Modelos matemáticos y parámetros cinéticos relacionados con la producción de astaxantina en Haematococcus pluvialis

Resumen

La microalga biflagelada unicelular de agua dulce Haematococcus pluvialis tiene una gran importancia industrial al ser considerada una fuente de producción natural de astaxantina, carotenoide utilizado como colorante y compuesto bioactivo. Este microorganismo es el principal productor de astaxantina de mejor calidad. La inducción de caroteno génesis se logra cuanto mayor es la exposición a condiciones de estrés, pues se genera así la mayor acumulación de astaxantina. Se ha observado también que, si las células están expuestas a un exceso de condiciones de estrés, el crecimiento celular cesa por completo y las células comienzan a morir en un tiempo relativamente corto, lo que dificulta su producción. El objetivo de esta revisión es conocer los modelos usados para describir la cinética de crecimiento de H. pluvialis y establecer los parámetros cinéticos que mejor expliquen el crecimiento de la microalga para emplearlos en el cultivo en laboratorio y su escalamiento en biorreactores o fotobiorreactores (fbr). Los modelos matemáticos más aplicados para el monitoreo del crecimiento de la microalga son el logístico, Baranyi-Roberts, exponencial y Monod. Se han propuesto modelos cinéticos de crecimiento teniendo en cuenta parámetros como la irradiancia y el color de luz. Los parámetros cinéticos usados son la velocidad máxima de crecimiento (µmáx), el tiempo de duplicación (td), la biomasa inicial (Xo), la biomasa final (Xf) y la productividad del carotenoide (Yp/Ys), para establecer las condiciones óptimas de cultivo y producción del carotenoide, utilizando los coeficientes de correlación que genera el modelo, a fin de garantizar el cultivo de la microalga bajo las condiciones seleccionadas y validar los datos encontrados.

Palabras clave:

carotenoide fotobiorreactor microalga modelos matemáticos parámetros cinéticos

Citas

Allewaert, C. C., Vanormelingen, P., Pröschold, T., Gómez, P. I., González, M. A., Bilcke, G., y Vyverman, W. (2015). Species diversity in European Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae, Volvocales). Phycologia, 54(6), 583-598. https://doi.org/10.2216/15-55.1

Barbosa, C., Beltrán-Rocha, J., Mora-Zúñiga, A., Gallegos-López, J. A., López, U., Galán-Wong, L. J., Quintero-Zapata, I., y Elías-Santos, M. (2018). Evaluación de la actividad antioxidante de los carotenoides totales producidos por la microalga Haematococcus Pluvialis bajo distintos periodos de estrés. Revista de Ciencias Farmacéuticas y Biomedicina, 1.

Camacho, J. E., González, G., y Klotz, B. (2013). Producción de astaxantina en Haematococcus pluvialis bajo diferentes condiciones de estrés. NOVA, 11(19). https://doi.org/10.22490/24629448.1022

Çelekli, A., Balcı, M., y Bozkurt, H. (2008). Modelling of Scenedesmus obliquus; function of nutrients with modified Gompertz model. Bioresource Technology, 99(18), 8742-8747. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.04.028

Chekanovab, K., Schastnayaa, E., Solovchenkoa, A., y Lobakovaa, E. (2017). Effects of CO2 enrichment on primary photochemistry, growth and astaxanthin accumulation in the chlorophyte Haematococcus pluvialis. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 171, 58-66. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.04.028

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(2017), 149-155. https://doi.org/10.1016/j.hjb.2017.08.009

Cifuentes, A. S., González, M. A., Vargas, S., Hoeneisen, M., y González, N. (2003). Optimization of biomass, total carotenoids and astaxanthin production in Haematococcus pluvialis Flotow strain Steptoe (Nevada, USA) under laboratory conditions. Biological Research, 36(3-4). http://dx.doi.org/10.4067/S0716-97602003000300006

Colusseab, G. A, Rabello, M. E, Duartea, J. C, Carvalho, M., y Nosedaa, D. (2019). Media effects on laboratory scale production costs of Haematococcus pluvialis biomass. Bioresource Technology Reports, 7, 100236. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2019.100236

