Environmental and nutritional parameters influencing the growth of Skeletonema cultures and optimization of the large-scale production in photobioreactors
| Autor: | Josenhans, Sarah |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Raposo, Sara, Pereira, Hugo |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2019 |
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| Zdroj: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) instacron:RCAAP |
| Popis: | Microalgae have a large variety of applications and their biomass can be produced in a sustainable way. The diatom genus Skeletonema comprises a unique biochemical composition and is already widely used in the cultivation of shrimps and molluscs. The biomass of Skeletonema strains is rich in essential biomolecules, including fucoxanthin and polyunsaturated fatty acids and hold a high market demand. However, the large-scale production of this species is still challenging and needs to be optimised. In this context, different trials were conducted from lab- to industrial-scale and the growth of Skeletonema sp. cultures was observed and evaluated. In the laboratory, using Algem® photobioreactors (PBRs), obtained results revealed that autumn conditions are favourable over winter conditions, and cultures with lower inoculum concentrations show a higher specific growth rate. In addition, an initial silicate concentration of at least 0.11 mM favours the growth of the culture and the species growth is tolerant to pH values within 7.0 to 8.5. After the lab-scale optimization, cultures were successfully scaled-up under outdoor conditions, using flat panel PBRs of 100 - 1000 L and later to tubular PBRs up to 19000 L. In the production PBRs, it was found that nutrient starvation impairs the physiological state of cultures and diluted cultures suffer from photoinhibition by radiation maxima of 1500 μmol m-² s-1. A maximal daily growth rate of 0.331 d-1 was observed in a tubular PBR, exposed to an average radiation and temperature of 521 μmol m-² s-1 and 15.24 °C, respectively. The average macronutrient composition of Skeletonema sp. biomass as percentage of dry weight was 20.88 % carbohydrates, 31.52 % proteins and 18.14 % lipids. Overall, the lab-scale optimization and large-scale production of Skeletonema was successfully achieved and the biochemical composition of the biomass seems favourable for the nutrition of aquaculture organisms. Microalgas são os produtores primários e essenciais nos ecossistemas aquáticos. São organismos fotossintéticos eficientes. A sua biomassa tem uma variedade de aplicações e pode ser produzida de maneira sustentável. Dentro das microalgas existe o grupo único das diatomáceas, caracterizado pelo frústula de sílica. A espécie de diatomácea Skeletonema tem uma composição bioquímica única e é bastante usada na nutrição dos moluscos em cativeiro (por exemplo ostras), crustáceos e Artémia, que por sua vez são usados como fonte de alimento na aquacultura. A biomassa da estirpe Skeletonema é rica em biomoléculas valiosas como fucoxantina e ácidos gordos não saturados, de importância nutricional. A biomassa é importante comercialmente para a indústria cosmética e na área da medicina para o tratamento do cancro e doenças neurológicas. Algumas espécies de microalgas já são produzidas a grande escala, mas a produção da Skeletonema ainda demostra dificuldades. Dentro deste tópico, foram realizados diferentes ensaios, de escala laboratorial e outros de escala industrial, com o objetivo de otimizar a produção da biomassa da Skeletonema sp. O crescimento das culturas de Skeletonema sp. foi observado e avaliado por diferentes parâmetros, nomeadamente densidade ótica, peso seco e concentração celular. A medida de densidade ótica com uso de um espectrofotómetro é um método com protocolo bem estabelecido e rápido. Mas com algumas imprecisões, que se pode dever á pouca homogeneização da cultura ou as modificações fisiológicas da célula. O peso seco tem interesse industrial, pois representa a concentração da biomassa na cultura. Obtém-se através da filtração e secagem de um volume da cultura. A obtenção da concentração celular através da densidade ótica é uma medida mais precisa, pois só a espécie de cultivo é contada. Este método também pode medir sem precisão o peso seco quando o tamanho celular é variável. O estado fisiológico das células foi monitorizado através da observação ao microscópio e por fluorometria. A microscopia revelou que as células demonstravam estar em condição saudável, também foi observado de maneira direta a mudança na aparência. A habilidade fotossintética duma célula é avaliada pela fluorometria. O método é baseado na determinação do movimento dos eletrões durante os processos de oxidação e redução no fotossistema da célula. Após o recobro no escuro as células são expostas a uma intensidade de luz e pulso definido que ativam os aparatos fotossintéticos das células. Os