Características del cultivo de microalgas usando aire disponible comercialmente

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3792 (2023) Citar este artículo

1162 Accesos

Detalles de métricas

Los envases de colchón de aire (AC) se han vuelto ampliamente utilizados en todo el mundo. Los AC son soluciones de embalaje de plástico dual llenas de aire que se encuentran comúnmente alrededor y protegiendo artículos de valor dentro de los recintos de envío durante el tránsito. Aquí, informamos sobre una evaluación de laboratorio que emplea AC como fotobiorreactor de microalgas (PBR). Un PBR de este tipo aborda inherentemente muchos de los problemas operativos que normalmente se encuentran con los estanques de raceway abiertos y los fotobiorreactores cerrados, como la pérdida de agua por evaporación, la contaminación externa y la depredación. Usando AC llenos hasta la mitad, se examinó el rendimiento de las especies de microalgas Chlorella vulgaris, Nannochloropsis oculata y Cyclotella cryptica (diatomeas) y se determinó que el peso seco libre de cenizas y la productividad total de la biomasa eran 2,39 g/L y 298,55 mg/L/ día para N. oculata, 0,85 g/L y 141,36 mg/L/día para C. vulgaris, y 0,67 g/L y 96,08 mg/L/día para C. cryptica. Además, la productividad máxima de lípidos de 25,54 mg/L/día AFDCW y la productividad de carbohidratos de 53,69 mg/L/día AFDCW fueron alcanzadas por C. cryptica, mientras que la productividad máxima de proteínas de 247,42 mg/L/día AFDCW fue alcanzada por N. oculata. Los datos de este trabajo serán útiles para determinar la aplicabilidad y el perfil del ciclo de vida de los AC reciclados y reutilizados como posibles fotobiorreactores de microalgas, según el producto final de interés, la escala utilizada y los costos de producción.

Las actividades humanas, como el consumo excesivo y la superpoblación, han contribuido al deterioro ambiental del entorno biofísico a través del agotamiento de los recursos, la destrucción de ecosistemas y hábitats y la contaminación. Esto incluye, entre otros, el agotamiento de las poblaciones de peces de captura silvestre y el aumento de los niveles de contaminación por plásticos en los océanos. La mitigación de estos efectos nocivos requerirá un desarrollo sostenible basado en una metodología de nexo entre agua, alimentos y energía que reconozca la interconectividad de los recursos, la capacidad y los desechos ambientales. De acuerdo con esto, los conceptos de sostenibilidad de las 4R de Reducir, Reutilizar, Reciclar y Reutilizar (repensar) se están incorporando con mayor frecuencia en los enfoques de evaluación del ciclo de vida ambiental (ACV), especialmente aquellos que formulan estrategias de gestión de residuos plásticos y políticas públicas1. Aunque estas 4R de sostenibilidad no son conceptos nuevos, nunca han sido más importantes que hoy en un mundo cuya población estimada de 9800 millones en 2050 refleja un aumento de casi 2000 millones de personas durante el período más reciente de 30 años. Suponiendo que se desarrollen las tendencias de la población, la producción de microalgas será cada vez más necesaria para garantizar un suministro suficiente de proteínas nutritivas y otros bioproductos para la población mundial2,3.

A lo largo de los años, se han publicado muchos análisis tecnoeconómicos de microalgas centrados en los balances de gases de efecto invernadero (GEI)4 y los balances de uso del agua5,6. Aunque durante décadas se ha explorado un interés y un esfuerzo significativos en el cultivo de algas a gran escala, la industria todavía está plagada de altos costos de producción que requieren el desarrollo de ideas innovadoras en metodologías de cultivo y cosecha7. Las microalgas son organismos unicelulares que se encuentran comúnmente en la naturaleza prosperando en muchas condiciones ambientales diferentes. Algunos de estos entornos pueden ser bastante hostiles, lo que da como resultado el desarrollo interno de mecanismos de supervivencia para contrarrestar los factores ambientales estresantes. Muchas de estas respuestas de estrés celular dan como resultado la biosíntesis de productos de interés comercial, como antioxidantes y carotenoides bajo exposición intensa a la luz ultravioleta, junto con metabolitos generales y otros nutrientes funcionales8. La producción comercial de microalgas se logra actualmente utilizando una variedad de diseños de cultivo, que incluyen estanques raceway (RWP), tubos, bolsas de plástico de polietileno, fotobiorreactores (PBR) para interiores y exteriores y fermentadores9,10,11,12. A menudo, los cultivos de microalgas axénicas al aire libre comienzan con inóculos cultivados en interiores, donde se excluyen los depredadores y se controlan los nutrientes y las condiciones ambientales, y luego se trasladan a tanques al aire libre o raceways para la producción en masa3.

Los resultados de las evaluaciones detalladas "de la cuna a la tumba" revelarán estrategias apropiadas de desarrollo de I+D y mejora de proyectos para las alternativas innovadoras que surjan. Una de estas alternativas de biorrefinería de microalgas es Bubble Farming (BF), donde se prevé fabricar láminas de plástico de burbujas en el lugar utilizando equipo agrícola modificado y luego se colocan en la superficie de la tierra con cada burbuja llena con una mezcla de algas acuosas específicas para su posterior cosecha13 . Los diámetros de las láminas y de las burbujas individuales se dimensionan para adaptarse a la estación de cultivo y al terreno de una región específica, a la aplicación anticipada y al uso final deseado, como Diafuel (biocombustible a partir de diatomeas)14. BF aborda inherentemente muchos de los problemas operativos que normalmente se encuentran con los sistemas RWP abiertos y PBR cerrados, como la pérdida de agua por evaporación, la contaminación externa y la depredación. Otra alternativa de biorrefinería de microalgas es el biorreactor de plástico OMEGA desarrollado por la NASA15 para la remediación de aguas residuales con microalgas desplegado cerca de jaulas de acuicultura en alta mar, cerca de la costa de comunidades costeras muy próximas a granjas de acuicultura del tamaño de familias/agroindustrias en tierra (permitiendo el uso de tierras no cultivables o en barbecho y BF/rotación de cultivos) o eliminación de aguas residuales en emisarios marinos. OMEGA es un sistema para el cultivo de microalgas que utiliza aguas residuales contenidas en grandes PBR de polietileno de baja densidad, lineales y flotantes desplegados en ambientes marinos, que emplea ósmosis directa a través de paredes de membranas tubulares para concentrar pasivamente los nutrientes y deshidratar la biomasa de microalgas para su posterior conversión en biocombustibles o fertilizantes16 .

En el presente estudio, las características del cultivo de microalgas se evaluaron utilizando un material de embalaje de colchón de aire (AC) de plástico reutilizado y reutilizado como fotobiorreactor. Los AC son soluciones de empaque personalizadas de dos materiales que generalmente se fabrican con polietileno y se envían llenas de aire. Los AC se encuentran comúnmente rodeando y protegiendo artículos de valor dentro de muchos recintos de envío durante el tránsito. El aire acondicionado típico consiste en una película plástica delgada que es reciclable, pero no necesariamente biodegradable. En los últimos años, se ha observado que los consumidores han dejado de usar envoltorios de burbujas por cojines de aire para empacar, principalmente debido a su percepción de sostenibilidad y facilidad de uso. Los AC también ocupan menos espacio en los almacenes, ya que normalmente se llenan de aire al usarlos, lo que reduce los costos de almacenamiento, mejora el uso del espacio y permite su reutilización en envíos posteriores. De hecho, se proyecta que el tamaño del mercado global de empaques de aire acondicionado alcance los $ 4.4 mil millones para 2025, registrando una tasa de crecimiento anual compuesto de 7.0%17. Este crecimiento global de la demanda se atribuye a una creciente necesidad de protección de los bienes contra las duras condiciones de tránsito y las superficies.

Dada la expansión de la producción de aire acondicionado, es importante reciclar o reutilizar el material usado o excedente para reducir y mitigar los desechos plásticos resultantes. Un posible uso reutilizado para AC es el cultivo de microalgas. Los AC reutilizados y reutilizados pueden ayudar a reducir la inversión de capital en la empresa de biorrefinería de microalgas, al tiempo que proporcionan un entorno aislado y libre de contaminantes durante el cultivo. Además, los AC sellados abordan inherentemente muchos de los problemas operativos que normalmente se encuentran con la bioproducción de microalgas RWP abierta tradicional y PBR cerrada, como la pérdida de agua por evaporación, la contaminación externa y la depredación. De acuerdo con esto, según nuestro conocimiento, una primera evaluación de laboratorio del cultivo de microalgas y la producción de biomasa y lípidos por parte de tres especies de microalgas (de agua dulce y marina), a saber, Chlorella vulgaris UTEX 395, Nannochloropsis oculata CCMP 525 y diatomea Cyclotella cryptica CCMP 33218 , se llevó a cabo para determinar si los AC disponibles comercialmente y descartados con frecuencia pueden servir como PBR sin modificaciones y con qué nivel de productividad.

