteriores investigaciones.

Para el diseño del proceso de producción se operará en semicontinuo, y se han empleado reactores de columnas de tipo airlift, lo cual favorece el movimiento del cultivo en su interior de cara a su homogeneización y buena disposición a la luz y nutrientes de todo el volumen de cultivo, además de evitar una posible decantación. Los fotobiorreactores se situarán en el interior de una nave, con iluminación artificial, ya que la luz solar fotoinhibiría su crecimiento. Tras ello, pasarán a otros biorreactores donde se realizará su estresado por medio de radiación UV. Los procesos de downstream los constituyen una centrifugación y una liofilización, con objeto de obtener la biomasa seca y disponible para la elaboración del protector solar.

Nowadays, social awareness is increasing regarding the environmental impact caused by human activity. For this reason, more and more people are consuming ecological products and with a biological origin, both in food and cosmetics. It has been proved that sunscreens are a source of contamination for coastal marine ecosystems, therefore new formulations which can reduce that contamination are being searched for.

Regarding the change in the composition of sunscreens, this project proposes adding cyanobacteria as a main component, because some species are really good producers of mycosporines, secondary metabolites capable of absorbing UV radiation, both A and B, that is how microalgae are able to protect themselves from that radiation.

In the present Final Degree Project, it has been tried made to stimulate mycosporine production by cyanobacteria of the genus Anabaena sp., both with a marine and continental species. That stimulation has been carried out by cellular stress applying a low dose of UVB radiation, observing that, for 25.92 kJ and 51.84 kJ doses applied throughout 72 hours, the results are similar, and it is not possible to assert which dose is more effective. In addition, it was obtained higher quantity of MAAs with freshwater species than with marine one. The increase was up to 50% when working with low volumes.

The UV stress test has been done to develop a sunscreen that contains microalgal biomass with high content in mycosporines, designing previously an in vitro optical method to measure the Sun Protector Factor (SPF). SPF is used in the commercial classification of sun protectors and it is related to the degree of protection against the UV component of sun radiation that they are able to offer. The method employed consists in the measurement of the transmittance in the interval of 290-400 nm using an UV-Vis-NIR optical spectrometer with an integrating sphere, that allows the photometric calculation of the SPF.

For the validation of the proposed method a Standard Sun Protector has been developed in the laboratory, according to the Food and Drug Administration of the USA (FDA). The SPF obtained experimentally has been really similar to the one provided by the FDA.

Besides, the determination of the SPF of different sunscreens available commercially has been carried out, including Babaria Kids 50⁺, the one about which the Spanish Consumers and Users Organization, OCU, published recently that did not comply with the specified SPF, confirming experimentally the certainty of this fact, since a SPF value of 32 was obtained.

When elaborating the sunscreen with Anabaena sp. cianobacteria, the maximum SPF achieved has been only 7.5. That is the reason why it has been chosen to add cianobacteria biomass to one of the commercial sunscreens, observing an increase in its SPF higher than 50%, leading to a value of 55 from an initial one of 33 adding biomass.

Furthermore, the production process of the studied cyanobacteria has been designed at pilot-plant scale, in order to get a production of 25 kg/year. It has been necessary to obtain the growth kinetics of freshwater and marine Anabaena sp., getting, respectively, an average maximum concentration of 471 and 973 mg/L and a productivity of 1.47 and 1.03 mg·Lˉ¹·hˉ¹. Low productivity values have been obtained, because in some studies productivities are higher than 5 mg·Lˉ¹·hˉ¹ have been achieved, caused, probably, in this case, by a photoinhibition effect, that could be of interest to study in future investigations.

In order to design the production process, it has been selected a semicontinuous operation mode and the use of airlifts reactors, which favors the culture movement inside for its homogenization and good disposition to light and nutrients of the hole culture volume, in addition to avoiding possible decantation. Photobioreactors will be located inside an industrial unit, with artificial illumination, because sunlight would photoinhibit its growth. After that, they will be moved to other bioreactors in which they will be stressed by UVB radiation. Downstream processes are constituted by a centrifugation and a lyophilization, in order to obtain the dry biomass to elaborate the sunscreen.