Modelagem, simulação e otimização de cultivos autotróficos de pseudoneochloris marina em fotobiorreatores airlift

Abstract

As microalgas são micro-organismos fotossintéticos que podem fixar o CO2 de diferentes fontes e sob condições adequadas de cultivos são capazes de produzir carboidratos, proteínas, lipídeos e compostos de valor agregado como ácidos graxos e carotenoides de interesse para a área de alimentos. Na fase inicial deste trabalho, a partir de análise de rDNA foi feita a identificação filogenética da cepa de microalga verde que apresentou 96 % de similaridade para Pseudoneochloris marina quando comparada as sequências depositadas no GenBank. A partir da identificação da microalga foram realizados testes preliminares para ajuste da concentração de nitrogênio (NaNO3) no meio de cultura dos cultivos em processo descontínuo (batelada). A maior concentração de biomassa (2,02 ± 0,21 g L-1) foi obtida com 450 mg L-1 de NaNO3. Esta condição foi definida e aplicada nos experimentos subsequentes. Além da concentração de nitrogênio, a influência dos parâmetros externos, temperatura e intensidade luminosa, foram avaliados na produção e composição da biomassa de P. marina. A maior produtividade de biomassa (0,26 g L-1 d-1) foi obtida nas culturas a 28 ºC e 252 e 364 μmol m-2 s-1. Os carboidratos foram os compostos de reserva acumulados em maior concentração pelas células de microalga. O teor de proteínas foi reduzido quando cultivadas em maior temperatura e intensidade luminosa. O aumento da intensidade luminosa afetou negativamente o conteúdo de carotenoides e lipídeos. A partir da identificação e quantificação dos carotenoides e ácidos graxos presentes na biomassa obteve-se como majoritários a luteína e β-caroteno, e C16:0, C18:2n-6 e C18:3n-3, respectivamente. Quando cultivadas a 20 ºC, obteve-se a menor proporção ω6:ω3 (1,6) na produção de ácidos graxos. Nesta etapa mostrou-se o potencial de cultivo da microalga P. marina para produção de produtos como carotenoides e ácidos graxos poli-insaturados. Na segunda etapa foi realizada a modelagem matemática para os cultivos de P. marina nos processos em batelada, batelada repetida e contínuo. Cinco modelos matemáticos foram analisados para descrever o crescimento celular e consumo de nitrogênio de cultivos em batelada. Os resultados mostraram que o modelo ModNXmax apresentou os maiores coeficientes de correlação para predição das culturas. Ainda foram desenvolvidos modelos matemáticos para descrever a formação dos produtos: carotenoides, proteínas e lipídeos. Os modelos CP2 e CP3 apresentaram melhor predição para carotenoides e proteínas, o modelo Luedeking-Piret apresentou R² igual a 0.99 para produção de lipídeos. Na terceira etapa deste trabalho, a partir dos resultados obtidos na modelagem das culturas, foram realizadas simulações de crescimento celular e consumo de nitrogênio para os processos em batelada- vi repetida e contínuo. O volume ótimo para renovação de meio nos cultivos em batelada repetida a cada 48 h e a taxa de diluição no processo contínuo foi 1,4 L e 0,46 d- 1, respectivamente. A produtividade de biomassa em ambas as culturas superou os valores preditos na simulação resultando em 0,56 ± 0,06 g L-1 d-1 para culturas em batelada repetida e 0,66 ± 0,04 g L-1 d-1 para o processo contínuo. Observou-se aumento na produção de proteínas e carotenoides (all-trans-violaxantina, all-trans-α-caroteno e β-caroteno) quando comparados aos cultivos em batelada. Os cultivos contínuos apresentaram aumento na produção de ácidos graxos poli-insaturados e ω3 (ácido linolênico). Assim, os cultivos resultaram em uma relação ω6:ω3 de 1,4, sendo considerada apropriada, uma vez que por recomendação da FAO/WHO estima que o consumo desses ácidos graxos tenha razão inferior a 10. Os cultivos contínuos de microalga P. marina integrados com fermentadores de cerveja para fixação de CO2 biológico apresentaram resultados satisfatórios. O suprimento de CO2 a partir de fermentação de cerveja em ambas as relações entre os volumes de fotobiorreator:fermentador para fixação/produção de CO2 avaliadas foram suficientemente adequadas para manter o crescimento celular, bem como o perfil e quantidade de produtos formados de acordo com os resultados prévios obtidos para o sistema contínuo com CO2 de cilindro.

Microalgae are photosynthetic microorganisms that can fix CO2 from different sources and, under proper cultivation conditions, are capable of producing carbohydrates, proteins, lipids and value-added compounds such as fatty acids and carotenoids with significance to the food area. In the first step of this work, the green microalgae strain was subjected to rDNA analysis and phylogenetic identification, and presented 96 % of similarity to Pseudoneochloris marina when compared as sequences deposited in GenBank. After the identification of the microalga, preliminary tests were performed to adjust the nitrogen concentration (NaNO3) of the cultures in batch process. The highest biomass concentration (2.02 ± 0.21 g L-1) was achieved with 450 mg L-1 of NaNO3. This condition was applied in subsequent experiments. In addition to the nitrogen concentration, the influence of the external parameters, temperature and light intensity were evaluated in the production and composition of P. marina biomass. The highest biomass productivity (0.26 g L-1 d-1) was achieved in the cultures at 28 °C and 252 and 364 μmol m-2 s-1. Carbohydrates were the reserve compounds accumulated at high concentrations by microalgae cells. The protein content was reduced when P. marina was grown at high temperature and light intensity. The increase in light intensity showed a negative effect in the content of carotenoids and lipids. Lutein and β-carotene, and C16:0, C18:2n-6 and C18:3n-3, respectively, were identified as the major components of the identification and quantification of the carotenoids and fatty acids present in the biomass. The lowest ω6:ω3 (1.6) ratio was observed at 20 °C. This step of the study showed the potential of P. marina for the production of carotenoids and polyunsaturated fatty acids. During the next step, the mathematical modeling was performed for the P. marina cultures in the batch processes, repeated and continuous batch. Five mathematical models were analyzed to describe cell growth and nitrogen consumption of batch cultures. The results showed that the ModNXmax model presented the highest correlation coefficients. Mathematical models have also been developed to describe the formation of products: carotenoids, proteins and lipids. The CP2 and CP3 models showed better prediction for carotenoids and proteins. The Luedeking-Piret model presented R² = 0.99 for lipid production. In the last step of this work, from the models were used to simulate cell growth and nitrogen consumption in repeated-batch and continuous processes aiming to maximize biomass productivity. The optimum renewal volume for the repeated-batch cultures using 48-h intervals and the dilution rate for the continuous process were 1.4 L and 0.46 d-1, respectively. The biomass yield in both cultures exceeded predicted values by the simulations, resulting in 0.56 ± 0.06 g L-1d-1 for repeated-batch cultures and 0.66 ± 0.04 g L-1d-1 for the continuous viii process. There was an increase in the production of proteins and carotenoids (all-trans-violaxanthin, all-trans-α-carotene and β-carotene) when compared to batch cultures. Continuous cultures showed increased production of polyunsaturated fatty acids and ω3 (linolenic acid). Thus, the cultures resulted in an ω6:ω3 ratio of 1.4. Finally, the continuous culture of P. marina was integrated to beer fermenters. The CO2 supply from beer fermentation in both photobioreactor:fermenter volume ratios tested (2.5:1 and 5:1) were adequate to maintain cell growth, as well as the profile and amount of products formed according to the results obtained for the continuous system with cylinder CO2.