Efecto de los parámetros cinéticos de escalamiento del cultivo de Haematococcus pluvialis en fotobiorreactores para producir astaxantina

Resumen

El Haematococcus pluvialis es una microalga de interés biotecnológico por su capacidad para producir astaxantina, un carotenoide que tiene uso como pigmento y compuesto bioactivo, con aplicación en la industria farmacéutica, cosmética, nutracéutica, alimenticia y la acuacultura. Este carotenoide se obtiene cuando la microalga es sometida a condiciones de estrés como intensidad de luz, color de luz, deficiencia de nutrientes y salinidad, e involucra el uso de fotobiorreactores (fbr). Por esto, este artículo busca conocer el tipo de fbr que se ha utilizado en su escalamiento y los parámetros cinéticos relacionados que influyen en el rendimiento del proceso. Los fbr facilitan el ajuste y control de las condiciones de cultivo, tanto en la fase verde como en la fase roja; de igual manera, el uso de los parámetros cinéticos de escalamiento permiten evaluar el proceso y así establecer las condiciones que deben ajustarse, para mejorar el cultivo de la microalga y la obtención de astaxantina. Los parámetros cinéticos de escalamiento revisados fueron la biomasa (cel./mL), la productividad de biomasa (g/Ldía), la velocidad específica de crecimiento (µ/día), el tiempo de duplicación (día), el contenido de astaxantina (mg/g) y su productividad. Se demuestra así la factibilidad tecnológica de los fotobiorreactores para el escalamiento de la microalga para producir astaxantina. Los fbr más usados son los de forma tubular y cilíndrica por tener una superficie mayor de iluminación y eficiencia en la distribución de la luz, y por reportar mayor productividad de astaxantina; su desventaja pueden ser los costos de limpieza.

Palabras clave:

astaxantina carotenoide escalamiento fotobiorreactor Haematococcus pluvialis Microalga parámetros cinéticos

Citas

Azizi, M., Moteshafi, H., y Hashemi, M. (2020). Distinctive nutrient designs using statistical approach coupled with light feeding strategy to improve the Haematococcus pluvialis growth performance and astaxanthin accumulation. Bioresource Technology, 300, 122594. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122594
Azizi, M., Hejazi, M. A., y Hashemi, M. (2019). Supplementation with polyalcohols and sequential mixotrophy dilution photoinduction strategy boost the accumulation of astaxanthin by Haematococcus pluvialis. Aquaculture, 511, 734225. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2019.734225
BIOSTAT. (2009). A Plus Operating Manual. Sartorius BBI Systems GmbH.
Camacho Kurmen, J. E., González, G., y Klotz, B. (2013). Astaxanthin production in Haematococcus pluvialis under different stress conditions. Nova, 11(19), 94-104. https://doi. org/10.22490/24629448.1022
Cañedo, J. C. G., y Lizárraga, G. L. L. (2016). Considerations for photobioreactor design and operation for mass cultivation of microalgae. https://doi.org/10.5772/63069

Cheng, J., Li, K., Yang, Z., Zhou, J., Y Cen, K. (2016). Enhancing the growth rate and astaxanthin yield of Haematococcus pluvialis by nuclear irradiation and high concentration of carbon dioxide stress. Bioresource Technology, 204, 49-54. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.12.076

Christian, D., Zhang, J., Sawdon, A. J., y Peng, C. A. (2018). Enhanced astaxanthin accumulation in Haematococcus pluvialis using high carbon dioxide concentration and light illumination. Bioresource Technology, 256, 548-551. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.02.074

Christwardana, M., y Hadiyanto, H. (2017). The effects of audible sound for enhancing the growth rate of microalgae Haematococcus pluvialis in vegetative stage. HAYATI Journal of Biosciences, 24(3), 149-155. https://doi.org/10.1016/j.hjb.2017.08.009

Jiménez, M. A. C. (2017). Cultivo masivo de la microalga Haematococcus sp. en fotobiorreactores planos para la producción de astaxantina bajo diferentes condiciones de estrés [tesis de maestría]. Baja California: Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California.