La metodología utilizada en este estudio se centró inicialmente en un enfoque cualitativo para determinar si se produce un intercambio positivo de gases de CO2 y O2 en el material plástico no formulado especialmente del AC. Seguido de un enfoque cuantitativo en el que los cambios fisiológicos en las algas cultivadas en AC-PBR bajo las mismas condiciones abióticas [luz, CO2 (aireación/intercambio de gases), pH, temperatura, volumen] se determinaron analizando el crecimiento, la composición bioquímica y los ácidos grasos. perfiles. Además, se realizaron pruebas de C. cryptica para dilucidar los efectos de la sílice biogénica, que incluyeron el peso seco libre de cenizas y el análisis elemental de nitrógeno. Finalmente, se realizó un análisis LC-MS (cromatografía líquida-espectroscopia de masas) para determinar la síntesis del carotenoide de alto valor fucoxantina por la diatomea C. cryptica. Los datos de esta evaluación serán útiles en la determinación de la aplicabilidad conceptual y la utilidad de los AC como un PBR de microalgas independiente potencial, así como en los análisis tecnoeconómicos de LCA, con las decisiones económicas y de factibilidad finales dependiendo del valor del producto final objetivo (biomasa, lípidos, proteínas o carbohidratos) desarrollado y la escala utilizada.

Nannochloropsis oculata CCMP 525 (en adelante, N. oculata) y Cyclotella cryptica CCMP 332 (en adelante, C. cryptica) se obtuvieron del Centro Nacional de Algas Marinas y Microbiota (NCMA) (Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas, Maine, EE. UU.). N. oculata se mantuvo en medio marino F/2 modificado con macronutrientes (Phyto Technology Laboratories, EE. UU.). C. cryptica se mantuvo en medio marino L1 modificado con macronutrientes (NCMA). Chlorella vulgaris UTEX 395 (en adelante C. vulgaris) se adquirió de la colección de cultivo de algas de la Universidad de Texas (Austin, EE. UU.) y se mantuvo en Bold's Basal Medium (BBM, Phyto Technology Laboratories, EE. UU.). El pH de todos los medios se fijó en 7,5 utilizando un medidor de pH (Orion 3 Star, Thermo Fisher, EE. UU.). Para la preparación del inóculo, las cepas de algas se cultivaron en los medios respectivos utilizando matraces Erlenmeyer de 125 mL con un volumen de trabajo de 50 mL bajo luz blanca continua con una intensidad de 100 µmol/m2s en un agitador incubador (Excella E24, New Brunswick Scientific, Eppendorf, Alemania) a 150 rpm a 23 °C durante 3–4 días (fase logarítmica).

El AC-PBR seleccionado para las tres especies de microalgas examinadas aquí fue un material de empaque de AC disponible comercialmente que se encuentra típicamente en cajas de envío. Para garantizar la consistencia durante el estudio, se adquirió una cantidad suficiente de unidades de aire acondicionado (AIRplus de STOROpack), cada una de 90 mm × 180 mm × 0,0254 mm (3,543 × 7,087 × 0,001 pulgadas) y están hechas de polietileno transparente de baja densidad. (PEBD). Algunos de estos AC se mantuvieron en el sitio para la investigación discutida aquí y algunos se proporcionaron a colegas de la Universidad Dr. Hari Singh Gour en India para sus investigaciones19. En teoría, cada AC-PBR obtenido puede contener ~ 380 ml de líquido. Aunque los experimentos preliminares realizados a 1/4, 1/2 y 3/4 de capacidad revelaron resultados de densidad óptica aproximadamente equivalentes (OD680 nm) en todas las especies de algas analizadas, los resultados más consistentes se obtuvieron a la mitad de su capacidad (datos complementarios). Por lo tanto, en este estudio se seleccionó la configuración AC-PBR llena hasta la mitad (~ 190 ml).

El primer paso para determinar si el crecimiento ocurrirá de hecho y a qué nivel de productividad fue determinar si se produciría un intercambio de gases de CO2 y O2 en la superficie de AC-PBR. Los hallazgos cualitativos del intercambio de gases de CO2 y O2 en la superficie de AC-PBR se informan en la sección "Determinación del intercambio de gases en AC-PBR".

CO2: dos AC-PBR se llenaron con gas CO2 puro comprimido suministrado por Airgas (EE. UU.), se sellaron con calor y se sumergieron bajo el agua para confirmar que no había fugas. Se colocó un AC-PBR (inicialmente lleno a 250 mL) sobre la mesa del laboratorio a 23 °C para observar si el CO2 se difundía a través del plástico LDPE hacia la atmósfera durante la noche bajo un gradiente positivo. El segundo AC-PBR (inicialmente lleno hasta 300 ml con CO2) se sumergió en un recipiente tapado con agua a un pH inicial de 7,1. El volumen total dentro del recipiente fue de 5,5 l y no se observaron burbujas que escaparan del AC-PBR ni se adhirieran a la superficie.

O2: dos AC PBR se llenaron con gas O2 puro comprimido suministrado por Bernzomatic (EE. UU.), se sellaron con calor y se sumergieron bajo el agua para confirmar que no había fugas. Se colocó un AC-PBR sobre la mesa del laboratorio para observar visualmente si el O2 se difundía a través del plástico LDPE hacia la atmósfera bajo un gradiente positivo durante la noche. El segundo AC-PBR se sumergió en un recipiente de agua tapado con un volumen total de 3,0 l y no se observaron burbujas escapando del AC-PBR ni adheridas a la superficie.

La mayoría de las investigaciones sobre microalgas describen PBR con alguna forma de suministro activo y continuo de gas CO2 comprimido filtrado como fuente de carbono. Aunque los resultados del intercambio de gases de AC CO2 fueron prometedores, persistía la preocupación de si habría suficiente CO2 presente durante todo el período de cultivo simplemente mediante el intercambio de gases en la superficie de AC-PBR. Una prueba preliminar de C. vulgaris reveló que mientras las microalgas permanecían visualmente verdes, el crecimiento medido por OD680 nm solo aumentó un 10,8 % durante el período de prueba de 10 días sin suplementos adicionales de CO2. Para mejorar el crecimiento de las cepas de algas, agregamos bicarbonato de sodio (NaHCO3 = 48 g/L) a los AC-PBR de C. vulgaris y N. oculata. Este procedimiento se modificó aún más burbujeando inicialmente en gas CO2 comprimido filtrado hasta que se alcanzó la saturación de la solución (es decir, se estabilizó el pH por caída), seguido de la titulación de los medios con solución saturada de bicarbonato de sodio a un pH de 7.

La intensidad de la luz adecuada es un parámetro importante para garantizar que la fuente de energía requerida para la fotosíntesis pase no solo a través de la superficie de plástico AC-PBR, sino que también penetre lo suficiente en el interior para reducir los efectos de sombreado de celda a celda20. Se usó un medidor de luz portátil (Modelo CA813, AEMC Instruments) para medir la intensidad de la luz en lúmenes por metro (lux) en la superficie del AC PBR. Se realizaron pruebas en C. vulgaris y N. oculata en tres condiciones: (1) Una luz (luces LED blancas naturales Airand CT-X01A600-18) a 77 µmol/m2s, sin agitación con 16:8 h (luz: oscuridad ) fotoperiodo; (2) Una luz en una mesa vibradora a 75 rpm y 65 µmol/m2s con iluminación (continua) de 24 h; y (3) Dos luces a un total de 180 µmol/m2s con un fotoperíodo de 16:8-h (luz:oscuridad). Los resultados iniciales que usaron un medio mejorado sin CO2 no revelaron diferencias significativas de OD entre la mesa agitadora y la configuración de una luz sin agitador, pero los resultados de dos luces sin agitador fueron ligeramente mejores que la configuración de una luz (datos no mostrados). Por lo tanto, se seleccionaron dos filas de luces LED como configuración de prueba de iluminación de referencia interior.

