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Spirulina platensis: optimización de procesos para la obtención de
biomasa
Spirulina platensis: otimização de processo para a obtenção de biomassa
Iracema de Oliveira MORAES1, Regina de Oliveira Moraes ARRUDA1,2*, Natália Rocha MARESCA3,
Aline de Oliveira ANTUNES3, Rodrigo de Oliveira MORAES1,4
Abstract
Spirulina platensis is a photoautotrophic mesophilic cyanobacterium. Its main sources of nutrients are nitrate, urea, and
ammonium salts. Spirulina cultivation requires temperature, light intensity, and nutrient content control. This microalgae
has been studied and used commercially due to its therapeutic and antioxidant potential. In addition, several studies have
reported its ability to use CO2
, its immune activity, and use as an adjuvant nutritive factor in the treatment of obesity. The
objective of this study is the production of biomass of S. platensis using different rates of stirring, nitrogen source, amount
of micronutrients, and luminosity. A 24
experimental design with the following factors: stirring (120 and 140 RPM),
amount of nitrogen (1.5 and 2.5 g/L), amount of micronutrients (0,25 and 0,75 mL/L) (11 and 15 W), and luminosity was
used. Fermentation was performed in a 500 mL conical flask with 250 mL of culture medium and 10% inoculum in an
incubator with controlled stirring and luminosity. Fermentation was monitored using a spectrophotometer (560 nm), and
each fermentation lasted 15 days. Of the parameters studied, luminosity is the one with the highest significance, followed
by the amount of nitrogen and the interaction between stirring and micronutrients. Maximum production of biomass for
15 days was 2.70 g/L under the following conditions: luminosity15W; stirring, 120 RPM; source of nitrogen, 1.5 g/L; and
micronutrients, 0.75 mL/L.
Keywords: Spirulina platensis; human food; biomass; cyanobacteria.
Resumen
Spirulina platensis es una cianobacteria mesófilica fotoautotrofica. Sus principales fuentes de nutrientes son las sales de
nitrato, urea y amonio. El cultivo de Spirulina requiere control de temperatura, intensidad de la luz y de contenido de
nutrientes utilizados Este microalgas se ha estudiado y utilizado por su potencial terapéutico y antioxidante y su actividad
inmune. y su capacidad para fijar CO2, y el uso como un factor para el tratamiento de la obesidad. El objetivo de este
estudio es la producción de biomasa de S. platensis utilizando diferentes tasas de agitación, fuente de nitrógeno, la
cantidad de micronutrientes, y la luminosidad. Un diseño experimental 24 con los siguientes factores: revolviendo (120 y
140 RPM), la cantidad de nitrógeno (1,5 y 2,5 g / L), la cantidad de micronutrientes (0,25 y 0,75 ml / L) (11 y 15 W), y la
luminosidad que fue usado. La fermentación se realizó en un matraz erlenmeyer de 500 ml con 250 ml de medio de
cultivo y 10% de inóculo en una incubadora con agitación y luminosidad controlada. La fermentación se controló
utilizando un espectrofotómetro (560 nm), y cada fermentación duró 15 días. De los parámetros estudiados, la
luminosidad es la que tiene la mayor importancia, seguido por la cantidad de nitrógeno y la interacción entre agitación y
micronutrientes. La máxima producción de biomasa durante 15 días fue 2.70 g / L en las siguientes condiciones:
luminosidad 15W; agitación, 120 RPM; fuente de nitrógeno, 1,5 g / L; y micronutrientes, 0,75 ml / l.
Palabras clave: Spirulina platensis; la alimentación humana; biomasa; cianobacterias.
Introducción
Las algas verde-azules son tal vez
las formas más primitivas de vida en la
Tierra.
Se han encontrado microorganismos
fosilizados que data de 3,5 millones de
años. Las algas se han utilizado como
alimento humano desde la antigüedad en
diversas partes del mundo tales como
China, India, México, América del Norte,
Perú, Japón, y otros.
