Revalorización de subproductos de la industria láctea para la obtención de biomasa microalgal .

Abstract

La presente tesis estudió la revalorización del suero de ricota, un subproducto de la industria láctea de escaso valor agregado, para su uso como sustrato en la obtención de biomasa microalgal. El objetivo principal fue desarrollar un bioproceso de producción de microalgas utilizando el suero de ricota como medio de cultivo alternativo, contribuyendo así a la sostenibilidad y rentabilidad de la industria láctea. El suero de ricota, a pesar de tener valor nutricional remanente, presenta un uso limitado en la alimentación humana por su alta salinidad. Asimismo, su elevado porcentaje de agua encarece su transporte. Sumado a esto, representa un riesgo ambiental debido a su carga contaminante, con valores de demanda biológica de oxígeno cercana a los 50 g L-1 y demanda química de oxígeno que ronda los 80 g L-1. El suero de ricota se caracterizó, confirmándose que su contenido de hidratos de carbono (5,5 g 100 g-1), en conjunto con otros macronutrientes y minerales disponibles, lo convierte en un medio potencialmente adecuado para el cultivo de microalgas. Se evaluó la capacidad de adaptación de las microalgas Arthrospira máxima, Arthrospira platensis y Chlorella vulgaris, en medios de cultivo con concentraciones crecientes de suero de ricota, comprobándose la capacidad de adaptación de las tres cepas a todas las concentraciones de suero de ricota. Entre ellas, se observó un desempeño superior por parte de los sistemas mixótrofos de C. vulgaris, no solo porque todos sus sistemas se ubicaron dentro del grupo de significancia de mayor rendimiento, sino también porque esta microalga alcanzó su fase estacionaria a las 96 h de cultivo (24 h antes que A. máxima y A. platensis). En una segunda instancia, el suero de ricota se pretrató mediante microfiltración de flujo tangencial con membrana de tamaño de poro nominal de 0,1 μm, con el fin de reducir las partículas en suspensión que podrían interferir con la incidencia de la radiación lumínica, así como también la carga microbiana propia del suero de ricota, que podría reducir el rendimiento de las microalgas por competir por los nutrientes disponibles. Los resultados obtenidos demostraron que, entre las cepas estudiadas, C. vulgaris es la que mejor se desarrolló en suero de ricota pretratado por microfiltración, demostrando superioridad significativa frente a A. platensis y A. máxima en cuanto a la velocidad de crecimiento específica máxima (μmax), la concentración máxima logarítmica relativa (Cmax) y en la productividad de biomasa. Respecto de la microfiltración como método de esterilización, se verificó que se redujo la carga de microorganismos del suero de ricota de 96 UFC mL-1 a < 1 UFC mL-1. En este contexto, se definió continuar con los siguientes ensayos con la microalga C. vulgaris y se eligió el sistema de suero de ricota sin dilución. Revalorización de subproductos de la industria láctea para la obtención de biomasa microalgal Habiéndose definido la cepa y concentración de suero de ricota, se avanzó con la optimización de las condiciones de cultivo para maximizar la producción de biomasa. Se exploraron diversas variables, incluyendo el método de pretratamiento del suero, la suplementación con nutrientes, las fuentes y condiciones de iluminación, la concentración del inóculo, el pH inicial y la velocidad de mezclado. Se encontró que los cultivos con mejor desempeño fueron los realizados en suero pretratado por microfiltración tangencial. Asimismo, esta técnica disminuyó la turbidez, sin generar en el suero reacciones químicas no deseadas, que podrían resultar en la reducción de la biodisponibilidad de sus nutrientes. El estudio de suplementación se realizó a través de un diseño central compuesto. Contrario a lo esperado, la suplementación, en el rango de concentraciones ensayado, no mejoró los parámetros cinéticos de crecimiento. En cuanto a las fuentes lumínicas, se obtuvieron parámetros de crecimiento superiores al emplear fuentes LED. Entre este tipo de fuentes, los cultivos de Chlorella vulgaris expuestos a luz LED blanca (650 nm, 520 nm, 460 nm) mostraron mayor productividad de biomasa que los expuestos a luces LED roja (650 nm), azul (460 nm) y roja azul (650 nm, 460 nm), todas ellas con un fotoperiodo de 12 / 12 h de luz / oscuridad y una radiación PAR aproximada de 50 µmol m-2 s-1. Mediante un diseño central compuesto se determinó que la variable pH inicial presentó un valor óptimo de 8,03. Asimismo, es importante destacar que los sistemas mostraron una tendencia a la autoregulación de los pH, encontrándose todos al final del ensayo dentro del rango 7,90-9,11. Respecto de la concentración del inóculo, su variación resultó ser no significativa (p > 0,05). Por último, quedó demostrado que la condición de mezclado óptima fue la de 100 rpm, dado que los sistemas expuestos a mezclado orbital con velocidades de 100 y 150 rpm mostraron los mejores rendimientos, y entre ellos el sistema de 100 rpm es el que presenta un menor requerimiento energético. Por último, se abordó el escalado de los cultivos de Chlorella vulgaris a una escala de laboratorio en un volumen de cultivo de 2 L. Para esto se aplicaron criterios de similitud dinámica, tomando como referencia la velocidad de disipación de energía por unidad de volumen, obteniéndose como resultado una velocidad de agitación de 500 rpm. En este aspecto, se analizaron las dimensiones celulares, las cuales resultaron de 6,4 ± 1,5 µm, con un valor máximo de 12,9 µm y se calculó la longitud crítica de los remolinos, resultando en un valor de 70 µm que, por ser ampliamente superior a los diámetros de las células, no representó un riesgo para su integridad. Finalmente, el cultivo escalado presentó una productividad similar a la del sistema de volumen 200 mL. Estos resultados sugieren que el escalado es factible y que el uso de suero de ricota como medio de cultivo puede ser implementado en un contexto industrial. En conclusión, esta tesis demuestra la viabilidad de utilizar el suero de ricota como medio de cultivo para la producción de biomasa microalgal, contribuyendo a la sostenibilidad de la industria láctea y ofreciendo una alternativa para la reducción de su impacto ambiental. Esta investigación abre nuevas oportunidades para la valorización de subproductos agroindustriales y sugiere que la producción de microalgas puede ser una alternativa rentable y ecológica.