En apoyo del objetivo de determinar si el crecimiento celular ocurrirá de hecho dentro del AC-PBR ya qué nivel de productividad, se realizaron dos experimentos con cada una de las tres especies de microalgas seleccionadas en los medios respectivos. Se utilizó un inóculo inicial (OD680 nm = 0,6–0,8) del 10 % (v/v) para todas las especies examinadas. Una vez que se alcanzó la DO celular adecuada en los matraces de cultivo con agitación, se cosechó cada suspensión de algas y se añadió al medio recién preparado, como se describe en la sección "Cultivo de microalgas". Antes de agregar las algas, el medio se mejoró burbujeando en gas CO2 comprimido filtrado hasta que se alcanzó la saturación de la solución (es decir, se estabilizó el descenso del pH), seguido de la adición de bicarbonato de sodio saturado (NaHCO3 = 48 g/L) hasta que se logró un pH neutro. . El volumen final se incrementó estequiométricamente con una solución de macronutrientes en función de la cantidad de NaHCO3 añadida.

Antes del comienzo de la prueba AC-PBR, cada AC-PBR lleno de aire se colocó bajo una lámpara germicida UV-C durante 15 minutos para esterilizar el volumen interior y evitar la contaminación. A través de una pequeña abertura en el AC, se pipetearon aproximadamente 190 ml (volumen de trabajo) de suspensión de células de algas en el interior, se eliminó el aire adicional y el AC-PBR (volumen total de 380 ml) se volvió a sellar con una máquina selladora al vacío externa VacMaster Pro110. Se revisó el sistema en busca de fugas.

Los AC-PBR para cada cepa de algas se mantuvieron bajo dos filas de LED con una intensidad de luz de 180 µmol/m2s con un fotoperíodo de 16:8 h (luz:oscuridad), sin agitación a 25 °C. El cultivo se llevó a cabo hasta que cada alga alcanzó la fase estacionaria temprana (C. vulgaris- 6 días, N. oculata- 8 días y C. cryptica- 7 días). Las fotos de la configuración de la prueba de cultivo de microalgas AC-PBR para cada cepa se pueden encontrar en Datos complementarios.

Se evaluó el crecimiento de algas en términos de densidad óptica a 680 nm (OD680 nm) utilizando un espectrofotómetro (DU 730, Beckman Coulter, Brea, CA, EE. UU.) y el peso de células secas (DCW, g/L) por duplicado para cada especie de alga21, 22 Cada 24 h se midió la DO de cada una de las algas para derivar una curva de crecimiento. Se midieron nitrato (NO3−), nitrito (NO2−), fosfato (PO4−) y pH cada 24 h utilizando tiras reactivas (Hach Company, Loveland, Colorado, EE. UU., y Micro Essential Laboratory (HYDRION), Brooklyn, Nueva York , EE.UU). Al final del cultivo, las células de algas se recolectaron por centrifugación a 5000 g durante 10 min a 25 °C y se lavaron dos veces con agua destilada (C. vulgaris) o solución de NaCl al 0,9% (N. oculata y C. cryptica) para Retire los componentes de los medios. A continuación, la biomasa resultante se colocó en un horno a 50 °C para que se secara durante la noche. El DCW se determinó gravimétricamente utilizando una balanza digital de sobremesa (Mettler Toledo, EE. UU.) de acuerdo con la siguiente ecuación:

Los valores de DCW se usan típicamente directamente en especies de microalgas que contienen niveles de ceniza <10%. Sin embargo, las diatomeas suelen contener una cantidad considerable de cenizas minerales debido a la contribución del exoesqueleto de sílice no carbónico23, aunque incluso las algas verdes pueden exhibir un contenido de cenizas del 10 % o más24. Como resultado, en especies con porcentajes de cenizas más altos, se determinó el peso seco libre de cenizas (AFDCW; g/L) para garantizar una medición precisa de la concentración y la productividad de los constituyentes bioquímicos individuales, ya que el análisis de composición basado únicamente en las mediciones de DCW puede subestimar la cantidad real25. Para la medición de AFDCW, se agregó biomasa seca a platillos de pesaje de aluminio previamente pesados ​​y luego se volvió a pesar. Luego, las placas se colocaron en una mufla y se oxidaron (incineración) a 475 °C durante 5 h. Después del enfriamiento, las muestras se volvieron a pesar y registrar. AFDCW% se calculó de acuerdo con la siguiente ecuación:

Debido a las preocupaciones sobre el alto contenido de cenizas antes mencionadas, se utilizó AFDCW a lo largo de este estudio y se determinó de acuerdo con la siguiente ecuación:

Para cada configuración experimental, el contenido total de lípidos, el contenido total de carbohidratos y el contenido total de proteínas se midieron utilizando protocolos publicados previamente26. Brevemente, la disrupción celular se realizó mecánicamente con nitrógeno líquido seguido de la adición de cloroformo/metanol (2:1 v/v) utilizando el método modificado de Bligh y Dyer para el fraccionamiento y separación de lípidos. Los lípidos totales se extrajeron de la fase de cloroformo, se secaron al vacío y se midieron gravimétricamente. Los carbohidratos totales se midieron utilizando el método del ácido fenolsulfúrico con biomasa hidrolizada con ácido, y la proteína total se calculó como el resto del 100 % después de restar el % de lípidos, el % de carbohidratos y el % de cenizas27,28. La productividad de biomasa, el contenido de lípidos y la productividad de lípidos se calcularon utilizando las fórmulas siguientes:

La preparación de la muestra se realizó utilizando protocolos estándar29 y la determinación de FAME siguió protocolos publicados previamente30. Más específicamente, los lípidos totales extraídos (5-10 mg) de células de algas se disolvieron en cloroformo, se transfirieron a un vial de vidrio transparente y luego se agregó HCl metanólico 0,6 M con C13 como patrón interno a los viales de vidrio, que se sellaron y calentaron. a 85 °C durante 1 h para que se produzca la reacción de transesterificación. A continuación, los viales se enfriaron a temperatura ambiente, se sellaron y almacenaron en un congelador a -20 °C hasta que se produjo la extracción de FAME utilizando hexano mediante análisis GC-MS (Agilent Technologies 7200 GC-MS). La composición de FAME se identificó utilizando la base de datos de referencia estándar espectral de masas del NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología). La identificación y cuantificación de FAME se realizó analizando tiempos de retención y utilizando informes de búsqueda en biblioteca (base de datos NISTIL.S).

Para la extracción de fucoxantina de C. cryptica, se trituraron 50 mg de biomasa liofilizada usando nitrógeno líquido seguido de extracción de carotenoides usando etanol (100%). La suspensión celular se transfirió a un vial de vidrio y se incubó durante la noche a 4 °C en la oscuridad. El proceso se repitió hasta que el sedimento celular se volvió incoloro. A continuación, los extractos de etanol se secaron al vacío y se resuspendieron en 1 ml de metanol para LC-MS utilizando Agilent technologies 6460 Triple Quadrupole (QQQ) (Agilent 1100 Series, K1260 Infinity (2) stack). La separación y determinación de fucoxantina se realizó en base a un protocolo previamente publicado30. La fase móvil consistió en metanol y agua con un caudal de 0.400 mL/min a 35 °C con gradiente de elución en una columna de fase reversa C18 Eclipse Plus (Agilent, Santa Clara, CA USA) y cromatograma registrado a 445 nm. Se usó el estándar de fucoxantina (Número de catálogo F6932-10 mg, número de lote MKCP1541, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) para confirmar la presencia y la ubicación de los fragmentos de iones precursores eluidos y para construir la curva de calibración a través de una concentración rango de 1–10 µg/mL (datos complementarios).

Los resultados de LC-MS también se compararon con mediciones espectrométricas. Para el análisis espectrofotométrico, los carotenoides se disolvieron en 1 ml de hexano y se leyó la absorbancia a 663 nm y 445 nm. La concentración de fucoxantina se calculó mediante una curva de calibración de fucoxantina (0,2–10 µg/ml) (datos complementarios). La absorbancia de fucoxantina a 445 nm se corrigió restando la absorbancia a 663 (interferencia de clorofila). Esta corrección es necesaria porque la curva de calibración es solo para fucoxantina y existe una posible superposición entre las absorciones de clorofila (A y C en 663) y fucoxantina (en 445).

