Influencia del mezclado en la producción de biomasa y composición bioquímica de Spirulina platensis LMPA-55.

Abstract

Las cianobacterias son microorganismos eficientes en la conversión de energía solar y en la fijación de CO2. Además, producen una gran variedad de metabolitos de interés. Pueden ser utilizadas como suplementos en alimentación humana y de animales, como productos nutracéuticos, para el tratamiento de aguas residuales, en la industria de cosméticos y en la agricultura como biofertilizantes entre otros. Incluso en la actualidad son el centro de atención para la producción de biocombustibles. En este trabajo se estudió la influencia de distintos sistemas de mezclado sobre la producción de biomasa y la composición bioquímica de la cianobacteria Spirulina (Arthrospira) platensis. Se clasificó a cada sistema de mezclado como: agitación mecánica (Erlenmeyers agitados), agitación neumática (columnas de burbujeo), y una combinación de ambos sistemas de mezclado (biorreactor de tanque agitado). Se analizaron los parámetros cinéticos de crecimiento, como la velocidad específica de crecimiento (), el tiempo de duplicación (td) y el índice de crecimiento (IC). Se analizaron parámetros característicos y asociados a cada tipo de mezclado, como el coeficiente de transferencia de masa referido al CO2 (klaCO2), la velocidad de disipación de energía (P/V) y la longitud crítica del remolino de Kolmogorov (). Finalmente, se analizó la composición bioquímica de los cultivos (contenido de proteínas, hidratos de carbono, lípidos, y pigmentos). La producción de biomasa microalgal se encontró favorecida por el mezclado, ya que éste mejora el acceso a los nutrientes, el intercambio gaseoso y la disponibilidad de la luz. Se observó que la velocidad específica de crecimiento y la producción de biomasa de S. platensis fue en incremento a medida que se aumentaron la velocidad de agitación de los Erlenmeyers agitados y el caudal de aireación en las columnas de burbujeo, lo cual sería resultado del incremento del coeficiente de transferencia de CO2 (klaCO2). La adición de deflectores a los Erlenmeyers afectó positivamente al klaCO2, y en consecuencia a la producción de biomasa. La concentración de biomasa en el biorreactor de tanque agitado resultó menor a la obtenida en Erlenmeyers agitados, posiblemente por la baja relación superficie iluminada/volumen de cultivo, los fenómenos de sombreado celular, el estrés hidrodinámico y un valor inferior del klaCO2. Los cultivos de S. platensis llevados a cabo en columnas de burbujeo arrojaron los mejores resultados respecto a la concentración de biomasa microalgal, en comparación con el biorreactor de tanque agitado y los Erlenmeyers agitados. La composición bioquímica de S. platensis no se vió afectada por ninguno de los sistemas de mezclado para cada una de las biomoléculas evaluadas. Existiría una estrecha relación entre la producción de biomasa y el klaCO2 en todos los sistemas de cultivo evaluados, lo que posibilitaría la utilización del klaCO2 constante como criterio de escalado para el cultivo de S. platensis.

Cyanobacteria are efficient microorganisms in the conversion of solar energy, CO2 fixation and also produce a variety of metabolites of interest. They are used as supplements in human and animal feed, as nutraceutical products, for the treatment of wastewater, in cosmetics industry and agriculture as biofertilizers, among others. Even today they are the center of attention for the production of biofuels. In this work, the influence of different types of mixing on the production of biomass and the biochemical composition of the cyanobacterium Spirulina (Arthrospira) platensis was studied. Each type of mixing was classified as: mechanical mixing (shake flasks), pneumatic mixing (bubble columns), and a combination of both type of mixing (stirred tank bioreactor). Growth kinetic parameters were analyzed, such as specific growth rate (), doubling time (td) and growth index (ID). Characteristic and associated parameters of each type of mixing were also analyzed, such as the mass transfer coefficient for CO2 (klaCO2), energy dissipation rate (P/V) and critical length of Kolmogorov eddy (). Finally, biochemical composition was analyzed for each microalgae culture (proteins, carbohydrates, lipids and pigments content). The production of microalgae biomass was promoted by mixing, since it improves nutrients access, gas exchange and availability of light. It was observed that specific growth rate and biomass production of S. platensis was increasing as the agitation speed of shake flasks and air flow rate in bubble columns were increased, which would result as a consequence of CO2 transfer coefficient (klaCO2) increase. The addition of deflectors to shake flasks affected positively the klaCO2, and consequently the biomass production. The biomass concentration in the stirred tank bioreactor was lower than that obtained in shake flasks, possibly due to the low illuminated surface area / volume of culture, the phenomena of cellular shading, the hydrodynamic stress and a lower value of klaCO2. The cultures of S. platensis carried out in bubble columns gave the best results related to microalgae biomass concentration, in comparison with the stirred tank bioreactor and the shake flasks. The biochemical composition of S. platensis was not affected by any of the mixing systems for each of the biomolecules evaluated. There would be a close relationship between biomass production and klaCO2 in all the culture systems evaluated, which would make constant klaCO2 a possible scale up criterion for S. platensis cultures.