Cho, K. S., Shin, M., Kim, S., y Lee, S. B. (2018). Recent advances in studies on the therapeutic potential of dietary carotenoids in neurodegenerative diseases. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/4120458

Damiani, M. C., Popovich, C. A., Constenla, D., y Leonardi, P. I. (2010). Lipid analysis in Haematococcus pluvialis to assess its potential use as a biodiesel feedstock. Bioresource Technology, 101(11), 3801-3807. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.12.136

De Mendonça, H. V., Ometto, J. P. H. B., Otenio, M. H., Marques, I. P. R., y Dos Reis, A. J. D. (2018). Microalgae-mediated bioremediation and valorization of cattle wastewater previously digested in a hybrid anaerobic reactor using a photobioreactor: comparison between batch and continuous operation. Science of the Total Environment, 633, 1-11. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.157

Deniz, I. (2020). Scaling-up of Haematococcus pluvialis production in stirred tank photobioreactor. Bioresource Technology, 310, 123434. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.123434

Do, T. T., Ong, B. N., Nguyen Tran, M. L., Nguyen, D., Melkonian, M., y Tran, H. D. (2019). Biomass and astaxanthin productivities of Haematococcus pluvialis in an angled twin-layer porous substrate photobioreactor: effect of inoculum density and storage time. Biology, 8(3), 68. https://doi.org/10.3390/biology8030068

Domínguez, A., Pereira, S., y Otero, A. (2019). Does Haematococcus pluvialis need to sleep? Algal Research, 44, 101722. https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101722

Gómez, L., Orozco, M. I., Quiroga, C., Díaz, J. C., Huérfano , J., Díaz , L. E., Rodríguez , J., y Camacho K. , J. E. (2019). Producción de Astaxantina y expresión de genes en Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae, Volvocales) bajo condiciones de estrés por deficiencia de nitrógeno y alta irradiancia. Revista Mutis, 9(2), 7-24. https://doi.org/10.21789/22561498.1532
Gómez-Torres, L. M., Moreno-Gómez, B., Velásquez-Lozano, M. E., Aguirre-Mancilla, C., & Aguado-Santacruz, G. A. (2014). Cultivos fotoautotróficos de células vegetales en suspensión: Establecimiento y perspectivas de aplicación. Revista Fitotecnia Mexicana, 37(2), 165-179. https://doi.org/10.35196/rfm.2014.2.165
Guzmán, J. L., Acién, F. G., y Berenguel, M. (2020). Modelado y control de la producción de microalgas en fotobiorreactores industriales. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial, 18(1), 1-18. https://doi.org/10.4995/riai.2020.13604
El-Kasas, H. I., El-Sayerd, A. B., Mostafa, M., y Reda, M. K., AB, E. S., Maryam, M., y Marwa, M. (2017). Algal growth and nutrients removal as affected by nitrogen source. Journal of Environmental Science, 39(3), 51-73. https://dx.doi.org/10.21608/jes.2017.20363

Hernández Morales, K. J., Pérez Morales, M. E., Jáuregui Romo, C., Alcántara Jurado, L. A., y Hurtado Ayala, L. A. (2015). Condiciones de producción de astaxantina por Haematococcus pluvialis: Revisión bibliográfica 2003-2013. Revista Mexicana de ciencias Farmacéuticas, 46(1), 7-16.
Han, S. I., Yao, J., Lee, C., Park, J., y Choi, Y. E. (2019). A novel approach to enhance astaxanthin production in Haematococcus lacustris using a microstructure-based culture platform. Algal Research, 39, 101464. https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101464
Ho, S. H., Chen, C. Y., y Chang, J. S. (2012). Effect of light intensity and nitrogen starvation on CO2 fixation and lipid/carbohydrate production of an indigenous microalga Scenedesmus obliquus CNW-N. Bioresource technology, 113, 244-252. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.11.133

Huang, Q., Jiang, F., Wang, L., y Yang, C. (2017). Design of photobioreactors for mass cultivation of photosynthetic organisms. Engineering, 3(3), 318-329. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.03.020

Kim, J. H., Affan, A., Jang, J., Kang, M. H., Ko, A. R., Jeon, S. M., ... y Kang, D. H. (2015). Morphological, molecular, and biochemical characterization of astaxanthin-producing green microalga Haematococcus sp. KORDI03 (Haematococcaceae, Chlorophyta) isolated from Korea. Journal of Microbiology and Biotechnology, 25(2), 238-246. https://doi.org/10.4014/jmb.1410.10032

Koller, A. P., Wolf, L., Brück, T., y Weuster-Botz, D. (2018). Studies on the scale-up of biomass production with Scenedesmus spp. in flat-plate gas-lift photobioreactors. Bioprocess and biosystems engineering, 41(2), 213-220. https://doi.org/10.1007/s00449-017-1859-y

Legrand, J., Artu, A., y Pruvost, J. (2021). A review on photobioreactor design and modelling for microalgae production. Reaction Chemistry & Engineering. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/re/d0re00450b

Li, L., Chen, Z., y Huang, Q. (2020). Exogenous γ-aminobutyric acid promotes biomass and astaxanthin production in Haematococcus pluvialis. Algal Research, 52, 102089. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102089