Todos los experimentos se llevaron a cabo por duplicado y se informó el valor medio ± desviación estándar (DE). Los datos se representaron utilizando Graph Pad Prism v 9.4.

Para determinar el intercambio de gases en los AC-PBR, se estimaron cualitativamente las tasas de difusión de CO2 y O2 a través del plástico LDPE. El AC-PBR lleno de CO2 (300 ml) quedó plano después de ~ 24 h, lo que confirma la difusión en gradiente del CO2 encerrado hacia el aire exterior. Además, el AC-PBR sumergido en agua con un pH inicial de 7,1 también era plano después de ~ 24 h y el pH del agua bajó a 5,7, lo que confirma nuevamente la difusión en gradiente del CO2 encerrado en el agua y la posterior formación de ácido carbónico (H2CO3 ). Para determinar si había alguna direccionalidad en la transferencia en el aire, se colocó un AC-PBR lleno de aire tal como se recibió en un frasco de vidrio sellable de boca ancha con el frasco lleno de CO2 y cerrado. A la mañana siguiente, de manera similar, después de ~ 24 h, se encontró que la altura del AC-PBR se había hinchado ~ 4 veces hasta un diámetro mayor que la boca del frasco, lo que confirma la difusión bajo un gradiente del CO2 exterior a través del exterior. Pared de CA de LDPE en la región interior llena de aire.

De manera similar, se encontró que los AC-PBR llenos de O2 puro tenían un volumen más pequeño después de ~ 24 h que originalmente, pero no tan planos como en la prueba anterior de CO2, lo que confirma la ocurrencia de difusión del O2 encerrado al aire exterior bajo un gradiente, pero a un ritmo mucho más bajo que el CO2. El AC-PBR sumergido también parecía tener un volumen ligeramente menor con el volumen total de agua reducido a ~ 2,95 L, lo que también confirma la difusión del O2 encerrado al agua exterior bajo un gradiente pero a una velocidad mucho menor que el CO2. Una cosa a tener en cuenta fue la presencia de muchas burbujas pequeñas adheridas a la superficie del AC-PBR que estaban presentes en la prueba de O2 sumergido en agua pero no estaban presentes en la prueba de CO2 sumergido en agua.

En conclusión, se observó que tanto el CO2 como el O2 se difunden a través de la superficie del AC-PBR bajo un gradiente positivo con una velocidad mucho mayor de difusión del CO2. Esta observación está respaldada por la literatura, según lo informado por Guisheng31, quien citó valores relativos de permeabilidad para CO2 y O2 de 10,7 y 3,1, respectivamente, para LDPE a 30°C32. Los hallazgos anteriores complementaron los resultados de Khan19, quien llenó frascos de vidrio de boca ancha con agua del estanque y los selló con una sola hoja de película plástica AIRplus AC estirada a lo largo del borde del frasco y asegurada con dos bandas elásticas. Los resultados después de 50 días revelaron que las algas permanecieron verdes sin que se observara pérdida de volumen de agua, lo que confirma que las algas presentes habían experimentado un intercambio suficiente de gases (CO2 y O2) necesarios para la fotosíntesis y la respiración. En general, estos resultados positivos combinados justificaron continuar con el estudio de cultivo de algas en CC, durante el cual se monitorearían los efectos nocivos sobre la duración del crecimiento y/o el rendimiento por acumulación de toxicidad de O2 y pérdida de agua.

Aunque observamos una transferencia de gas eficiente a través de la superficie AC-PBR, para garantizar que el CO2 esté presente durante todo el período de cultivo, los medios respectivos para cada cepa de algas se complementaron con 48 g/L de NaHCO3 además del burbujeo de CO2. Esto estableció nuestro sistema tampón de CO2-bicarbonato33 que aumentó significativamente la OD680 nm en casi cuatro veces para C. vulgaris y casi ocho veces para N. oculate sobre medios frescos y marinos no mejorados con CO2 (datos no mostrados). Sobre la base de estas observaciones, el procedimiento de burbujeo en CO2 seguido de la adición de bicarbonato de sodio a un pH neutro se hizo parte de la configuración de referencia para todas las especies analizadas, incluida la diatomea C. cryptica.

Para examinar la aplicabilidad de los AC-PBR de plástico reutilizados y reutilizados para el cultivo de microalgas, seleccionamos tres cepas de algas frescas y marinas: C. vulgaris, N. oculata y C. cryptica. C. vulgaris es un modelo de microalga verde de agua dulce que a menudo se usa como suplemento dietético o aditivo alimentario rico en proteínas y también se informa que acumula una gran biomasa y un contenido de lípidos intracelulares33. N. oculata es un alga verde marina fotoautótrofa, unicelular y flotante que se utiliza a menudo en la acuicultura como fuente de alimento rica en energía para larvas de peces y rotíferos34,35. Además, se considera un alga prometedora para aplicaciones industriales y nutracéuticas debido a su capacidad, en condiciones de cultivo adecuadas, de acumular altos niveles de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) y carotenoides, como astaxantina, zeaxantina y cantaxantina. C. cryptica es una diatomea marina (alga marrón) foto/heterótrofa unicelular, de flotación libre y céntrica que se utiliza a menudo en los alimentos acuícolas36. Se considera un alga prometedora para aplicaciones industriales y nutracéuticas debido a su capacidad para acumular altos niveles de PUFA y el carotenoide fucoxantina37,38. Además, dado que las diatomeas se caracterizan por una cubierta de sílice hidratada amorfa casi pura (frústula), también pueden servir como una fuente potencial de sílice biogénica para aplicaciones de alta calidad39,40. Finalmente, también se sabe que C. cryptica produce nanofibrillas de β-quitina (fibras)3,41, que pueden tener uso en la fabricación de biomembranas y bioplásticos que tienen una mejor biodegradabilidad que los plásticos42,43,44. La producción de plásticos de base biológica a partir de recursos naturales con altos niveles de polímeros a base de proteínas y carbohidratos presenta una alternativa biodegradable para reemplazar o complementar los plásticos tradicionales a base de petróleo45,46.

En particular, las tres cepas de algas fueron capaces de adaptarse y crecer en AC-PBR, mostrando N. oculata el mayor nivel de crecimiento, ya que alcanzó una DO680 nm de 4,01 ± 0,20, seguida de C. vulgaris y C. cryptica (Fig. 1A). . Las cepas de algas mostraron una fase de retraso de 1 día (día 0-1) seguida de un crecimiento entre los días 2 y 5. De acuerdo con las curvas de crecimiento, C. vulgaris alcanzó la fase estacionaria temprana (tiempo de cosecha) el día 6, mientras que N. oculata y C. cryptica continuaron creciendo hasta los días 8 y 7, respectivamente (Fig. 1A). La medición aproximada de nitrato y fosfato residual reveló el agotamiento de estos dos macronutrientes en cultivos de C. vulgaris el sexto día, mientras que los cultivos de N. oculata y C. cryptica tenían 250 mg/L y 10 mg/L de nitrato y fosfato residual el día 8. y 7º día, respectivamente, explicando la mayor duración del crecimiento. Dado que se sabe que ciertas algas marinas y diatomeas contienen minerales y sílice en un 22-47 % de la biomasa total, ajustamos el DCW para todas las cepas de algas para evitar la sobreestimación de la biomasa. Una revisión de la literatura reveló niveles bajos de cenizas para C. vulgaris en aproximadamente ~ 5–6%47,48, por lo que de acuerdo con las prácticas de investigación comunes, no se realizó ningún ajuste relacionado con el % de cenizas en este documento (es decir, AFDCW (g) = DCW (g )). Una revisión de la literatura sobre N. oculata y Nannochloropsis sp. reveló niveles de ceniza consistentes en 24.5 y 27.3%49,50, respectivamente; por lo tanto, para este análisis, se utilizó aquí un valor promedio de 25,9% de contenido de cenizas. El examen de la literatura sobre diatomeas reveló que Hildebrand26 comparó ocho especies diferentes de diatomeas con contenidos de ceniza de 49 a 59 %, con diatomeas que tenían en promedio el doble del contenido de ceniza de una variedad de algas no silicificadas y cuatro veces el contenido de dos especies de Chlamydomonas examinadas. Debido al valor de mayor magnitud y la variación en el contenido de sílice observado para el cálculo del contenido orgánico del peso seco de las especies de diatomeas, se realizaron mediciones duplicadas directas del % AFDCW para C. cryptica utilizando el valor de contenido de cenizas promedio de la literatura de 45,4 %.

