Ingenieria de Procesos aplicada a la Biotecnología de Microalgas
1.2 - Cultivo de microalgas: laboratorio y gran escala
El cultivo de microalgas abarca varios aspectos o escalas que van desde la obtención de las especies, al cultivo en laboratorio con el objeto de amplificar y purificar la población, su caracterización para averiguar las condiciones de cultuvo óptimas (T, pH, nutrientes, intensidad luminosa ... etc) hasta el cultivo masivo en fotobiorreactores de muchos litros o incluso cietos de metros cúbicos de volumen de cultivo. Nuesto objetivo es este último nivel, pero repasemos los demás estadios ya que son importantes a la hora de obtener información.
Obtención de estirpes.
Como hemos comentado, la forma más facil de obtener una determinada especie que desee cultivar es pedirla a una colección tal como la CCAP. Sin embargo existen muchos motivos por los que puede ser interesante aislar una especie directamente del medio ambiente.
La más importante es que sólo una pequeña parte de las microalgas que existen están estudiadas, por lo que existe un gran patrimonio por explotar.
otra razón es que a menudo se observan crecimientos locales explosivos (llamados "blooms") de epscie paricularmente bien adaptadas a un entorno e interesa aislarlas y para conocerlas y caracterizarlas. Esto es especialmente importante cuando se trabaja con fotobiorreactores externos.
En general, este es un trabajo llevado a cabo por biólogos especialistas ya que requiere el aislamiento de cálulas individuales, su cultivo en placa y su multiplicación final en cultivo líquido. Y lo que es más complicado: su identificación como especie.
En este estadio lo importante es obtener un cultivo puro y es menos importante que la velocidad de crecimiento sea óptima o que las condiciones de cultivo sean las idoneas pata maximizar la productividad de una sustancia dererminada.
Cultivo en laboratorio
El cultivo en laboratorio tiene lugar en medio líquido y en volúmenes mayores. El objetivo es optimizar condiciones de cultivo tales como:
- Temperatura
- pH
- Intensidad de luz
- Adición de CO2
- Velocidad de aireación
- Concentración de diversos nutrientes
y, dependiendo del equipo, otras variables como la agitación o la velocidad de dilución (D).
La diferencia fundamental es que estos cultivos se hacen, en general, con el objeto de ensayar qué condiciones maximizan el crecimiento (µ, velocidad específica de crecimiento, 1/t) o la productividad (Pb, g/L/t).
Los experimentos en laboratorio a esta escala también permiten explorar las complejas relaciones que existen entre la concentración de biomasa (Cb) la disponibilidad de luz (I) y la velocidad específica de crecimiento que, a su vez, determina la productividad (Pb=Cb·µ).
Los experimentos a esta escala son a menudo monoalgales pero no son axénicos, a diferencia de los cultivos en placa. Esto quiere decir que se cultiva una única especie de microalga pero esta va acompañada de un cierto número de bacterias con las que suele coexistir. Esto no es solo torelable, sino deseable, ya que en fotobiorrecatores a gran escala es imposible mantener cultivos axénicos y los resultados de laboratorio podrían diferir.
Por tanto, los cultivos en laboratorio permiten:
- Caracterizar el perfil bioquímico de las microalgas
- Observar la influencia de las variables ambientales y de operación en la biomasa
- Determinar los requerimientos nutricionales de la especie
- Obtener MODELOS de CRECIMIENTO
Los modelos de crecimiento son la herramienta de diseño que nos permite diseñar y operar de forma óptima los fotobiorreactores para el cultivo masivo que son el objeto fundamnetal de estudio de esta asignatura.
Cultivo masivo: fotobiorreactores
Los fotobiorreactores son dispositivos de cientos de litros o metros cúbicos cuya finalidad es la producción masiva de una microalga. Estos dispositivos se usan para producir biomasa microalgal en cantidades del orden de kilos al dia o de toneladas al año.
Los fotobiorreactores están diseñados para una microalga en concreto e incluso para una aplicación específica (ejemplo, producción de astaxantina), lo que no quiere decir que no puedan usarse para varias especies. A diferencia de los cultivos en laboratorio, su objetivo no es obener datos de crecimiento, si no que se usan los modelos de crecimiento obtenidos en laboratorio para diseñarlos.
Los fotobioreractores para el cultivo masivo operan en su inmensa mayoría usando luz solar.
Algunos aspectos irrelevantes en los cultivos en laboratorio, cobran especial importancia en los cultivos masivos en fotobiorreatores:
- Las pérdidas de CO2 son importantes ya que es un factor económico (en laboratorio se ignoran).
- La energía gastada en agitación y/o aireación debe ser minimizada.
- La acumulación de oxígeno puede ser importante en algunos dispositivos.
En general, se puede decir que la eficiencia económica es un factor muy importante en el diseño y operación de fotobiorrecatores para el cultivo masivo.
Cuestiones
- Haga una lista de las variables que influyen en el crecimiento de las microalgas.
- Distinga entre variables ambientales y variables operacionales.
- Averigue la relación que existe entre concentración de biomasa, velocidad específica de crecimiento y productividad.
- ¿Cree que existe alguna relación entre productividad de biomasa y consumo de CO2 en los cultivos de microalgas?
- ¿Existe alguna relación entre cosumo de CO2 y la generación de O2 fotosintética?
1.2 - Cultivo de microalgas: laboratorio y gran escala
