Organic heterotrophic medium for Chlorella vulgaris: formulation and validation

Abstract

The industrial production of microalgae is a practice under development and has become very promising, having various applications, such as the food industry, cosmetics, biofuels and wastewater treatment. Microalgae are preferably photosynthetic organisms. However, there are some with the capacity of growing using of organic carbon sources, i.e. hetero and mixotrophically. The most commonly used carbon source is glucose, due to its simplicity and energy potential. The objective of this thesis was to formulate an heterotrophic medium for Chlorella vulgaris, suitable for organic certification in accordance with European legislation. In relation to the biomass produced from this medium, it should meet Allmicroalgae requirements. Initially, ammonia concentrations in the MNBIO growth medium was optimized. Yeast extract was also tested, however, cultures achieved growth values below those obtained with MNBIO medium. As carbon sources, a hydrolyzed sugar with organic certification, together with a sterilization by filtration or sterilization by autoclavating were tested. The organic sugar sterilized by filtration was selected once, there were no statistically significant differences between C. vulgaris growth. Potassium bicarbonate was selected against calcium bicarbonate and sodium bicarbonate as a buffer to use during fermentation process. With this optimized heterotrophic medium, it was possible to obtain an organic medium suitable for the C. vulgaris growth, taking into account the European legislation. The optimized medium was tested in a 7 L bench-top fermenter, achieving dry weights of 39.2 ± 7.3 g L-1. These fermentations had productivities and global growth rate of 15.5 ± 1.4 g L - 1 d -1 and 1.68 ± 0.23 d-1, respectively. In relation to biochemical analysis, the protein and chlorophyll content obtained were 22.9 ± 11.8 % and 9.76 ± 1.90 mg g-1 DW, respectively. Comparing the results obtained with the inorganic production of Allmicroalgae for C. vulgaris, in terms of productivity and protein content are lower for the organic medium studied, but higher in the chlorophylls content.

A produção industrial de microalgas é uma prática em desenvolvimento e que se tem tornado bastante promissora, tendo várias aplicações, como a indústria alimentar, a cosmética, os biocombustíveis e o tratamento de águas residuais. Microalgas são organismos preferencialmente, fotossintéticos. No entanto, existem algumas microalgas com capacidades para crescerem usando fontes de carbono orgânicas, isto é, crescimento heterotrófico e mixotrófico. A fonte de carbono mais utilizada é a glucose, devido à sua simplicidade e ao seu potencial energético. Esta tese teve como objetivo a formulação de um meio heterotrófico para a Chlorella vulgaris, apto para certificação biológica, de acordo com a legislação europeia, devendo a biomassa produzida com este meio satisfazer as necessidades da Allmicroalgae. Inicialmente, a concentração de amónia foi otimizada no meio MNBIO. Foi igualmente testado extrato de levedura, contudo, as culturas alcançaram valores de crescimento inferiores aos obtidos no meio MNBIO. Testou-se um açúcar biológico hidrolisado como fonte de carbono, em conjunto com uma esterilização (por filtração ou na autoclave). O açúcar biológico esterilizado por filtração foi o selecionado, não havendo, diferenças estatisticamente significativas entre os crescimentos da C. vulgaris. Selecionou-se bicarbonato de potássio, em detrimento do bicarbonato de cálcio e de sódio, como tampão para usar durante o processo de fermentação. Com o meio biológico otimizado, foi possível obter um meio biológico adequado para o crescimento da C. vulgaris, tendo em atenção a legislação Europeia. O meio otimizado foi testado no fermentador de bancada de 7L, alcançando pesos secos 39.2 ± 7.3 g L-1. Estas fermentações tiveram produtividades e taxas de crescimento global de 15.5 ± 1.4 g L -1 d -1 e 1.68 ± 0.23 d-1, respetivamente. Em relação à análise bioquímica, o conteúdo proteico e de clorofilas obtido foi de 22.9 ± 11.8 % e 9.76 ± 1.90 mg g-1 DW, respetivamente. Comparando os resultados obtidos com os da produção inorgânica da Allmicroalgae para a C. vulgaris, em termos de produtividades e conteúdo proteico foi inferior para o meio biológico estudado, mas superior em termos de clorofilas.