(A) Curva de crecimiento (OD680 nm); y (B) Peso de células secas libres de cenizas (AFDCW; g/L) y productividad de biomasa (mg/L d) de C. vulgaris, N. oculata y C. cryptica cultivadas en AC-PBR.

En general, la mayor productividad de AFDCW y biomasa de 2,39 g/L y 298,55 mg/L/día la alcanzó N. oculata, seguida de C. vulgaris con 0,85 g/L y 141,36 mg/L/día, y C. cryptica con 0,85 g/L y 141,36 mg/L/día. 0,67 g/L y 96,08 mg/L/día (fig. 1B). Los valores de referencia de la productividad de la biomasa de algas publicados para RWP y PBR tradicionales generalmente se encuentran dentro de los rangos de 0,5–1 g/L y 2–6 g/L, respectivamente51. Por lo tanto, la productividad de biomasa de AC-PBR observada de las cepas de algas fue comparable a la reportada para PBR y RWP de interior (Tabla 1)52,53,54, dando crédito al potencial de uso rentable de AC como PBR que serviría como un sistema de cultivo de algas "establecer y olvidar" repleto de nutrientes.

Dependiendo de la especie, la biomasa de microalgas se compone principalmente de carbohidratos (4–64 %), lípidos (4–45 %) y proteínas (6–71 %)55. Como se indicó anteriormente, la inclusión del contenido de cenizas en la composición bioquímica puede conducir a una sobreestimación de las macromoléculas, por lo que la proteína total, los carbohidratos totales y los lípidos totales junto con sus respectivas productividades se calcularon sobre la base de AFDCW (Fig. 2A, B). El contenido máximo de lípidos (26,58 ± 0,30 % AFDCW) se logró en C. cryptica, seguida de C. vulgaris con 17,66 ± 0,30 % AFDCW y N. oculata con 6,82 ± 0,21 % AFDCW (Fig. 2A). De manera similar, la productividad máxima de lípidos (25,54 ± 0,33 mg/L/día AFDCW) la logró C. cryptica, seguida de cerca por C. vulgaris con 24,96 ± 0,31 mg/L/día y luego N. oculata con 20,35 ± 0,51 mg/día. L/día (fig. 2B). Cabe señalar que C. vulgaris, que exhibió una concentración de biomasa más baja que N. oculata y una concentración de biomasa más alta que C. cryptica, tuvo una productividad de lípidos no significativamente diferente a la de cualquiera de los dos (Fig. 2B). Como se mencionó en la sección anterior, el nitrato se agotó por completo en los cultivos de C. vulgaris, mientras que el medio F/2 modificado de N. oculata y el medio L1 de C. cryptica tenían algo de nitrato residual (50–250 mg/L) al final del cultivo. ciclo. De hecho, estudios previos han informado que la inanición de nitrógeno desencadena la biosíntesis de lípidos intracelulares por parte de varias algas. Por lo tanto, el aumento en el contenido de lípidos de las especies de algas podría atribuirse al agotamiento del nitrógeno56,57.

(A) Composición bioquímica (%); y (B) productividad (mg/L d) de C. vulgaris, N. oculata y C. cryptica cultivadas en AC-PBR.

Se ha informado que las algas inicialmente sintetizan carbohidratos bajo un estrés nutricional temprano, seguido de un cambio a la biosíntesis de lípidos, cuando el estrés es prolongado58. Debido a la gran cantidad de sílice presente en la biomasa de diatomeas de C. cryptica, no pudimos utilizar el método estándar del ácido sulfúrico con fenol y el ensayo de Bradford para medir el contenido total de carbohidratos y proteínas, respectivamente, y por lo tanto optamos por el análisis elemental (CHNS). El contenido de proteína en la diatomea se estimó mediante el factor de conversión de Nitrógeno a Proteína (NtP). El valor de conversión de NtP que se usa a menudo es 6,25 basado en cereales que usan una composición elemental común de C40H62N10O12 para proteína59, con un contenido de nitrógeno de la fórmula del 16 % y su recíproco (1/0,16) igual a 6,2560,61. Sin embargo, investigaciones posteriores indicaron que este valor puede ser demasiado alto y que debería usarse un factor promedio de 4,78 para la biomasa de algas, con 4,68 medido para la diatomea Phaeodactylum tricornutum62. Los datos del análisis CHNS mostraron un % de N de 2,05 ± 0,07 en la biomasa de C. cryptica correspondiente a un contenido de proteína total de 9,6 % de DCW. A continuación, se calculó el contenido de carbohidratos de AFDCW restando el contenido total de lípidos de AFDCW y el contenido total de proteínas de AFDCW. La mayor productividad de carbohidratos basada en AFDCW se observó en C. cryptica con 53,69 ± 0,19 mg/l/día, seguida de N. oculata con 30,78 ± 1,81 mg/l/día y C. vulgaris con 22,61 ± 2,72 mg/l/día. (Figura 2B). La productividad proteica basada en AFDCW más alta se observó en N. oculata con 247,42 ± 14,16 mg/l/día, seguida de C. vulgaris con 93,80 ± 1,74 mg/l/día y C. cryptica con 16,85 ± 0,03 mg/l/día ( figura 2B). En conjunto, los valores de productividad bioquímica de proteínas, lípidos y carbohidratos son comparables con los informados en la literatura para estas cepas cultivadas en PBR de interior, lo que refuerza el potencial de AC-PBR como un sistema de cultivo sostenible de bajo costo que contribuye a la reutilización de plástico. (Tabla 1).

Se realizó la determinación del perfil FAME de C. vulgaris, N. oculata y C. cryptica cultivadas en AC-PBR para investigar los cambios en el perfil de ácidos grasos. Se encontró que el perfil FAME de C. vulgaris comprende principalmente ácido palmítico (16:0), ácido hexadecatrienoico (16:3), ácido oleico (18:1), ácido linoleico (C18:2) y ácido esteárico (C18:0 ), lo que está en consonancia con estudios publicados previamente6,58 (fig. 3). Los ácidos grasos saturados (SFA, sin dobles enlaces), los ácidos grasos monoinsaturados (MUFA, un doble enlace) y los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA, dos o más dobles enlaces) representaron el 34,25 %, 43,62 % y 22,14 % del total de ácidos grasos. contenido, respectivamente. Como se señaló anteriormente, el nitrato se agotó en los cultivos de C. vulgaris, lo que aparentemente provocó la acumulación observada de C18:1, que desempeña un papel vital en la extinción de las especies reactivas de oxígeno generadas durante la privación de nutrientes26. Además, un mayor contenido de MUFA y PUFA se ve favorecido por el agotamiento de nutrientes, ya que son precursores de la biosíntesis de lípidos de la membrana y ayudan en la modulación de la membrana. El perfil de N. oculata FAME comprendía principalmente C16:0, C16:3, C18:1 y C18:2, con pequeñas cantidades de ácido eicosapentaenoico (EPA) C20:5 y C24:1 (Fig. 3). SFA, MUFA y PUFA representaron el 34,96 %, 39,57 % y 25,47 % del total de ácidos grasos, respectivamente. Estos resultados están en línea con el perfil FAME previamente informado para Nannochloropsis sp.30,34. Los lípidos de la membrana de N. oculata contienen PUFA de cadena larga (LC), incluidos EPA, C20:4 y C24:1, que contribuyen a la presencia de estos ácidos grasos en la biomasa de algas. Por último, el perfil FAME de C. cryptica comprendía principalmente C14:0, C16:0, C16:1, C16:2, C16:3, C20:5 y ácido docosahexaenoico (DHA) C22:6 (Fig. 3). SFA, MUFA y PUFA representaron el 40,63%, 35,94% y 23,43% de los ácidos grasos totales, respectivamente. Estos hallazgos son consistentes con el contenido relacionado con diatomeas encontrado en la literatura, incluida la presencia de DHA (0,74 %), niveles relativamente altos de EPA (7,58 %) y niveles traza de ácidos grasos C1863,64.

Perfil relativo de FAME (%) de C. vulgaris, N. oculata y C. cryptica cultivados en AC-PBR.

