Development of an organic culture medium for Chlorella vulgaris

Abstract

The commercial value of microalgal biomass can be explored for various applications, such as human nutrition. Chlorella vulgaris, is one of the few species that are currently approved as food ingredient and supplements. In recent years, trends in the food industry have led to an increased demand for natural, healthy, sustainable and quality assured food. A growing niche market is the production of organic food products, due to the increasing awareness of customers nowadays. This work aims at developing and establishing an effective organic culture medium for industrial production of autotrophic and heterotrophic microalgal biomass. Initially, a preliminary study in 1.5 L airlift reactors was performed to determine the most promising organic substrates (OS). Starting with 2 mmol L-1 of nitrates and ammonia in the final growth medium, the highest biomass productivities were obtained in OS.4 (0.033 g L-1 d-1) and OS.1 (0.028 g L-1 d-1). After the elemental analysis of the OS was performed, a culture medium was developed to meet the nutrient needs of Chlorella. Once the culture medium was optimized with the ideal concentration of each solution, it was tested at autotrophic pilot and industrial scale, namely, 125 L green wall panels and a 10 m3 tubular photobioreactor. Obtained results revealed that both organic and inorganic culture media displayed the same growth pattern. Interestingly, organic microalgae biomass presented good physicochemical properties with a significantly higher content of proteins compared to the control inorganic medium. Since heterotrophic cultivation is a more suitable approach to “seed” (inoculum) the autotrophic production photobioreactors, a heterotrophic medium was optimized using an organic carbon source (molasse). Following the optimization of sucrose inversion in molasse at 45 O C, pH 5.8 and 0.015 mg mL-1 of enzyme, the carbon source was optimized by testing different concentrations. From the study conditions, 5 g L-1 of glucose showed higher biomass productivity (0.07 g L-1 h-1) but at 10 g L-1 glucose the growth was inhibited. Afterwards, the N concentration was optimized using the previously optimized autotrophic growth medium. In this context, different N concentrations were tested (1, 5 and 10 mmol L-1 of N). The highest volumetric productivities were obtained at 5 and 10 mmol L-1 of N (0.023 ± 0.002 and 0.025 ± 0.001 g L-1 h-1 respectively). Following the optimization of the C and N concentrations a fed-batch growth on a 7 L bench top fermenter denoted that heterotrophic growth can be used for inoculum production. In this experiment, approximately 13.1 g L-1 of biomass dry weight were achieved, however, further optimization of the fed-batch operation will enable a significant improvement of the final biomass productivities.

O valor comercial da biomassa algal pode ser explorado para várias aplicações, como na nutrição humana. Chlorella vulgaris, é uma das poucas espécies que atualmente são aprovadas para suplementos e ingrediente alimentar. Nos últimos anos, as tendências na indústria alimentar conduziram a um aumento crescente de alimentos naturais, saudáveis, sustentáveis e de qualidade assegurada. Um nicho de mercado em crescimento é a produção de produtos alimentares biológicos, devido a um aumento de consciencialização dos consumidores de hoje. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e estabelecer um meio de cultura biológica eficaz para produção industrial de biomassa microalgal autotrófica e heterotrófica. Inicialmente, foi realizado um estudo preliminar em reatores airlift de 1,5 L para determinar quais os substratos biológicos mais promissores (OS). Començando com 2 mmol L-1 de nitratos e amónia no meio de cultura, as maiores produtividades em biomassa foram obtidas no OS.4 (0,033 g L-1 d-1) e OS.1 (0,028 g L-1 d-1). Após a análise elementar dos OSs, foi desenvolvido um meio para atender às necessidades nutricionais da Chlorella. Assim que o meio de cultura foi otimizado com a concentração ideal de cada solução, foi testado autotroficamente em escala piloto e industrial, nomeadamente green wall panels de 125 L e um fotobiorreactor tubular de 10 m3. Os resultados obtidos revelaram os meios de cultura biológicos e não biológicos exibiram o mesmo padrão de crescimento. Curiosamente, a biomassa biológica apresentou boas propriedades físico-químicas com um conteúdo significativamente maior de proteínas em comparação com o controlo. Sendo o cultivo heterotrófico a abordagem mais adequada para produção de "semente" (inóculo) nos fotobiorreactores em autotrofia, um meio heterotrófico foi otimizado usando como fonte de carbono (melaço). Após a otimização da inversão de sacarose no melaço a 45 O C, pH 5,8 e 0,015 mg mL- 1 de enzima, a fonte de carbono foi testando a diferentes concentrações. Nas condições em estudo, 5 g de L-1 de glucose apresentaram maior produtividade de biomassa (0,07 g L-1 h-1), mas a 10 g de L-1, o crescimento foi inibido. Posteriormente, a concentração de N foi otimizada usando o meio de crescimento autotrófico previamente otimizado. Neste contexto, foram testadas diferentes concentrações de N (1, 5 e 10 mmol L-1). As produtividades volumétricas mais elevadas foram obtidas a 5 e 10 mmol L-1 (0,023 ± 0,002 e 0,025 ± 0,001 g L-1 h-1, respetivamente). Após a otimização das concentrações de C e N, um crescimento fed-batch num fermentador de bancada de 7 L indicou que o crescimento heterotrófico pode ser usado para a produção de inóculo. Nessa experiência, obtiveram-se aproximadamente 13,1 g L-1 de peso seco em biomassa, no entanto, uma maior otimização em fed-batch permitirá uma melhoria significativa das produtividades finais da biomassa.