Córdoba-Castro, N. M., Acero-Reyes, N. L., Duque-Buitrago, L. F., Jiménez-Aguilar, L. J., y Serna-Jiménez, J. A. (2015). Obtención y caracterización de astaxantina de la microalga Haematococcus Pluvialis. UG Ciencia, 21, 73-82. https://doi.org/10.18634/ugcj.21v.1i.426

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

De Mendonça, H. V., Ometto, J. P. H. B., Otenio, M. H., Marques, I. P. R., & 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

Ding, W., Zhao, P., Peng, J., Zhao, Y., Xu, J.-W., Li, T., y Yu, X. (2018). Melatonin enhances astaxanthin accumulation in the green microalga Haematococcus pluvialis by mechanisms possibly related to abiotic stress tolerance. Algal Research, 33, 256-265. https://doi.org/10.1016/j.algal.2018.05.021

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

Erturk, B. (2019). Sodium bicarbonate amendment for enhanced astaxanthin production from Haematococcus pluvialis [Disertación doctoral]. Montana: Montana State University-Bozeman, College of Engineering.

Gajardo Solari, S., Benites Vílchez, J., López Vivar, J., Burgos Hermosilla, N., Caro Galán, C., & Rojas Arredondo, M.
(2011). Astaxantina: antioxidante de origen natural con variadas aplicaciones en cosmética. Biofarbo, 19, 6.

Galarza, B., Vega, A., Villóna, J., y Henríquez, V. (2019). Deesterification of astaxanthin and intermediate esters from Haematococcus pluvialis subjected to stress. Biotechnology Reports, 23, e00351. https://doi.org/10.1016/j.btre.2019.e00351

García-Malea, M. D. C., Brindley, C., Del Rio, E., Acién, F. G., Fernández, J. M., y Molina, E. (2005). Modelling of growth and accumulation of carotenoids in Haematococcus pluvialis as a function of irradiance and nutrients supply. Biochemical Engineering Journal, 26(2-3), 107-114. https://doi.org/10.1016/j.bej.2005.04.007

Garre Pérez, A., Egea Larrosa, J. A., y Fernández Escámez, P. S. (2016). Modelos matemáticos para la descripción del crecimiento de microorganismos patógenos en alimentos. Anuario de Jóvenes Investigadores, 9, 160-163.

Gómez, L., Orozco, M. I., Quiroga, C., Díaz, J. C., Huérfano, J., Díaz, L. E., y Camacho, 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. Mutis, 9(2), 7-24.

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.

Hong, M. E., Choi, Y. Y., y Sim, S. J. (2016). Effect of red cyst cell inoculation and iron (II) supplementation on autotrophic astaxanthin production by Haematococcus pluvialis under outdoor summer conditions. Journal of Biotechnology, 218, 25-33. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2015.11.019

Hu, J., Nagarajan, D., Zhang, Q., Chang, J. S., y Lee, D. J. (2018). Heterotrophic cultivation of microalgae for pigment production: A review. Biotechnology Advances, 36(1), 54-67. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2017.09.009

Issarapayup, K., Powtongsook, S., & Pavasant, P. (2011). Economical review of Haematococcus pluvialis culture in flat-panel airlift photobioreactors. Aquacultural Engineering, 44(3), 65-71. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2011.03.002

Khandual, S. (2019). Microbial source of astaxanthin: Its use as a functional food and therapeutic agent. International Journal of Biotechnology and Bioengineering, 5(6), 110-118. https://doi.org/10.1016/j.aquaeng.2011.03.002

Kiki, C., Rashid, A., Wang, Y., Li, Y., Zeng, Q., Yu, C.-P., y Sun, Q. (2019). Dissipation of antibiotics by microalgae: Kinetics, identification of transformation products and pathways. Journal of Hazardous Materials, 121985. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.121985