En las aplicaciones de uso final, los MUFA producen mejor biodiesel, cuando se considera la fluidez a baja temperatura y la estabilidad oxidativa, mientras que los PUFA, como el DHA y el EPA, han demostrado ser beneficiosos para la salud humana con productos finales utilizados en las industrias farmacéutica y cosmética, así como en suplementos dietéticos para el carotenoide fucoxantina. Las tres cepas exhibieron una productividad de lípidos comparable para la producción de biocombustibles, nutracéuticos y bioplásticos a través de C. vulgaris44,65 y N. oculata ricas en proteínas o las nanofibrillas de β-quitina de C. cryptica. Además, según el proceso de extracción de coproductos utilizado, la biomasa de algas remanente, que es rica en proteínas, podría servir como materia prima para aumentar la alimentación animal y acuícola, así como contribuir a las necesidades nutricionales humanas causadas por aumentos en la población, cambios en el clima, y ​​la disminución de la disponibilidad de tierra cultivable para la agricultura42,66.

La fucoxantina es un importante carotenoide marino que se encuentra en abundancia tanto en las macroalgas (algas marinas) como en las microalgas y contribuye a aproximadamente el 10 % de la producción total estimada de carotenoides en la naturaleza67,68. En microalgas, especialmente en diatomeas como C. cryptica, la fucoxantina de color naranja (C42H58O6) es uno de los principales pigmentos celulares fotosintéticos y carotenoides no provitamina A utilizados por la célula para recolectar luz y transferir energía69,70, con los otros dos principales los pigmentos fotosintéticos captadores de luz son la clorofila a (chl a) y la clorofila c (chl c)8. En los últimos años, la fucoxantina se ha estudiado como suplemento dietético en cuanto a sus actividades terapéuticas antiinflamatoria, antitumoral, antiobesidad, antidiabética y antipalúdica71. Actualmente, la fucoxantina se produce principalmente a partir de algas marinas de crecimiento lento y bajo contenido de fucoxantina. Las microalgas de crecimiento más rápido son una opción alternativa importante para la producción de fucoxantina debido a sus características de escalabilidad y cultivo más fáciles72. El análisis LC-MS de C. cryptica cultivada en AC-PBR mostró una concentración de fucoxantina de 0,868 mg/g DCW (0,474 mg/g AFDCW) y una productividad de fucoxantina de 0,570 mg/L d (0,311 mg/L d AFDCW) ( Figura 4). Los resultados de LC-MS fueron comparables con los resultados espectrofotométricos de concentración de fucoxantina (0,822 mg/g DCW), que resultó ser un método mucho más simple y rápido para detectar fucoxantina en muestras de diatomeas. El valor de productividad de fucoxantina DCW calculado de 0,570 mg/L d fue más del doble del valor del rango superior de ~ 0,23 mg/L d para 13 diatomeas, incluida C. cryptica (CCMP 333; ~ 0,12 mg/L d) cultivadas en matraces Erlenmeyer en medio SK modificado a una intensidad de luz más baja de 30 µmol/m2s y un período de cultivo más largo de 14 días37.

Concentración de fucoxantina (mg/g DCW) y productividad (mg/L d) en C. cryptica cultivada en AC-PBR.

El cultivo de microalgas para obtener un solo bioproducto ha tenido un éxito económico limitado hasta la fecha. Esta realización está impulsando un cambio en el enfoque de toda la empresa hacia una estructura de biorrefinería de múltiples productos en la que los productos específicos, los coproductos y las mejoras del sistema en el diseño contribuyen positivamente al éxito general de la operación al mejorar el proceso final. ciencias económicas. En este estudio, realizamos una evaluación de laboratorio de AC como PBR de bajo costo y mano de obra para cultivar C. vulgaris, N. oculata y la diatomea C. cryptica. AC reacondicionados y reutilizados (1) Reducir y mitigar la fabricación y el desperdicio de plástico contribuyendo a los esfuerzos de sostenibilidad; (2) Reducir la inversión de capital de biorrefinería; y (3) Proporcionar un ambiente aislado y libre de contaminantes durante el crecimiento de algas y la síntesis de bioproductos. Los datos generados se compararon favorablemente con los valores de PBR tradicionales que se encuentran en la literatura para la productividad de biomasa de algas, lípidos y fucoxantina, formando así un punto de referencia para otros PBR de bolsas de plástico a base de polietileno de diferentes diseños y configuraciones bajo consideración. En última instancia, la aplicabilidad y la utilidad de los CA dependerán del grado de optimización de los productos desarrollados, la escala utilizada y la economía general. Se prevén varias aplicaciones de uso directo para AC-PBR, incluida la fabricación de productos/moléculas de alto valor y la investigación de vías de cultivo alternativas, como el cultivo de biopelículas de microalgas.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles en el depósito de datos en línea de Box.com, https://usf.app.box.com/s/3nctk2w36hwn7cjwqk7v4a4lpnxduuv6.

Prata, JC et al. Soluciones y estrategias integradas para el control y mitigación de la contaminación por plásticos y microplásticos. En t. J. Medio Ambiente. Res. Salud Pública 16(13), 2411. https://doi.org/10.3390/ijerph16132411 (2019).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Merz, CR, Main, KL Producción de microalgas (diatomeas): el nexo entre la acuicultura y los biocombustibles, en Actas de la conferencia Oceans'14 MTS/IEEE: IEEE Xplore, St. Johns, Newfoundland, Canadá. https://doi.org/10.1109/OCEANS.2014.7003242 (2014).

Merz, CR, Main, KL Bioproducción de microalgas: alimentos, nutracéuticos y polímeros, en el capítulo 5 de Fuels, Chemicals and Materials from the Oceans and Aquatic Sources (eds. Kerton, FM, Yan, N.) 84–112 ( Wiley, 2017). https://doi.org/10.1002/9781119117193.ch5

Benemann, J., Woertz, I. & Lundquist, T. Evaluación del ciclo de vida para la producción de aceite de microalgas. Interrumpir. ciencia Tecnología 1(2), 68–78. https://doi.org/10.1089/dst.2012.0013 (2012).

Artículo Google Académico

Batan, L., Quinn, JC & Bradley, TH Análisis de la huella hídrica de un sistema de producción de biocombustible de microalgas de fotobiorreactor desde las perspectivas azul, verde y del ciclo de vida. Res. de algas 2(3), 196–203 (2013).

Artículo Google Académico

Lo, E., Arora, N. & Philippidis, GP Descifrando las alteraciones metabólicas en algas cultivadas en medios gastados como medio para mejorar la sostenibilidad de la biorrefinería de algas. Biores. Tecnología 342, 125890 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Yukesh, R. et al. Una mini revisión de la conversión bioquímica de la biorrefinería de algas. Combustibles energéticos 35(21), 16995–17007. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c02294 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Gaidarenko, O. et al. El tiempo lo es todo: observe los cambios metabólicos y fisiológicos en la diatomea Cyclotella cryptica cultivada en condiciones simuladas al aire libre. Res. de algas 42, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101598 (2019).

Artículo Google Académico

Chisti, Y. Biodiesel a partir de microalgas. Biotecnología. Adv. 25, 294–306 (2007).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Chen, CY, Yeh, KL, Aisyah, R., Lee, DJ y Chang, JS Cultivo, diseño de fotobiorreactores y recolección de microalgas para la producción de biodiésel: una revisión crítica. Biorrecursos. Tecnología 111, 208–214 (2011).

Artículo Google Académico

Wang, B., Lan, CQ & Horsman, M. Fotobiorreactores cerrados para la producción de biomasas de microalgas. Biotecnología. Adv. 30, 904–912 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Khanra, S. et al. Procesamiento posterior de microalgas para pigmentos, proteínas y carbohidratos en aplicaciones industriales: una revisión. Alimentos Bioprod. Proceso. 110, 60–84. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2018.02.002 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Gordon, R., Merz, CR, Gurke, S. & Schoefs, B. Agricultura de burbujas: microcosmos escalables para biocombustibles de diatomeas y la próxima revolución verde. En el Capítulo 22 de Diatoms: Fundamentals & Applications [DIFA, Volumen 1 de la serie: Diatoms: Biology & Applications, editores de la serie: Richard Gordon & Joseph Seckbach] (eds Seckbach, J. & Gordon, R.) 583–654 (Wiley , 2019). https://doi.org/10.1002/9781119370741.ch22.

Capítulo Google Académico

Vinayak, V., Gordon, R., Joshi, K. & Schoefs, B. Número de solicitud de marca registrada 3778882; Trade Marks Journal No. 1846 (Clase 4) (2018).