El gran interés nutricional para la
producción de la biomasa de algas es
debido a su alto contenido de proteínas
(60 a 65% en la biomasa de Spirulina
sp.), alta digestibilidad y equilibrada
contenido de algunos aminoácidos
esenciales. La obtención de la biomasa de
Spirulina sp. Puede ser un ejemplo
representativo de producción de algas.
Algunas estrategias de producción
incluyen el uso de procedimiento de
alimentación por lotes (para el control de
nutrientes) y simple proceso por lotes.
Spirulina platensis es una especie que se
encuentra en México y algunas regiones
de africa y se desarrolla entre el rango de
temperaturas 25-26 ° C, un pH alcalino
(9,5 a 11), y alta concentración de sal que
van de 8,5 a 200 g / L; por lo tanto, su
producción es relativamente simple y no
requiere un medio de cultivo complejo y
de alto costo, por lo tanto permite llevar
su estudio (ARRUDA et al., 2009;
PELIZER et al., 2002; PELIZER;
MORAES,2009).
Arthrospira (Spirulina) sp., Es una
cianobacteria filamentosa, autótrofa,
también conocido como las algas verde-
azul, y debe su nombre a su morfología
helicoidal o espiral filamentos. Este
microorganismo crece de forma natural
en muchos lugares, especialmente
cuerpos de aguas poco profundas y en
presencia de bicarbonato de sodio, un
medio alcalino de alta salinidad
(Vonshak; TOMASELLI, 2000).
Algunas microalgas como la
Spirulina y Chlorella son certificadas
como GRAS (generalmente reconocidos
como seguros) por sus siglas en inglés y
puede ser utilizado como alimento sin
riesgo para la salud. Desde 23 de junio
1981, Spirulina ha sido legalmente
aprobado por la FDA (Administración de
Alimentos y Medicamentos), que
confirmó que:
“la Spirulina es una fuente de
proteínas, vitaminas y minerales. La
Spirulina puede ser comercializado
legalmente en los Estados Unidos como
un alimento, siempre y cuando se marca
que no contiene sustancias contaminantes
o adulteradas” (FOX, 1996, p. 89).
La cianobacteria Spirulina se ha
comercializado y estudiado por sus
propiedades nutricionales y terapéuticas
para el tratamiento de enfermedades tales
como el cáncer, la hipercolesterolemia, y
la aterosclerosis. Ciertos compuestos
presentes en Spirulina, tales como
compuestos fenólicos, ficocianina, y
tocoferol puede tener actividad
antioxidante (COLLA; FURLONG;
COSTA, 2007; Muliterno et al., 2005;
ANDRADE; CAMERINI; COSTA,
2008).
Los estudios nutricionales
muestran que estos microorganismos
tienen uno de los más altos contenidos de
proteína que se ha encontrado, de alto
valor nutricional, buena digestibilidad, y
todos los aminoácidos esenciales en la
proporciones recomendadas por la FAO,
con la excepción de metionina. (AVILA-
León et al., 2010). Algunos aspectos
técnico de la producción de Spirulina
tienen ventajas sobre otros fotoautótrofos,
tales como su fácil recolección del medio
de cultivo debido a su forma espiral y
tamaño más grande (diámetro de 10
micrómetros y de longitud tiende a
cientos de µm). La biomasa puede variar
de producción de acuerdo con el medio de
cultivo utilizado y las condiciones del
ambiente externo. La manipulación de las
condiciones de cultivo puede promover la
biosíntesis de diversos compuestos, y,
además, se puede controlar estas variables
con el fin de reducir los costos del
proceso de producción (Reinehr, 2001).
Ávila y León et al. (2012)
investigaron la producción de proteínas
de una sola célula de Arthrospira
platensis debido a la composición de la
biomasa y capacidad de crecer en medios
alternativos. Se evaluaron los efectos de
diferentes tasas de dilución (D) y las
concentraciones de urea (N0) sobre A.
platensis en cultivo continuos en términos
de crecimiento, los parámetros cinéticos,
la composición de la biomasa, y la
eliminación de nitrógeno.