This thesis studied the revalorization of ricotta cheese whey, a dairy industry by-product with low added value, for being used as substrate to produce microalgal biomass. The main objective was to develop a bioprocess for microalgae production using ricotta cheese whey as an alternative growth medium, thus contributing to the sustainability and profitability of the dairy industry. Despite having residual nutritional value, ricotta cheese whey has limited use in human food due to its high salinity. Furthermore, its high percentage of water makes its transport more expensive. In addition, it represents an environmental risk due to its pollutant load, with biological oxygen demand values close to 50 g L-1 and chemical oxygen demand around 80 g L-1. Ricotta cheese whey was characterized, confirming that its carbohydrate content (5.5 g 100 g-1), together with other available macronutrients and minerals, makes it a potentially suitable medium for microalgae growth. The adaptation capacity of the microalgae Arthrospira maxima, Arthrospira platensis and Chlorella vulgaris was evaluated in growth media with increasing concentrations of ricotta cheese whey, proving the adaptation capacity of the three strains to all the concentrations assayed. Among them, a superior performance was observed by the mixotrophic systems of C. vulgaris, not only because all its parameters were located within the significance group of highest performance, but also because this microalga reached its stationary phase at 96 h incubation time (24 h before A. maxima and A. platensis). In a second instance, the ricotta cheese whey was pretreated by tangential flow microfiltration with a membrane with a nominal pore size of 0.1 μm, to reduce the suspended particles that could interfere with the incidence of light radiation, as well as the microbial load of the ricotta cheese whey, which could reduce the performance of the microalgae by competing for the available nutrients. The results showed that, among the studied strains, C. vulgaris was the one that best developed in ricotta cheese whey pretreated by microfiltration, demonstrating significant superiority over A. platensis and A. maxima in terms of maximum specific growth rate (μmax), maximum relative logarithmic concentration (Cmax) and biomass productivity. Regarding microfiltration as a sterilization method, it was verified that it reduced the microorganism load of ricotta whey from 96 CFU mL-1 to < 1 CFU mL-1. In this context, the microalga C. vulgaris and the undiluted ricotta cheese whey system were chosen for the following tests. Once the strain and concentration of ricotta cheese whey had been defined, progress was made with the optimization of the culture conditions to maximize biomass production. Several variables Revalorización de subproductos de la industria láctea para la obtención de biomasa microalgal were explored, including the whey pretreatment method, nutrient supplementation, lighting sources and conditions, inoculum concentration, initial pH and mixing speed. It was found that the cultures with the best performance were those carried out in ricotta cheese whey pretreated by tangential microfiltration. Likewise, this technique decreased turbidity, without generating undesired chemical reactions in the whey, which otherwise could result in the reduction of the bioavailability of its nutrients. The supplementation study was carried out through a composite central design. Contrary to expectations, supplementation, in the range of concentrations tested, did not improve the kinetic growth parameters. Regarding the light sources, superior growth parameters were obtained when using LED sources. Among these types of sources, Chlorella vulgaris cultures exposed to white LED light (650 nm, 520 nm, 460 nm) showed higher biomass productivity than those exposed to red (650 nm), blue (460 nm) and red-blue (650 nm, 460 nm) LED lights, all of them with a 12/12 h light/dark photoperiod and an approximate PAR radiation of 50 µmol m-2 s-1. Using a central composite design, it was determined that the initial pH variable presented an optimal value of 8.03. Likewise, it is important to highlight that the systems showed a tendency to self-regulate the pH, all being within the range 7.90-9.11 at the end of the test. Regarding the inoculum concentration, its variation was not significant (p > 0.05). Finally, it was demonstrated that the optimal mixing condition was 100 rpm, since systems exposed to orbital mixing with speeds of 100 and 150 rpm show the best performances, and among them the 100 rpm system was the one with the lowest energy requirement. Finally, the scaling of Chlorella vulgaris cultures to a laboratory scale in a 2 L culture volume was addressed. For this, dynamic similarity criteria were applied, considering the energy dissipation rate per unit volume as the reference parameter, obtaining a stirring speed of 500 rpm as a result. In this aspect, the cell dimensions were analyzed, which resulted in 6.4 ± 1.5 µm, with a maximum value of 12.9 µm and the critical length of the eddies was calculated, resulting in a value of 70 µm which, being widely superior to the diameters of the cells, it did not represent a risk to their integrity. Finally, the scaled and the reference culture presented no significant difference in productivity (p > 0,05). These results suggest that scaling is feasible and that the use of ricotta cheese whey as a culture medium can be implemented in an industrial context. In conclusion, this thesis demonstrates the feasibility of using ricotta cheese whey as a culture medium to produce microalgal biomass, contributing to the sustainability of the dairy industry and offering an alternative for reducing its environmental impact. This research opens new opportunities for the valorization of agro-industrial by-products and suggests that microalgae production can be a profitable and environmentally friendly alternative.