Wiley, P. et al. cultivo de microalgas utilizando recintos de membrana en alta mar para el cultivo de algas (OMEGA). J. Sostener. Sistema de bioenergía 3(1), 18–32 (2013).

Artículo Google Académico

Buckwalter, P., Embaye, T., Gormly, S. & Trent, J. Deshidratación de microalgas por ósmosis directa. Desalinización 312, 19–22 (2013).

Artículo CAS Google Académico

James, S. Tamaño del mercado de empaques de cojines de aire con un valor de $ 4.4 mil millones para 2025. Grand View Research, Inc. Descargado de Internet el 4/1/2022. https://www.grandviewresearch.com (2020).

Guillard, RRL & Ryther, JH Estudios de diatomeas planctónicas marinas. I. Cyclotella nana Hustedt y Detonula confervacea Cleve. Poder. J. Microbiol. 8, 229–239 (1962).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Khan, M., Gordon, R. y Vinayak, V. Optimización del cultivo de microalgas diatomeas utilizando una envoltura de plástico de burbujas como sellador en un fotobiorreactor cerrado para la recolección de biocombustibles. Res. cuadrados https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-727600/v1 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Thein, CK, Razali, NM, Shamel, MM & Phang, SW Optimización de bolsas de plástico para el crecimiento de algas, en 2nd Eureca Conference (2014).

Erokhina, LG, Shatilovich, AV, Kaminskaya, OP & Gilichinskii, DA Los espectros de absorción y fluorescencia de los ficobiontes cianobacterianos de los líquenes criptoendolíticos en las regiones polares altas de la Antártida. Microbiología 71, 601–607 (2002).

Artículo CAS Google Académico

Erokhina, LG, Shatilovich, AV, Kaminskaya, OP & Gilichinskii, DA Propiedades espectrales de algas verdes antiguas del permafrost del valle seco antártico. Microbiología 73, 485–487 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Hildebrand, M., Davis, AK, Smith, SR, Traller, JC y Abbriano, R. El lugar de las diatomeas en la industria de los biocombustibles. Biocombustibles 3(2), 221–240. https://doi.org/10.4155/bfs.11.157 (2012).

Artículo CAS Google Académico

ABO (Organización de Biomasa de Algas). Comité de Normas Técnicas, Borrador del Documento de Orientación: Lenguaje Descriptivo Mínimo de la Industria de las Algas, diciembre de 2010, Versión 3.0. (2010).

Chioccioli, M., Hankamer, B. & Ross, IL Los datos de ancho de pulso de citometría de flujo permiten una estimación rápida y sensible del peso seco de la biomasa en las microalgas Chlamydomonas reinhardtii y Chlorella vulgaris. PLoS ONE 9(5), e97269 (2014).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Arora, N., Patel, A., Pruthi, PA y Pruthi, V. Impulsar la acumulación de TAG con una producción mejorada de biodiésel a partir de nuevas microalgas oleaginosas Scenedesmus sp. IITRIND2 utilizando extracto acuoso de bagazo de caña de azúcar (SBAE). aplicación Bioquímica Biotecnología. 180(1), 109–121 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bligh, EG & Dyer, WJ Un método rápido de extracción y purificación de lípidos totales. Poder. J. Bioquímica. Fisiol. 37(8), 911–917 (1959).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Dubois, M., Gilles, KA, Hamilton, JK, Rebers, PT & Smith, F. Método colorimétrico para la determinación de azúcares y sustancias relacionadas. Anal. química 28(3), 350–356 (1956).

Artículo CAS Google Académico

Van Wychen, S., Ramirez, K. & Laurens, LML Determinación de lípidos totales como ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) mediante transesterificación in situ: procedimiento analítico de laboratorio (LAP). Estados Unidos. https://doi.org/10.2172/1118085. https://www.osti.gov/servlets/purl/1118085 (2016).

Arora, N., Lo, E. & Philippidis, GP La disección mejoró la productividad de carbohidratos y pigmentos en mutantes de Nannochloropsis oculata usando metabolómica y lipidómica. J. Agric. Química alimentaria 70(27), 8338–8350. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.2c02755 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Guisheng, F., Incarnato, L., Di Maio, L. & Acierno, D. Discusión sobre el uso de valores relativos de permeabilidades entre dos gases para polímeros de alto peso molecular. Polímero 22, 4345–4346 (1995).

Artículo Google Académico

Siracusa, V. Comportamiento de la permeabilidad del envasado de alimentos: un informe. En t. J. Polym. ciencia https://doi.org/10.1155/2012/302029 (2012).

Artículo Google Académico

De Farias Silva, CE, Sforza, E. & Bertucco, A. Efectos del pH y la fuente de carbono en el cultivo de Synechococcus PCC 7002: Producción de biomasa y carbohidratos con diferentes estrategias para el control del pH. aplicación Bioquímica Biotecnología 181, 682–698. https://doi.org/10.1007/s12010-016-2241-2 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Zhu, Y. & Dunford, NT Crecimiento y CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA de Picochlorum oklahomensis y Nannochloropsis oculata. J. Am Petróleo Chem. Soc. 90, 841–849 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Sudjito, S., Hamidi, N., Yanuhar, U. & Wardana, ING Potencial y propiedades de las microalgas marinas Nannochloropsis oculata como materia prima para combustible de biomasa. En t. J. Energía Medio Ambiente. Ing. 5, 279–290. https://doi.org/10.1007/s40095-014-0138-9 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Pahl, SL, Lewis, DM, Chen, F. & King, KD Crecimiento heterotrófico y aspectos nutricionales de la diatomea Cyclotella cryptica (Bacillariophyceae); Efecto de algunos factores ambientales. J. Biosci. Bioing. 109(3), 235–239 ​​(2010).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Guo, B. et al. Cribado de cepas de diatomeas y caracterización de Cyclotella cryptica como potencial productor de fucoxantina. Drogas de marzo 14(125), 1–14. https://doi.org/10.3390/md14070125 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Arora, N., Philippidis, GP Producción de fucoxantina a partir de diatomeas: Avances y desafíos actuales, en el Capítulo 10 de Algae, 227–242 (Springer, Singapur) https://doi.org/10.1007/978-981-15-7518- 1_10. (2020)

Csögör, Z., Melgar, D., Schmidt, K. & Posten, C. Producción y caracterización de partículas de las frústulas de Cyclotella cryptica en comparación con tierra silícea. J. Biotecnología. 70, 71–75. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(99)00060-7 (1999).

Artículo Google Académico

Ghobara, MM et al. Sobre la luz y las diatomeas: una revisión de la fotónica y la fotobiología. En el Capítulo 7 de Diatoms: Fundamentals & Applications [DIFA, Volumen 1 de la serie: Diatoms: Biology & Applications, editores de la serie: Richard Gordon & Joseph Seckbach] (eds Seckbach, J. & Gordon, R.) 129–189 (Wiley , 2019). https://doi.org/10.1002/9781119370741.ch7.

Capítulo Google Académico

McLachlan, J. & Craigie, J. Fibras de quitina en Cyclotella cryptica y crecimiento de C. cryptica y Thalassiosira fluviatius. En algunos estudios contemporáneos sobre ciencias marinas (ed. Barnes, H.) 511–517 (George Allen and Unwin Ltd., 1966).

Google Académico

Merz, CR Investigación fisicoquímica y coligativa de membranas de quitosano alfa (cáscara de camarón) y beta (pluma de calamar): Flujo de agua impulsado por gradiente de concentración y transporte de iones para operaciones de proceso de separación y potencia de gradiente de salinidad. ACS Omega 4, 21027–21040. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b02357 (2019).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

DiGregorio, BE Bioplástico de rendimiento de base biológica: Mirel. química Biol. 16(1), 1–2 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Rocha, CJL et al. Desarrollo de bioplásticos a partir de un consorcio de microalgas a partir de aguas residuales. J. Medio Ambiente. Administrar 263, 110353 (2020).

Artículo Google Académico

Zeller, MA, Hunt, R., Jones, A. & Sharma, S. Bioplastics y sus mezclas termoplásticas de microalgas Spirulina y Chlorella. Aplicación J. polim. ciencia 130(5), 3263–3275 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Chia, WY, Tang, DYY, Khoo, KS, Lup, ANK & Chew, KW La lucha de la naturaleza contra la contaminación por plásticos: algas para la biodegradación de plásticos y la producción de bioplásticos. Reinar. ciencia Ecotecnología. 4, 100065 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Aqwa, OK, Ibi, SN & Abu, GO Cultivo heterótrofo de Chlorella sp. utilizando diferentes extractos de residuos. En t. J. Biochem Biotech 2, 289–297 (2013).