Li, F., Cai, M., Lin, M., Huang, X., Wang, J., Ke, H., ... y Yang, S. (2020b). Enhanced biomass and astaxanthin production of Haematococcus pluvialis by a cell transformation strategy with optimized initial biomass density. Marine Drugs, 18(7), 341. https://doi.org/10.3390/md18070341

Li, F., Cai, M., Lin, M., Huang, X., Wang, J., Ke, H., ... y An, Y. (2019). Differences between motile and nonmotile cells of Haematococcus pluvialis in the production of astaxanthin at different light intensities. Marine Drugs, 17(1), 39. https://doi.org/10.3390/md17010039

Liang, C., Zhai, Y., Xu, D., Ye, N., Zhang, X., Wang, Y., y Yu, J. (2015). Correlation between lipid and carotenoid synthesis and photosynthetic capacity in Haematococcus pluvialis grown under high light and nitrogen deprivation stress. Grasas y Aceites, 66(2), e077-e077. https://doi.org/10.3989/gya.0708142

Liyanaarachchi, V. C., Nishshanka, Gannoru Kankanamalage Sanuji Hasara, Premaratne, Rankoth Gedara Malith Malsha, Ariyadasa, T. U., Nimarshana, P. H. V., y Malik, A. (2020). Astaxanthin accumulation in the green microalga Haematococcus pluvialis: Effect of initial phosphate concentration and stepwise/continuous light stress. Biotechnology Reports, 28, e00538. https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00538

Lv, H., Xia, F., Liu, M., Cui, X., Wahid, F., y Jia, S. (2016). Metabolomic profiling of the astaxanthin accumulation process induced by high light in Haematococcus pluvialis. Algal Research, 20, 35-43. https://doi.org/10.1016/j.algal.2016.09.019

Miranda, A. M., Ossa, E. A., Vargas, G. J., y Sáez, A. A. (2019). Efecto de la baja concentración de nitratos y fosfatos sobre la acumulación de astaxantina en Haematococcus pluvialis UTEX 2505. Información Tecnológica, 30 (1), 23-32. http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642019000100023


Morais, E. G. D., Cassuriaga, A. P. A., Callejas, N., Martinez, N., Vieitez, I., Jachmanián, I., ... y Costa, J. A. V. (2018). Evaluation of CO2 biofixation and biodiesel production by Spirulina (Arthospira) cultivated in air-lift photobioreactor. Brazilian Archives of Biology and Technology, 61. https://doi.org/10.1590/1678-4324-2018161339

Mularczyk, M., Michalak, I., y Marycz, K. (2020). Astaxanthin and other nutrients from Haematococcus pluvialis-Multifunctional Applications. Marine Drugs, 18(9), 459. https://doi.org/10.3390/md18090459

Niño Castillo, C. M., Rodríguez Rivera, F. C., Díaz, L. E., y Lancheros Díaz, A. G. (2017). Evaluación de las condiciones de crecimiento celular para la producción de astaxantina a patir de la microalga Haematococcus pluvialis. Nova, 15(28), 19-31. https://doi.org/10.22490/24629448.2073

Nahidian, B., Ghanati, F., Shahbazi, M., y Soltani, N. (2018). Effect of nutrients on the growth and physiological features of newly isolated Haematococcus pluvialis TMU1. Bioresource Technology, 255, 229-237. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.01.130

Oslan, S. N. H., Shoparwe, N. F., Yusoff, A. H., Rahim, A. A., Chang, C. S., Tan, J. S., ...y Mohamed, M. S. (2021). A Review on Haematococcus pluvialis bioprocess optimization of green and red stage culture conditions for the production of natural astaxanthin. Biomolecules, 11(2), 256. https://doi.org/10.3390/biom11020256

Onorato, C., y Rösch, C. (2020). Comparative life cycle assessment of astaxanthin production with Haematococcus pluvialis in different photobioreactor technologies. Algal Research, 50, 102005. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102005

Orona-Navar, A., Aguilar-Hernández, I., Cerdán-Pasarán, A., López-Luke, T., Rodríguez-Delgado, M., Cárdenas-Chávez, D. L., . . . Ornelas-Soto, N. (2017). Astaxanthin from Haematococcus pluvialis as a natural photosensitizer for dye-sensitized solar cell. Algal Research, 26, 15-24. https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.06.027

Oslan, S. N. H., Shoparwe, N. F., Yusoff, A. H., Rahim, A. A., Chang, C. S., Tan, J. S., ...y Mohamed, M. S. (2021). A Review on Haematococcus pluvialis bioprocess optimization of green and red stage culture conditions for the production of natural astaxanthin. Biomolecules, 11(2), 256. https://doi.org/10.3390/biom11020256

