“Estudio de la productividad de biomasa y proteínas en función de la irradiancia y la temperatura en una cepa de Arthrospira maxima (Spirulina)”

Abstract

La Spirulina es un tipo de cianobacteria, específicamente perteneciente al género Arthrospira, reconocible por su estructura de tricomas cilíndricos organizados en una hélice. Se cultiva principalmente en aguas alcalinas, salobres y salinas de zonas tropicales y semitropicales, aunque algunas especies pueden encontrarse en cuerpos de agua dulce. Es termofílica y alcalofílica, lo que la hace apta para cultivos en exteriores en reactores abiertos al aire libre con mínima contaminación biológica. El interés en su cultivo masivo radica en su alto contenido proteico, que puede alcanzar entre el 64% y el 74% de su masa seca, junto con otros nutrientes beneficiosos como aminoácidos esenciales, lípidos, carbohidratos y pigmentos como la ficocianina. Se utiliza principalmente como suplemento dietético y tiene aplicaciones en gastronomía y nutracéutica debido a su composición química única. En el presente trabajo se buscó optimizar el cultivo de una cepa local de Arthrospira maxima FAUBA 93, que fue aislada de la localidad de San Nicolás, Provincia de Buenos Aires, a fin de determinar su potencial biotecnológico y productivo. Para ello fue necesario diseñar y fabricar un cultivador experimental que permitiera realizar varios ensayos en paralelo y controlar las variables experimentales de forma independiente. Se estudió la influencia de la irradiancia y la temperatura en la productividad de biomasa y su composición proteica. Se realizaron 30 tratamientos, combinando seis temperaturas y cinco tratamientos lumínicos, para los cuales se tuvo en cuenta tanto la duración del fotoperíodo como la intensidad máxima alcanzada, de forma de emular fehacientemente las condiciones ambientales observadas en distintas épocas del año en cultivos a la intemperie. Para ello se utilizaron reactores tipo columna de burbujeo de vidrio, cilíndricos, dispuestos de forma vertical, con luz irradiada unidireccionalmente a 90° del reactor. Para cada experimento se midieron la biomasa seca, densidad óptica del cultivo, pH, Ka (coeficiente de extinción de la luz), se realizó un estudio de la fotosíntesis del alga y se determinaron las proteínas solubles totales. Las conclusiones del estudio indican que la temperatura y la dosis de irradiancia afectan tanto la producción de biomasa como el contenido de proteínas en el cultivo. Se observó que a temperaturas extremas (por debajo de 7.5°C y por encima de 43°C) no hubo crecimiento de biomasa y se registró muerte celular. La temperatura óptima para el crecimiento de biomasa fue entre 25°C y 38°C. Además, se encontró una relación positiva entre la dosis de irradiancia y la producción de biomasa. En cuanto al contenido de proteínas, se observó que disminuyó con la dosis de irradiancia entre 25°C y 38°C, mientras que la productividad de proteínas aumentó con la irradiancia en ese rango de temperatura. Estos resultados sugieren que las condiciones óptimas para la producción de biomasa pueden diferir de las de la producción de proteínas, lo que debe considerarse al diseñar estrategias de cultivo. Adicionalmente, los datos obtenidos permitieron calcular parámetros asociados al crecimiento como la velocidad específica de crecimiento () y la irradiancia interna promedio (Iav). Con estos parámetros, se obtuvo un modelo matemático que describe la productividad de biomasa en función de las dos variables limitantes, la luz y la temperatura. Este modelo nos permite simular el comportamiento del sistema y determinar las condiciones óptimas de operación y la máxima productividad posible, una vez definidos los parámetros correspondientes a la geometría del reactor a utilizar. Si bien la conclusión es que se deberían agregar ensayos para completar la predicción de la curva y tener mayor exactitud en el cálculo de las constantes características del modelo, se considera la ecuación permite estimar el crecimiento de A. máxima (FAUBA-93) en cuestión de manera coherente. Por último, utilizando el modelo obtenido, se simuló la operación de un reactor tipo raceway, a la intemperie en la ciudad de Buenos Aires, prediciendo la productividad volumétrica en función de las condiciones ambientales, pudiendo establecer el modo óptimo de operación para cada época del año. Esta simulación nos permitió concluir que no es viable la producción a la intemperie de esta cepa durante los meses de invierno en Buenos Aires.Spirulina is a type of cyanobacteria, specifically belonging to the genus Arthrospira, recognizable by its structure of cylindrical trichomes arranged in a spiral. It is mainly cultivated in alkaline, brackish, and saline waters in tropical and subtropical regions, although some species can be found in freshwater bodies. Being thermophilic and alkaliphilic, it is suitable for outdoor cultivation in open-air reactors with minimal biological contamination. The interest in its mass cultivation lies in its high protein content, ranging between 64% and 74% of its dry mass, along with other beneficial nutrients such as essential amino acids, lipids, carbohydrates, and pigments like phycocyanin. It is primarily used as a dietary supplement and finds applications in gastronomy and nutraceuticals due to its unique chemical composition. In this study, the aim was to optimize the cultivation of a local strain of Arthrospira maxima FAUBA 93, isolated from San Nicolás, Buenos Aires Province, to determine its biotechnological and productive potential. This involved designing and manufacturing an experimental cultivator to conduct several parallel trials and control experimental variables independently. The influence of irradiance and temperature on biomass productivity and protein content was investigated. Thirty treatments were conducted, combining six temperatures and five light treatments, considering both the photoperiod duration and maximum intensity reached, to accurately emulate environmental conditions observed in different seasons in outdoor cultures. Glass bubble column reactors were used, arranged vertically, with unidirectionally irradiated light at 90° from the reactor. For each experiment, measurements included dry biomass, culture optical density, pH, Ka (light extinction coefficient), a study of algae photosynthesis, and determination of total soluble proteins. The conclusions of the study indicate that both temperature and irradiance dose affect both biomass production and protein content in the culture. Extreme temperatures (below 7.5°C and above 43°C) inhibited biomass growth, with optimal growth observed between 25°C and 38°C. A positive relationship between irradiance dose and biomass production was found. Regarding protein content, it decreased with irradiance dose between 25°C and 38°C, while protein productivity increased with irradiance in that temperature range. These results suggest that optimal conditions for biomass production may differ from those for protein production, which should be considered when designing cultivation strategies. Additionally, the obtained data allowed the calculation of growth-associated parameters such as specific growth rate (μ) and average internal irradiance (Iav). With these parameters, a mathematical model describing biomass productivity as a function of the limiting variables, light, and temperature, was obtained. This model allows the simulation of system behavior and determination of optimal operating conditions and maximum possible productivity, once the parameters corresponding to the reactor geometry are defined. Although further experiments are needed to complete the prediction curve and increase accuracy in calculating model characteristic constants, the equation allows coherent estimation of A. maxima (FAUBA-93) growth. Finally, using the obtained model, the operation of a raceway-type reactor outdoors in Buenos Aires was simulated, obtaining a graph that returns a response surface predicting volumetric productivity based on environmental conditions, allowing the establishment of the optimal mode of operation for each season. This simulation led to the conclusion that outdoor production of this strain during the winter months in Buenos Aires is not feasible.