Google Académico

Tokusoglu, O. & uUnal, MK Perfiles de nutrientes de biomasa de tres microalgas: Spirulina platensis, Chlorella vulgaris e Isochrsis galbana. J. ciencia de los alimentos. 68(4), 1144–1148. https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.2003.tb09615.x (2003).

Artículo CAS Google Académico

Sukarni, S., Hamidi, N., Yanuhar, U. & Wardana, ING Potencial y propiedades de las microalgas marinas Nannochloropsis oculata como materia prima para combustible de biomasa. En t. J. Energía Medio Ambiente. Ing. 5, 279–290. https://doi.org/10.1007/s40095-014-0138-9 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Fithriani, D., Ambarwaty, D. y Nurhayati,. Identificación de compuestos bioactivos de Nannochloropsis sp. Conferencia de la OIO. Ser. Entorno terrestre. ciencia 404, 012064. https://doi.org/10.1088/1755-1315/404/1/012064 (2020).

Artículo Google Académico

Davis, R., Aden, A. & Pienkos, PT Análisis tecnoeconómico de microalgas autótrofas para la producción de combustible. aplicación Energía 88, 3524–3531. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.04.018 (2011).

Artículo Google Académico

Chew, KW et al. El compost de residuos alimentarios como fuente de nutrientes orgánicos para el cultivo de Chlorella vulgaris. Biores. Tecnología 267, 356–362 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Sol, Y. et al. Impulso del crecimiento de Nannochloropsis oculata y la acumulación de lípidos en un estanque de canal abierto a escala de laboratorio caracterizado por distribuciones de luz mejoradas que emplean módulos de guía de ondas planar integrados. Biores. Tecnología 249, 880–889 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Pahl, SL, Lewis, DM, Chen, F. & King, KD Dinámica de crecimiento y composición bioquímica próxima y perfil de ácidos grasos de la diatomea cultivada heterótrofamente Cyclotella cryptica. Aplicación J. Phycol. 22(2), 165–171 (2009).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Roy, SS & Pal, R. Microalgae in aquaculture: Una revisión con referencias especiales al valor nutricional y la dieta de los peces. proc. Zool. Soc. 68, 1–8 (2015).

Artículo Google Académico

Hu, H. et al. Diferentes respuestas de producción de DHA o EPA al estrés por nutrientes en la microalga marina Tisochrysis lutea y la microalga de agua dulce Monodus subterránea. ciencia Entorno Total. 656, 140–149. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.346 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Paliwal, C. et al. Estrés abiótico como herramientas para metabolitos en microalgas. Biores. Tecnología 244(2), 1216–1226. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.05.058 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Arora, N. & Philippidis, GP Información sobre la fisiología de Chlorella vulgaris cultivada en hidrolizado de bagazo de sorgo dulce para la producción sostenible de lípidos y biomasa de algas. ciencia Rep. 11, 6779. https://doi.org/10.1038/s41598-021-86372-2 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mulder, G. Sobre la composición de algunas sustancias animales. J Prak Chem 16 , 129-152 (1839).

Artículo Google Académico

Becker, EW Microalgae: Biotecnología y Microbiología (Cambridge University Press, 1994).

Google Académico

Yamaguchi, M. Determinación del factor de conversión de nitrógeno a proteína en cereales, en Análisis de semillas. 95–107 (Springer, 1992).

Templeton, D. & Laurens, L. Factores de conversión de nitrógeno a proteína revisados ​​para aplicaciones de conversión de biomasa de microalgas en alimentos, piensos y combustible. Res. de algas 11, 59–367. https://doi.org/10.1016/j.algal.2015.07.013 (2015).

Artículo Google Académico

Zulu, NN, Zienkiewicz, K., Vollheyde, K. & Feussner, I. Tendencias actuales para comprender el metabolismo de los lípidos en las diatomeas. prog. Res. de lípidos 70, 1–16. https://doi.org/10.1016/j.plipres.2018.03.001 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Mourya, M. et al. Últimas tendencias y desarrollos en microalgas como fuente potencial de biocombustibles: el caso de las diatomeas. Combustible 314, 1–17. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.122738 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Rahman, A. & Miller, CD Microalgas como fuente de bioplásticos. En Algal Green Chemistry—Recent Progress in Biotechnology (eds Rastogi, R. et al.) 122–138 (Elsevier, 2017).

Google Académico

Yarkent, C., Gurlek, C. & Oncel, S. Potencial de los compuestos de microalgas en la tendencia de la cosmética natural: una revisión. Sostener. química Farmacia https://doi.org/10.1016//j.scp.2020.100304 (2020).

Artículo Google Académico

Haugan, JA & Liaaen-Jensen, S. Estereoisómeros naturales de fucoxantina. Fitoquímica 31 (4), 1359–1361. https://doi.org/10.1016/0031-9422(92)80290-U (1992).

Artículo CAS Google Académico

Kim, SM et al. Una posible fuente comercial de fucoxantina extraída de la microalga Phaeodactylum tricornutum. aplicación Bioquímica Biotecnología. 166(7), 1843–1855. https://doi.org/10.1007/s12010-012-9602-2 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Caron, L., Douady, D., Quinet-Szely, M., de Goër, S. & Berkaloff, C. Estructura genética de una proteína de unión a clorofila a/c de un alga parda: presencia de un intrón e implicaciones filogenéticas . J. Mol. Evol. 43(3), 270–280. https://doi.org/10.1007/BF02338835 (1996).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Yabuzaki, J. Base de datos de carotenoides: estructuras, huellas dactilares químicas y distribución entre organismos. Base de datos https://doi.org/10.1093/database/bax004 (2017).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Wang, L.-J. et al. Un método rápido para la determinación de fucoxantina en diatomeas. Drogas de marzo 16(33), 1–13. https://doi.org/10.3390/md16010033 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Mohamadnia , S. , Tavakoli , O. , Faramarzi , MA & Shamsollahi , Z. Producción de fucoxantina por la microalga Tisochrysis lutea: Una revisión de desarrollos recientes . Acuicultura 516, 1–10. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2019.734637 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado en parte por la Facultad de Ciencias Marinas (CMS) de la USF, el Laboratorio de Biocombustibles y Bioproductos del Dr. Philippidis en la Facultad de Sostenibilidad Global Patel de la USF; la instalación central de purificación química, análisis y detección de USF a través del acceso a LC-MS/MS Q-TOF, GC-MS/MS y equipo de liofilización; el Laboratorio de Química Ambiental CMS de la USF para mediciones de isótopos de nitrógeno y carbono y composición a granel por CF-EA-IRMS; el Centro Nacional Bigelow de Algas Marinas y Microbiota para Pruebas de Peso Seco Libre de Cenizas; y Dialytics, Inc. Los autores desean agradecer al Dr. Richard Gordon por su introducción a Bubble Farming.

Facultad de Ciencias Marinas, Universidad del Sur de Florida, St. Petersburg, FL, EE. UU.

Clifford R. Merz

Departamento de Biología Celular, Microbiología y Molecular, Universidad del Sur de Florida, Tampa, FL, EE. UU.

neha aroa

Patel College of Global Sustainability, Universidad del Sur de Florida, Tampa, FL, EE. UU.

Michael Welch, Enlin Lo y George P. Philippidis

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

CRM: Conceptualización, Supervisión, Administración de proyectos, Recursos, Adquisición de fondos, Investigación, Pruebas de monitoreo de crecimiento de algas, Redacción, revisión y edición del borrador original del manuscrito. NA: Metodología, cultivo de algas, mediciones de fucoxantina, revisión y edición de manuscritos, MW: investigaciones de laboratorio, pruebas de seguimiento del crecimiento del cultivo de algas y cosecha. EL: Composición bioquímica y medidas FAME. GPP: Revisión y edición final del manuscrito.

Correspondencia a Clifford R. Merz.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Merz, CR, Arora, N., Welch, M. et al. Características del cultivo de microalgas utilizando material de embalaje de colchón de aire disponible comercialmente como fotobiorreactor. Informe científico 13, 3792 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30080-6

Descargar cita

Recibido: 17 Agosto 2022

Aceptado: 15 febrero 2023

Publicado: 07 marzo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30080-6

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.