Screening of Pavlova sp. and scale-up to outdoor photobioreactors

Abstract

Microalgae are a promising source of several bioactive compounds such as proteins, lipids, carbohydrates, carotenoids and vitamins, which are valuable for commercial use and can be explored and used for diverse applications. Furthermore, microalgae are known producers of polyunsaturated (PUFA) omega-3 fatty acids, including eicosapentaenoic (EPA) and docosahexaenoic (DHA) acids and, consequently, cultivation of microalgae as a supplement to marine animals is increasing. The marine microalgae Pavlova sp. is also widely used in aquaculture to feed crustacean, bivalves, and fish. In the present study, the growth of four Pavlova species (P. lutheri, P. gyrans, P. pinguis and P. granifera) was evaluated at lab-scale in order to select the most suitable species for outdoor and large-scale production. A preliminary trial comparing all strains showed that P. gyrans and P. pinguis had a higher final volumetric productivity, 0.087±0.005 g L-1 d -1 and 0.077±0.002 g L-1 d-1, respectively. In accordance, higher specific growth rates and maximum volumetric productivity were achieved by these species. The biochemical composition of all strains understudy was analyzed and the amount of PUFA (DHA and EPA) demonstrated to be the same for all Pavlova species. In addition, 30% of inoculum revealed to be the optimum inoculation rate to obtain higher global productivity when compared to 5, 10 and 20%. Furthermore, a screening outdoor assay was carried in 55 L flat panels using P. gyrans and P. pinguis. Both demonstrated a similar growth and global volumetric productivity, 0.058±0.007 and 0.079±0.019 g L-1 d-1, respectively. The FAME profile showed a higher PUFA content of 48% of total fatty acids (TFA) in P. gyrans, followed by 37% of TFA in P. pinguis. Outdoor cultures proved to have an increased lipids content and a higher level of EPA (30-40% of TFA) and DHA (9% of TFA), when compared with lab-scale production. Different types of outdoor photobioreactors (PBR) were used to investigate and compare their impact on P. pinguis scale-up: flat panel, tubular PBR and raceway pond. The results showed that flat panel was the system with the highest global productivity of 0.077 g L-1 d -1 and, similarly, the highest specific growth rate of 0.316 d-1.

As microalgas são uma fonte promissora de vários compostos bioativos como proteínas, lípidos, carbohidratos, carotenoides e vitaminas, valiosos para uso comercial e podem ser explorados e usados em muitos aplicações. Para além disso, as microalgas são as únicas produtoras dos ácidos gordos polinsaturados ómega-3, nomeadamente os ácidos eicosapentanóico (EPA) e docosahexanóico (DHA), e, consequentemente, o cultivo de microalgas como suplemento para os animais marinhos tem aumentado. A microalga marinha Pavlova sp. é amplamente usado em aquicultura para alimentar crustáceos, bivalves e peixes graças à sua acumulação de elevadas quantidades de ácidos gordos polinsaturados, especialmente EPA e DHA. O crescimento das quatro espécies Pavlova (P. lutheri, P. gyrans, P. pinguis e P. granifera) foi avaliado em escala laboratorial de forma a selecionar a melhor espécie para escala industrial. P. gyrans e a P. pinguis demonstraram valores maiores de produtividade global final, 0.087±0.005 g L-1 d-1 e 0.077±0.002 g L-1 d-1, respetivamente. Similarmente, obtiveram uma maior taxa especifica de crescimento e produtividade máxima. A composição bioquímica da microalga foi analisada e a produção de ácidos gordos polinsaturados (EPA e DHA) demonstraram ser iguais em todas as espécies Pavlova. Decorreu outro ensaio com a P. gyrans para testar o efeito da percentagem de inóculo no crescimento. Resultados mostraram que 30% é a concentração que potencia uma maior produtividade global, comparado com 5, 10 e 20 % de inóculo. Para além disso, um ensaio exterior decorreu em painéis de 55 L com P. gyrans e P. pinguis, mas ambas demonstraram um crescimento e produtividade global similar, 0.058±0.007 e 0.079±0.019 g L-1 d-1, respetivamente. O perfil de ácidos gordos mostrou um maior conteúdo de 48% do total de ácidos gordos na P. gyrans, seguido de 37% na P. pinguis. Culturas no exterior mostraram um aumento no conteúdo lipídico e um maior nível de EPA (30-40% do total de ácidos gordos) e DHA (9% do total de ácidos gordos), quando comparadas com o laboratório. Diferentes tipo de fotobiorreatores foram usados no aumento de escala da P. pinguis: painéis planos, fotobiorreator tubular e tanques abertos, para investigar e comparar o impacto dos sistemas no crescimento da Pavlova sp.. Resultados demonstraram uma maior produtividade nos painéis, 0.077 g L-1 d-1 e uma maior taxa especifica de crescimento 0.316 d-1.