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

Li, X., Wang, X., Duan, C., Yi, S., Gao, Z., Xiao, C., y Li, J. (2020). Biotechnological production of astaxanthin from the microalga Haematococcus pluvialis. Biotechnology Advances, 107602. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2020.107602

Liu, Y.-H., Alimujiang, A., Wang, X., Luo, S.-W., Balamurugan, S., Yang, W.-D., y Li, H.-Y. (2019). Ethanol induced jasmonate pathway promotes astaxanthin hyperaccumulation in Haematococcus pluvialis. Bioresource Technology, 289, 121720. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.121720

Liyanaarachchi, V. C., Nishshanka, G. K. S. H., Premaratne, R. G. M. M., 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, e00538. https://doi.org/10.1016/j.btre.2020.e00538

Lobatón Garcia, H. F., Schwerna, P., y Buchholz, R. (2017). Coproducción de ficocianina y exopolisacáridos en el cultivo de Arthrospira platensis. Idesia (Arica), 35(2), 79-86. https://doi.org/10.4067/S0718-34292017005000028

Longhi, D. A., Dalcanton, F., Aragão, G. M. F. D., Carciofi, B. A. M., y Laurindo, J. B. (2017). Microbial growth models: A general mathematical approach to obtain μ max and λ parameters from sigmoidal empirical primary models. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 34, 369-375. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20170342s20150533

Machado Jr, F. R. S., Reis, D. F., Boschetto, D. L., Burkert, J. F. M., Ferreira, S. R. S., Oliveira, J. V., y Burkert, C. A. V. (2014). Encapsulation of astaxanthin from Haematococcus pluvialis in PHBV by means of SEDS technique using supercritical CO2. Industrial Crops and Products, 54, 17-21. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.01.007

Mazumdar, N., Novis, P.M., Visnovsky, G., y Gostomski, P. (2019). Effect of culturing parameters on the vegetative growth of Haematococcus alpinus (strain LCR-CC-261f) and modeling of its growth kinetics. Journal of Phycology, 550(5), 1071-1081. https://doi.org/10.1111/jpy.12889

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

Montiel Oviedo, J. (2020). Efecto del nitrato en el crecimiento y producción de astaxantina en la microalga Haematococcus pluvialis (Chlorophyta: Chlamydomonadales) cultivada en condiciones de laboratorio. Montería: Universidad de Córdoba (Colombia).

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

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

Orlandoni, G., y Josefa Ramoni J. (2017). Modelos de crecimiento en microbiología predictiva (ecología microbiana cuantitativa). Trabajo metodológico. Estimación de modelos y simulación mediante dinámica de sistemas. Medellín, Antioquia, Colombia.

Ortega Quintana, F. A., Álvarez, H., y Botero Castro, H. A. (2017). Facing bioprocess modeling: a review of the methodologies of modeling. Revista ION, 30(1), 73-90.https://doi.org/10.18273/revion.v30n1-2017006

Ortiz-Moreno, M. L., Cárdenas-Poblador, J., Agredo, J., y Solarte-Murillo, L. V. (2020). Modeling the effects of light wavelength on the growth of Nostoc ellipsosporum. Universitas Scientiarum, 25(1), 113-148. https://doi: 10.11144/Javeriana.SC25-1.mteo

Park J. Yao J. Soo Kim H. Young K. Choic Y. (2020). Mechanical stress induced astaxanthin accumulation of H. pluvialis on a chip. 2020. Lab on a Chip. Número 3. https://doi.org/10.1039/C9LC01030K

Ramírez D.M, (2013). Evaluación del crecimiento y producción de astaxantina por Haematococcus pluvialis en un fotobiorreactor tipo airlift. [Tesis de maestría]. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia.

Rammunia, M. N., Ariyadasaa, T. U., Nimarshana, P. H. V., y Attalageb, R. A. (2019). Comparative assessment on the extraction of carotenoids from microalgal sources: Astaxanthin from H. pluvialis and β-carotene from D. salina. Food Chemistry, 277(30), 128-134. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2018.10.066

Saadat, N. P., Nies, T., Rousset, Y., y Ebenhöh, O. (2020). Thermodynamic limits and optimality of microbial growth. Entropy, 22(3), 277. https://doi.org/10.3390/e22030277
Sánchez-Sendra, Á. P. (2019). Efectos del carotenoide astaxantina en la salud humana, según la ciencia. RCA Grupo Editor.

