Cultivo de microalgas y fotobiorreactores
Zárate-Rivera, Ana Karen (2024). Copyright Algae Bank CCAB 2024. El autor dispone de todos los derechos sobre el texto y las imágenes y no permite que se reproduzcan bajo ningún concepto.
- Zarate-Rivera A.
- abril 8, 2024
- 8:33 pm
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Un biorreactor se define de la manera más simple como: un recipiente para el cultivo de microorganismos que tiene como propósito de obtener un producto. Debe de pensarse como el equivalente de un reactor químico, se combinan los reactivos [X (células o sus partes), S (sustrato)] en condiciones ambientales específicas [temperatura, presión, concentración de oxígeno, agitación] para obtener un producto en un tiempo determinado.
Los productos que busca sintetizar la biotecnología de microalgas varían de acuerdo a la industria, por ejemplo: enzimas específicas, como lactasas o alcohol deshidrogenasas, productoras respectivamente las microalgas Nannochloropsis (Li, 2023) y Euglena (Inwongwan, 2019); extractos de células completas en la formulación de suplementos alimenticios y bioestimulantes agrícolas; pigmentos, las microalgas como conjunto taxonómico artificial son productoras de una cantidad superior a los 30 pigmentos bioactivos (Lesley, 2019); proteínas recombinantes, como anticuerpos y proteínas testigo RUBY y eGFP (Cha, 2011).
Variables de los fotobiorreactores
Variables cinéticas:
- Concentración de biomasa, X [g/L]
Biomasa es un término utilizado para hacer referencia a la pasta húmeda de células vivas y muertas que se produce en el tiempo de cultivo. En modelos matemáticos simplificados, esta variable sigue un comportamiento logarítmico típico de una cinética microbiana: siembra, adaptación, crecimiento exponencial, latencia y muerte. X aumenta y disminuye su valor de acuerdo con la etapa de vida del cultivo. - Concentración de sustrato, S [g/L]
Referencia a la concentración específica de la fuente de carbono de los cultivos. Para microalgas mixotróficas (que asimilan carbono del medio a la vez que realizan la fotosíntesis), las fuentes de carbono son acetato, glucosa, etanol, y carbonos complejos como granos enteros de cebada. Esta variable decrece en el tiempo. Pueden analizarse más de un sustrato. - Concentración de producto, P [g/L]
Referencia a la concentración específica del producto para el que se realiza el bioproceso. Esta variable incrementa en el tiempo. - Concentración de inhibidores, I [g/L]
En todos los bioprocesos se lidia con inhibidores del crecimiento. Existe una concentración máxima de S que puede asimilar una célula específica, ya que una concentración superior a Smáx resulta en la inhibición del crecimiento por saturación de los mecanismos del metabolismo (saturación enzimática). Además de esto, existen moléculas que actúan como «señuelo» enzimático e impiden que el sustrato se pueda unirse al sitio diana, evitando a su vez, que las células puedan obtener carbono (inhibición competitiva y no competitiva). En microalgas, una irradiancia de luz superior a la máxima genera muerte celular por fotooxidación, esta variable se mide y es básica para el escalamiento de cultivos algales.En estudios ambientales toxicológicos, se estudia el papel de inhibición en el crecimiento de microalgas de compuestos como el cobre, mercurio, pigmentos textiles y herbicidas. Las microalgas son la base fundamental de la cadena trófica, por ello, el que un compuesto evite que crezcan significa que generará un daño importante en el ecosistema. Los estudios cinéticos otorgan resultados medibles.
Un gran modelo de estudio toxicológico es Selenastrum (Barrios-Ziolo, 2016).
