Establecimiento de condiciones de cultivo para incrementar biomasa y lípidos de Chlorella vulgaris en sistemas abiertos

Abstract

RESUMEN:

Se diseñó un nuevo medio de cultivo para Chlorella vulgaris UTEX 26 en tres etapas. Inicialmente se aplicó el método de superficie de respuesta ajustando seis de los principales compuestos [NaNO3, NH4HCO3, MgSO4 .7H2O, KH2PO4, K2HPO4 y (NH4)2HPO4] del Bold’s Basal Medium (BBM) y el Highly Assimilable Minimal Growth Medium (HAMGM), para obtener un medio nuevo denominado inferido (Minf). Las concentraciones de NaNO3 y NH4HCO3 (0.125 y 0.600 g L-1, respectivamente) en el medio Minf se encontraban en exceso, por lo que en la segunda etapa se redujeron sus concentraciones para establecer un medio nuevo denominado M. Además, se comprobó que la adición simultánea de NH4HCO3 y NaNO3 no favoreció el incremento de biomasa y lípidos microalgales. Se estableció al NH4HCO3 como fuente de nitrógeno principal en el medio M, con una concentración de 0.45 g L-1. En la tercera etapa, se evaluó la sustitución del NH4HCO3 del medio M por urea y NaHCO3, obteniéndose el medio M–UBS que fue comparado con los medio M, BBM y HAMGM. A los 20 días de cultivo, el medio M–UBS produjo una biomasa que no fue significativamente diferente de la producida con los medios M (0.73 g L-1) y HAMGM; sin embargo, el contenido lipídico con el medio M (281 mg L-1) fue 75 y 85% superior a los medios M–UBS y HAMGM, respectivamente. Además, las concentraciones de biomasa y lípidos microalgales con el medio M fueron 43 y 69%, respectivamente, superiores a lo obtenido con el medio BBM. Con el medio M, algunas concentraciones de los componentes de los medios de cultivo originales fueron reducidas más del 50%. En este medio los ácidos grasos principales producidos por C. vulgaris UTEX 26 fueron C16:0, C18:0, C18:1, C18:2 y C18:3. Se implementó el cultivo de C. vulgaris UTEX 26 en raceways de 2000 L con el medio M y en régimen semicontinuo, bajo condiciones de invernadero y con un volumen de operación de 1100 L. Se favoreció la productividad de biomasa por área al tercer día, competitiva con las reportadas en sistemas raceway modificados para mejorar la hidrodinámica del sistema. La mayor producción lipídica fue a los 10 días en los tres primeros ciclos, con un incremento en la proporción de ácidos grasos saturados (C14–C18) en comparación con los insaturados y también con lo obtenido en los fotobiorreactores de 1 L. El medio M favoreció el incremento de biomasa y lípidos en sistemas raceway en semicontinuo; sin embargo, después de 8 días de cultivo o con biomasa superior a 0.35 g L-1, el cultivo microalgal fue muy propenso a contaminación por ciliados y amibas, debido al tamaño pequeño de C. vulgaris UTEX 26 y los azúcares que excreta. La adición periódica de NH4HCO3 al cultivo, para mantener concentraciones de NH4 + entre 30 y 50 mg L-1, disminuyó la pérdida de NH4 + por volatilización y el riesgo de la contaminación del cultivo por protozoarios.

ABSTRACT:

A novel culture medium to Chlorella vulgaris UTEX 26 was designed in three stages. Initially, the response surface method was used to adjust six principal compounds [NaNO3, NH4HCO3, MgSO4 .7H2O, KH2PO4, K2HPO4 and (NH4)2HPO4] from Bold’s Basal Medium (BBM) and Highly Assimilable Minimal Growth Medium (HAMGM), to obtain a new medium called inferred (Minf). The concentrations of NaNO3 and NH4HCO3 (0.125 y 0.600 g L-1, respectively) in the Minf medium were in excess, so in the second stage, its concentrations were reduced to establish a novel medium called M. Furthermore, it was found that the simultaneous addition of NH4HCO3 and NaNO3 did not increase the microalgal biomass and lipids. NH4HCO3 was established as principal nitrogen source in the M medium, with a concentration of 0.45 g L-1. In the third stage, the replacement of NH4HCO3 from M medium by urea and NaHCO3 (M– UBS medium) was evaluated. M–UBS medium was compared with the M, BBM and HAMGM culture media. On 20 days of culture, biomass produced by the M–UBS medium was not significantly different from biomass produced with the M (0.73 g L-1) and HAMGM culture media; however, lipid content with the M medium (281 mg L-1) was 75 and 85% higher than lipids obtained with the M–UBS and HAMGM culture media, respectively. Additionally, the microalgal biomass and lipid concentrations with the M medium were 43 y 69% higher that the biomass and lipid concentrations obtained with the BBM medium. With the M medium, some component concentrations from the original culture media were reduced over 50%. In the M medium, the major fatty acids produced by C. vulgaris UTEX 26 were C16:0, C18:0, C18:1, C18:2 and C18:3. C. vulgaris UTEX 26 culture was implemented in raceways of 2000 L with the M medium and semicontinuous mode, under greenhouse conditions and with a trading volume of 1100 L. Areal biomass productivity was favored on the third day, it was competitive with those reported in modified raceway systems to improve its hydrodynamic. In the first three cycles, the major lipid production was at 10 days of culture with an increase in the saturated fatty acid proportion (C14-C18) compared with the unsaturated fatty acids and also with the fatty acids obtained in photobioreactors of 1 L. The M medium favored the increase in biomass and lipid content in raceway systems in semicontinuous mode; however, after 8 days of culture or biomass concentration higher than 0.35 g L-1, microalgal culture was very prone to contamination by ciliates and amoebae, due to the small size of C. vulgaris UTEX 26 and its sugars excreted. The periodic addition of NH4HCO3 to the microalgal culture, for maintaining the concentration of NH4 + between 30 and 50 mg L-1, it decreased loss of NH4 + by volatilization and contamination risks by protozoa.