Sancho Mamani, R. F. (2015). Ajuste de modelos matemáticos de crecimiento de bacterias lácticas en queso tipo paria en condiciones isotérmicas y no isotérmicas [tesis de pregrado]. Puno: Universidad Nacional del Altiplano.

Sanzo, G., Mehariya, S., Martino, M., Larocca, V., Casella, P., Chianese, S., Musmarra, D., Balducchi, R., y Molino, A. (2018). Supercritical carbon dioxide extraction of astaxanthin, lutein, and fatty acids from Haematococcus pluvialis microalgae. Marine Drugs, 16(9), 334. https://doi.org/10.3390/md16090334

Shah, M. M. R., 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

Sheng, B., Fan, F., Huang, J., Bai, W., Wang, J., Li, S., y Li, Y. (2018). Investigation on models for light distribution of Haematococcus pluvialis during astaxanthin accumulation stage with an application case. Algal Research, 33, 182–189. https://doi.org/10.1016/j.algal.2018.05.011

Shoener, B. D., Schramm, S. M., Béline, F., Bernard, O., Martínez, C., Plósz, B. G., ... & Guest, J. S. (2019). Microalgae and cyanobacteria modeling in water resource recovery facilities: A critical review. Water research X, 2, 100024. https://doi.org/10.1016/j.wroa.2018.100024

Shuler, M. L., y Kargi, F. (2002). Bioprocess engineering (p. 65). eUpper Saddle River.
Sipaúba-Tavares, L. H., Millan, R. N., y Berchielli-Morais, F. A. (2013). Effects of some parameters in upscale culture of Haematococcus pluvialis Flotow. Brazilian Journal of Biology, 73(3), 585-591. https://doi.org/10.1590/S1519-69842013000300016

Telli, M., y Şahin, G. (2020). Effects of gradual and sudden changes of salinity and light supply for astaxanthin production in Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae). Fundamental and Applied Limnology, 194(1), 11-17. https://doi.org/10.1127/fal/2020/1300

Tijani, H., Yuzir, A., Dagang, W. R. Z. W., 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

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. https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101466

Wang, J., Sommerfeld. M. R, Lu. C., y Hu, Q. (2013). Combined effect of initial biomass density and nitrogen concentration on growth and astaxanthin production of Haematococcus pluvialis (Chlorophyta) in outdoor cultivation. ALGAE, 28(2), 193-202. https://doi.org/10.4490/algae.2013.28.2.193

Wen, X., Wang, Z., Ding, Y., Geng, Y., y Li, Y. (2020). Enhancing the production of astaxanthin by mixotrophic cultivation of Haematococcus pluvialis in open raceway ponds. Aquaculture International, 28, 625-638. https://doi.org/10.1007/s10499-019-00483-2

Zhang, X. W., Gong, X. D., y Chen, F. (1999). Kinetic models for astaxanthin production by high cell density mixotrophic culture of the microalga Haematococcus pluvialis. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 23(1), 691-696. https://doi.org/10.1038/sj.jim.2900685

Zhang, Z., Baobei, W., Qiang, H., Sommerfeld, M., Yuanguang, L., y Danxiang, H. (2016). A New Paradigm for Producing Astaxanthin from the Unicellular Green Alga Haematococcus pluvialis. Biotechnology and Bioengineering, 113(10), 2088-2099. https://doi.org/10.1002/bit.25976

Zhanga J, Christiana D, Sawdon A, Penga C. (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

Zhao, Y., Xing, H., Li, X., Geng, S., Ning, D., Ma, T., y Yu, X. (2019). Physiological and metabolomics analyses reveal the roles of fulvic acid in enhancing the production of astaxanthin and lipids in Haematococcus pluvialis under abiotic stress conditions. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 67, 45. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b04964

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