Se ha observado la dependencia
del crecimiento celular en función de la
intensidad de la luz, es decir, existe una
correlación entre el aumento de la energía
luminosa recibida y el crecimiento
celular, aunque limitado por ciertas
enzimas producidas durante el
crecimiento (PELIZER et al., 2002). Este
límite se llama punto de saturación de luz,
que es de 5-10 Klux para cianobacterias
(BALLONI et al., 1980). Este hallazgo
experimental indica que la tasa máxima
de crecimiento de la célula está limitada
por otros factores además de la
asimilación de carbono y nitrógeno.
Ya que Spirulina sp. es autótrofa,
la intensidad de la luz cuasa que los
metabolitos varían en la biomasa según la
incidencia de la luz, es decir, una mayor
producción bajo altas intensidades de luz
con menor alimentación (BEZERRA,
2006).
Arruda et al. (2009) afirma que en
las condiciones estudiadas, la que dio
mejores resultados en términos de
producción de biomasa en todos los
ensayos fue el biorreactor que contiene
300 ml de medio de cultivo Paoletti et al.
Modificado con la mitad de la fuente de
nitrógeno (KNO3). Trabajando con la
viabilidad de la producción de Spirulina
platensis en un reactor de plástico
(polipropileno con un volumen de 1 L),
los mejores resultados en términos de
producción de biomasa se logró en el
tratamiento con 300 ml de medio y 15%
de inóculo con un rendimiento promedio
de 2,32 g / L en 18 días de fermentación.
Pelizer et al. (2008), determinó el
contenido de proteína total por el método
de micro-Kjeldahl y se obtuvo un
promedio de 49%.
Bajo las condiciones examinadas,
la que produjo mejores resultados en
términos de producción de biomasa en
todos los ensayos fue el biorreactor que
contiene 300 ml de medio de cultivo
modificadas con la mitad de la fuente de
nitrógeno (KNO3). S. platensis se cultivó
en un medio de cultivo autótrofa con
bicarbonato sódico y mixotrófico con
0.25, 0.50, 0.75, y 1.00 g / L de la melaza
se secaron (MEP) o melaza líquidos
(MEL); el crecimiento se completó en 35
días. La concentración máxima de
biomasa (2,83 g / l) y un rendimiento de
0,098 g día / L se alcanzaron en los
cultivos con MEL 0,50 g / L. Los cultivos
con MEP 0,25 g / L alcanzaron
concentración de biomasa de 2,59 g / L y
la productividad de 0,066 g / L por día. Se
puede concluir que la melaza se puede
utilizar para obtener la biomasa de algas
para ayudar a combatir la desnutrición
(ANDRADE; COSTA 2008).
También se estudió el cultivo de S.
platensis con la adición de glucosa. Un
diseño 23 factorial se utilizó para el
cultivo, y las variables fueron: la
concentración de glucosa (0,5 g / L y 1,0
g / L), la dilución de medio de Zarrouk
(50% y 75%), y la iluminación (1.800 lux
y 3000 lux). La concentración máxima
alcanzada fue 5,38 g / L con una tasa de
crecimiento de 0,0063 h-1
y 0,5 g / L de
glucosa, dilución medio del 75%, y la
iluminancia de 3000 lux (Muliterno et al.,
2005).
El presente estudio investigó la
producción de biomasa de S. platensis
bajo diferentes tasas de agitación, fuente
de nitrógeno la concentración, la cantidad
de micronutrientes, y luminosidad, así
como la influencia de estos factores en el
medio de cultivo sobre la producción de
Spirulina platensis centrándose en
aumento de la biomasa bajo diferentes
tasas de agitación, fuente de nitrógeno, la
cantidad de micronutrientes, y la
luminosidad.
2. Materiales y métodos
Los factores considerados en este
experimento la agitaban, Luz, contenido de
nitrógeno, y la cantidad de micronutrientes.
