Cultivo de microalgas y cuantificación de biomasa en un fotobiorreactor a escala de banco con gases de combustión corrosivos

Los fotobiorreactores son útiles para experimentos controlados y el cultivo de productos microalgas más puros de lo que se puede lograr mediante estanques abiertos. El cultivo de microalgas en fotobiorreactores a escala de banco apoya el desarrollo de conocimientos fundamentales que pueden utilizarse para el escalado de procesos. Ligeros cambios en las condiciones ambientales pueden alterar significativamente los experimentos microbiológicos y confundir los resultados¹. Un proceso estéril con control de sparging de temperatura, pH y gas es ventajoso para estudiar las propiedades y el rendimiento de los microalgas en condiciones variadas. Además, el control sobre las concentraciones de gas de entrada, la temperatura, la fuerza de cizallamiento de la mezcla y el pH medio pueden apoyar diversas especies que de otro modo son difíciles de cultivar. Los fotobiorreactores se pueden ejecutar como un proceso por lotes con alimentación y sparging continuos de gas, o como un sistema de flujo a través de chemostat con alimentación y sparging continuos de gas, además de insumos de nutrientes de aguas residuales de fluidez y efluentes. Aquí, demostramos el proceso por lotes con alimentación continua de gas y sparging.

El uso de fotobiorreactores aborda varios desafíos de cultivo y producción de microalgas. El campo generalmente lucha con las preocupaciones de contaminación por otros microorganismos, la utilización eficiente del sustrato (que es especialmente importante en el caso de la mitigación del_CO2 o el tratamiento de aguas residuales)², control de pH, variabilidad de iluminación y productividad de biomasa³. Los fotobiorreactores permiten a los investigadores estudiar una amplia gama de fototróteles en sistemas de lotes estrechamente controlados, donde incluso las especies de crecimiento lento están protegidas de depredadores o microorganismos competidores^4. Estos sistemas de lotes también son mejores para facilitar mayores tasas de utilización de CO₂ y productividad de biomasa porque son sistemas cerrados que son más propensos a estar en equilibrio con los gases suministrados. La tecnología fotobiorreactor también ofrece control de pH, la falta de la cual ha obstaculizado la alta productividad de la biomasa en estudios anteriores^5. A escala de banco, el nivel de control ofrecido por los fotobiorreactores es ventajoso para los investigadores. A escalas industriales más grandes, los fotobiorreactores se pueden utilizar para mantener la pureza comercial de los bioproductos y mejorar la eficiencia de la producción para aplicaciones nutracéuticas, cosméticas, alimentarias o de piensos⁶.

Las microalgas son de gran interés para la biosecuestro de CO₂ porque pueden fijar rápidamente el_CO2 como carbono de biomasa. Sin embargo, la mayoría de las fuentes antropogénicas de CO₂ están contaminadas con otros gases o contaminantes corrosivos y tóxicos (NO_x, SO_x, CO, Hg), dependiendo de la fuente de combustible del proceso de combustión. El creciente interés por el secuestro sostenible de CO₂ ha impulsado el desarrollo de tecnologías fotobiorreactoras para tratar las emisiones ricas en_CO2,como las de las centrales eléctricas de carbón(cuadro 1). Desafortunadamente, existe un riesgo inherente de exposición humana y ambiental a los contaminantes corrosivos y tóxicos durante los procesos de investigación y ampliación. Como tal, describir el montaje y funcionamiento seguro de los biorreactores utilizando gases corrosivos es necesario e instructivo.

Este método es para el uso de un fotobiorreactor a escala de banco de 2 L para el crecimiento de microalgas en condiciones experimentales cuidadosamente controladas. El protocolo describe el almacenamiento de microalgas, la preparación del inóculo y la configuración y esterilización del fotobiorreactor. Más allá de la operación básica, este trabajo describe las mediciones de biomasa microalgal y los cálculos de productividad de la biomasa, y la adaptación del equipo para el cultivo de microalgas con gases corrosivos. El protocolo descrito a continuación es adecuado para los investigadores que buscan ejercer un mayor control experimental, optimizar las condiciones de crecimiento microalgas o cultivar axenéticamente una gama de microbios fototróficos. Este método no describe los materiales adecuados para el cultivo de microbios que producen o consumen gases inflamables (por ejemplo, CH₄, H_2,etc.) ⁷.