Variables mecánicas:
- Geometría
Los recipientes de cultivo pueden ser cilíndricos, esféricos, en forma de matraz, pueden tener bafles. La geometría de un biorreactor es la base fundamental del régimen de flujo, laminar o turbulento. La geometría específica de biorreactor para cada cultivo de microalgas varía dramáticamente por tratarse de un grupo taxonómico artificial. Chlamydomonas (alga verde) no crecerá en régimen turbulento, ya que las células estallarán por esfuerzo cortante, son células que crecen bien en agitación suave. Porphyridium que secreta exopolisacáridos sulfatados es una productora de biofilm importante, crece mejor en régimen turbulento y de hecho será dificil de producir en un biorreactor que no esté optimizado para la colecta de biomasa de las paredes del mismo. - Agitación
Movimiento forzado de las células para la asimilación de nutrientes y desecho de metabolitos, mediante agitación externa en máquinas de agitación orbital, o interna, mediante propelas marinas instaladas dentro del sistema. Se mide en revoluciones por minuto RPM. - Aireación
Flujo volumétrico ded aire, para la transferencia de oxígeno a las células, las reacciones metabólicas se producen dentro de la burbuja de aire. Definido en volume vessel/minute VVM (L/min). Impacto directo en la concentración de O2 disuelto y CO2 disuelto.
Tipos de fotobiorreactores
Sistemas cerrados: Existe una barrera física entre los cultivos de microalgas y el ambiente. Esto permite el trabajo con cultivos puros, o cultivos de muy alta calidad, en el escalamiento a escalas muy grandes. La aireación se aplica utilizando filtros de grado microbiológico, de tamaño de poro muy pequeño 0.45 μm – 0.20 μm, hidrofóbicos o hidrofílicos. Las predicciones matemáticas funcionarán efectivamente para este tipo de sistemas en el tiempo, hay buena manutención a largo plazo en las resiembras y el escalamiento. Pueden requerir un mayor gasto energético.
Sistemas abiertos: No existe una barrera física entre los cultivos de microalgas y el ambiente, los cultivos se encuentran «al aire libre». Esta aplicación reduce costos pero disminuye la calidad de los cultivos. En el tiempo, el cultivo de microalgas presentará una carga de bacterias, hongos, otras microalgas/cianobacterias y ciliados, que son depredadores de microalgas y pueden reducir la población de las mismas en un tiempo logarítmico.
¿Cómo citar este artículo web?
Zarate-Rivera, A. K. (2023). Observaciones sobre la modulación morfológica de raíces en plantas in-vitro mediante Rhizobium leguminosarum CCAB101/b. Recuperado [día-mes-año], de Algae Bank Revista website: https://algaebank.com.mx/?p=9157
Referencias
- Li, Y., Miros, S., Kiani, H. et al. Mechanism of lactose assimilation in microalgae for the bioremediation of dairy processing side-streams and co-production of valuable food products. J Appl Phycol 35, 1649–1661 (2023). https://doi.org/10.1007/s10811-023-03002-2
- Inwongwan S, Kruger NJ, Ratcliffe RG, O’Neill EC. Euglena Central Metabolic Pathways and Their Subcellular Locations. Metabolites. (2019) Jun 14;9(6):115. https://doi.org/10.3390/metabo9040076
- Lesley A. Clementson, Bozena Wojtasiewicz, Dataset on the absorption characteristics of extracted phytoplankton pigments, Data in Brief, Volume 24, (2019)
https://doi.org/10.1016/j.dib.2019.103875. - Cha TS, Chen CF, Yee W, Aziz A, Loh SH. Cinnamic acid, coumarin and vanillin: Alternative phenolic compounds for efficient Agrobacterium-mediated transformation of the unicellular green alga, Nannochloropsis sp. J Microbiol Methods. (2011) Mar;84(3):430-4. doi: 10.1016/j.mimet.2011.01.005.
- Barrios-Ziolo et. al. Estudio de la toxicidad asociada al vertimiento de aguas residuales con presencia de colorantes y pigmentos en el área metropolitana del Valle de Aburrá. Revista EIA, ISSN 1794-1237 / Año XIII / Volumen 13 / Edición N.26 / Julio-Diciembre 2016 / pp. 61-http://www.scielo.org.co/pdf/eia/n26/n26a05.pdf