parâmetros determinados foram a fluorescência mínima F0, que representa as células fotossintéticas ativas e a eficiência do fotossistema II Fv/Fm, um indicador de stress da cultura. A observação por fluorometria mostra o estado fisiológico de uma célula de maneira rápida e quantitativa. No laboratório, diferentes parâmetros de cultura foram testados com o uso de sistema de Algem®, para inferir sobre o crescimento em condições especificas da estirpe Skeletonema sp. Foram testados duas estripes específicas com as condições de temperatura e radiação da estação de outono e inverno. Num ensaio foi testado diferentes concentrações iniciais de inóculo valores de 2.105, 4.105, 6.105 e 1.106 células mL-1. Concentrações de silicatos no meio testadas foram desde 0.05, 0.11, 0.22 a 0.43 mM. Os valores fisiológicos de pH de interesse foram entre o 7.0 e 8.5. Os resultados demonstraram que diferentes estirpes têm diferentes padrões de crescimento, e que a condição mais favorável para o crescimento foi o outono. Uma cultura com um valor de inóculo mais baixo mostrou um valor de crescimento específico maior. O valor Fv/Fm numa cultura com 0.05 mM de silicatos no meio, foi significativamente mais baixo, indicando falta deste elemento criando stress na cultura de células, visto que a sílica é essencial para o crescimento das diatomáceas. Uma concentração inicial de pelo menos 0.11 mM favoreceu o crescimento das culturas. A estirpe demonstrou tolerância a valores de pH entre 7.0 e 8.5. Apos uma otimização de escala laboratorial, as culturas de Skeletonema sp. foram testadas com sucesso numa grande escala em condições ao ar livre, em fotobioreatores de painéis lisos de 100-1000 L. O processo de aumento para grande escala incluiu vários destes painéis, este processo demorou 28 a 73 dias. A biomassa foi produzida num fotobioreactor tubular de 10000L a 19000 L e foram armazenados em renovações semi-contínuas de meio de cultura. As culturas cresceram nos fotobioreatores tubulares até ao máximo 33 dias. O crescimento da Skeletonema sp. em fotobioreatores ao ar livre foi medida através da densidade ótica e do peso seco. A observação fluorométrica deu uma avaliação exata das culturas, mostrando enfraquecimento na função de aparatos fotossintéticos das células, equivalente ao stress da cultura. No aumento da escala e na produção em fotobioreatores, o valor Fv/Fm foi reduzido na falta de nutrientes ou quando culturas mais diluídas foram expostas a valores máximos de radiação de 1500 μmol m-² s-1. Culturas, que cresceram durante alguns dias em fotobioreatores ao ar livre não mostraram uma redução no valor Fv/Fm quando expostas a radiação, porém as culturas transferidas de laboratório há pouco tempo tendem a sofrer mais pela radiação súbita. A observação indicou a habilidade da Skeletonema sp. possui para se adaptar às condições de radiação. Um valor máximo de crescimento específico de 0.331 d-1, observado num fotobioreator tubular, durante uma radiação de 521 μmol m-² s-1 e temperatura de 15.24 °C. Este valor máximo foi similar aos valores médios de crescimento específico observado no sistema Algem®. A produtividade foi avaliada da seguinte forma: a biomassa recolhida é dividida pelo total por o tempo da produção e o volume do reator ou a sua área da produção. A média da produtividade volumétrica foi 0.034 g L.1 d.1 e a da produtividade por área é de 1.447 g m2 d-1. Os valores foram parecidos aos valores de um relatório sobre a cultivação da Skeletonema sp. na escala piloto ao ar livre. Valores da produtividade máxima foram calculados baseados na determinação diário do crescimento. A análise revelou uma grande variabilidade no próprio fotobioreator e entre os fotobioreatores conduzidos durante a época examinada. Em geral, as condições climáticas no local da produção suportaram o crescimento da Skeletonema sp. Em dias de radiação extremamente alta, as culturas devem ser sombreadas e arrefecidos com o objetivo de reduzir o efeito da fotoinibição. Por outro lado, o crescimento foi reduzido nos dias de baixa radiação. A produção de Skeletonema sp. tem de ser gerida da melhor forma para otimizar a produção da sua biomassa. A composição média dos macronutrientes da biomassa de Skeletonema sp., dado em percentagem do peso seco, foi 20.88 % carboidratos, 31.52 % proteínas e 18.14 % lípidos. A espécie pode ser considerada como um alimento rico na aquacultura. Seguido a literatura, Skeletonema sp. contem pigmentos e ácidos gordos com aplicações importantes. A microalga tem atividade anticancerígena e neuro-protetiva. Estes factos mostraram o potencial de aplicações de alto valor. Em suma, a otimização em ensaios laboratoriais e a produção em grande escala de Skeletonema sp. foi realizada com sucesso e a composição bioquímica da biomassa mostrou benefícios na alimentação e para a saúde de organismos aquáticos. |
| Databáze: | OpenAIRE |
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