Panis, G., y Carreon, J. R. (2016). Commercial astaxanthin production derived by green alga Haematococcus pluvialis: A microalgae process model and a techno-economic assessment all through production line. Algal Research, 18, 175-190. https://doi.org/10.1016/j.algal.2016.06.007

Pan-utai, W., Parakulsuksatid, P., y Phomkaivon, N. (2017). Effect of inducing agents on growth and astaxanthin production in Haematococcus pluvialis: organic and inorganic. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 12, 152-158. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2017.10.004

Pereira, S., y Otero, A. (2020). Haematococcus pluvialis bioprocess optimization: Effect of light quality, temperature and irradiance on growth, pigment content and photosynthetic response. Algal Research, 51, 102027. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102027

Richmond, A. (2013). Biological principles of mass cultivation of photoautotrophic microalgae. Handbook of microalgal culture: applied phycology and biotechnology, 169-204. https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch11

Rubio-Fernández, D., y Alejandro Hernández, G. (2016). Evaluación de las incidencias de salinidad y pH sobre la biomasa, productividad y acumulación de lípidos en cultivos de Chlorella vulgaris en un fotobiorreactor de placa plana. Iteckne, 13(1), 44-56. https://doi.org/10.15332/iteckne.v13i1.1381

Sanz Martínez, V. F. (2019). Diseño de un fotobiorreactor para la obtención de compuestos bioluminiscentes [tesis de maestría]. Cataluña: Universidad Politécnica de Cataluña.

Shah, M. M., Liang, Y., Cheng, J. J., y Daroch, M. (2016). Astaxanthin-Producing Green Microalga Haematococcus pluvialis: From Single Cell to High Value Commercial Products. Frontiers in Plant Science, 7, 531. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00531

Sun, H., Liu, B., Lu, X., Cheng, K. W., y Chen, F. (2017). Staged cultivation enhances biomass accumulation in the green growth phase of Haematococcus pluvialis. Bioresource Technology, 233, 326-331. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.03.011

Sugawara, T., y Maoka, T. (2021). Marine carotenoids. MDPI. .

Tijani, H., Yuzir, A., Dagang, Wan Rosmiza Zana Wan, Zamyadi, A., y Abdullah, N. (2018). Multi-parametric modelling and kinetic sensitivity of microalgal cells. Algal Research, 32, 259-269. https://doi.org/10.1016/j.algal.2018.04.009

Tran, H., Do, T., Le, T., Nguyen, M., Pham, C., y Melkonian, M. (2019). Cultivation of Haematococcus pluvialis for astaxanthin production on angled bench-scale and large-scale biofilm-based photobioreactors. Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering, 61(3), 61-70. https://doi.org/10.31276/VJSTE.61(3).61-70

Torres-Carvajal, L. K., González-Delgado, Á. D., Barajas-Solano, A. F., Suarez-Gelvez, J. H., y Urbina-Suarez, N. A. (2017). Astaxanthin production from Haematococcus pluvialis: Effects of light wavelength and salinity. Contemporary Engineering Sciences, 10(35), 1739-1746. https://doi.org/10.12988/ces.2017.711196

Wang, F., Gao, B., Wu, M., Huang, L., y Zhang, C. (2019). A novel strategy for the hyper-production of astaxanthin from the newly isolated microalga Haematococcus pluvialis JNU35. Algal Research, 39, 101466. https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101466

Wong, Y. K. (2016). Effects of light intensity. Illumination Cycles on Microalgae Haematococcus Pluvialis for Production of Astaxanthin, 1-6. http://www.dx.doi.org/10.15436/2381-0750.16.1083

Xi, T., Kim, D. G., Roh, S. W., Choi, J. S., y Choi, Y. E. (2016). Enhancement of astaxanthin production using Haematococcus pluvialis with novel LED wavelength shift strategy. Applied Microbiology and Biotechnology, 100(14), 6231-6238. https://doi.org/10.1007/s00253-016-7301-6

Zhang, W. W., Zhou, X. F., Zhang, Y. L., Cheng, P. F., Ma, R., Cheng, W. L., y Chu, H. Q. (2018). Enhancing Astaxanthin Accumulation in Haematococcus pluvialis by Coupled Light Intensity and Nitrogen Starvation in Column Photobioreactors. Journal of microbiology and biotechnology, 28(12), 2019-2028. https://doi.org/10.4014/jmb.1807.07008

Zhu, Y., Zhang, Z., Xu, X., Cheng, J., Chen, S., Tian, J., et al. (2021). Simultaneous promotion of photosynthesis and astaxanthin accumulation during two stages of Haematococcus pluvialis with ammonium ferric citrate. Science of the Total Environment, 750, 141689. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.141689

Citado por