La fermentación se realizó en un matraz de
500 ml cónico con 250 ml de medio de
cultivo y 10% de inóculo en una incubadora
con agitación controlada y luz. Monitoreo de
la fermentación se llevó a cabo usando un
espectrofotómetro (560 nm), y cada
fermentación duró 15 días. Se utilizó un
diseño experimental 23, y los valores de cada
parámetro estudiado, se muestran en la Tabla
1. Todos los experimentos se realizaron por
duplicado. La variación de estos valores se
utilizó para verificar el efecto de los factores
en la producción de bioproductos. Se muestra
el medio usado para la fermentación en la
Tabla 2. Los experimentos se realizaron por
duplicado usando 500 ml de cada medio de
cultivo.
Tabla 1. Valores asignados a cada parámetro estudiado
para la producción de S platensis.
Tabla 2. Composición del medio mineral
(suponiendo un volumen de 500 ml).
3. Resultados y discusión
La respuesta del diseño experimental
se logró mediante la absorbancia, al final del
experimento, que fue convertida en biomasa
(g / L) por ajuste de curvas. (Ecuación 1).
Estos resultados se muestran en la Tabla 3 y
la Figura 1. Dado que los experimentos se
realizaron por duplicado, se utilizó la media
de los valores de cada experimento.
Biomasa = (lectura de absorbancia) * 1,0955 + 0,506 (1)
Los resultados experimentales se resumen en
la Tabla 3 eran analizados mediante los
siguientes programas de software: Regresión
esencial (ER) y Essential Diseño
Experimental (EED) para Excel
97/2000/2002/2003
(http://www.jowerner.homepage.tonline.
de/download.htm) para la estimación de
efecto, como se muestra en la Tabla 4.
Tabla 3. Producción de S. platensis bajo diferentes
condiciones de agitación, la luz, cantidad de nitrógeno y
micronutrientes.
Figura 1. Producción de S. platensis variando la agitación, luz, cantidad de nitrógeno y
micronutrientes.
Las siguientes figuras muestran las
tendencias de la producción. La figura 2
muestra que la producción incrementa con
una mayor cantidad de luz y fuente de
nitrógeno. La Figura 3 muestra que para
incrementar la producción, la velocidad de
agitación y micronutrientes deben tener
valores opuestos, es decir, si se aumenta la
velocidad de agitación, menor cantidad de
micronutrientes se debe utilizar; y si la
velocidad de agitación disminuye, se debe
utilizarse una mayor cantidad de nutrientes.
Los resultados encontrados son
similares a los encontrados por Muliterno et
al. (2005); la concentración máxima celular
(5,38 gL-1
) y la máxima tasa de crecimiento
específica (0,0063 h-1
) se obtuvieron con una
concentración de glucosa de 0,5 gL-1, 50%
de dilución, y 1800 lux de iluminancia.
Andrade y Costa (2008) encontraron
que la máxima concentración de biomasa es
2,83 gL-1
y la productividad es de 0,098 gL-
1.day
-1, y estos resultados se alcanzaron en
cultivos con MEL (melazas líquidas) es de
0,50 gL-1
.
Kornfeld et al. (2003), introdujo un
nuevo medio de cultivo para la producción de
biomasa de Spirulina platensis basado en una
solución alcalina de la industria de cítricos
efluente suplementado con fuentes de
nitrógeno, fósforo, y potasio, los cuales tenía
una absorbancia de 1,024 y es equivalente a
5.1g.mL-1
en un experimento de 5 días.
El uso de la mitad de contracción de
micronutrientes mostró que los valores de
biomasa y de absorbancia fueron menores en
comparación con los encontrados por
Andrade y Costa (2008) y Kornfeld et al.
(2003), pero el medio de cultivo de estos
experimentos se complementaron con fuentes
de nutrientes más caros.
Bio
mas
a (g
/L)
Ensayo
Lacaz-Ruiz (2003) llevó a cabo un
experimento para evaluar la producción de
biomasa de Spirulina platensis en Lacaz-Ruiz
medios preparada con ceniza y Eucalyptus
spp. En medio de cultivo Paoletti.
Ambos medios se prepararon
utilizando la misma condiciones de los
siguientes cultivos: cantidad de inóculo (75
ml), intensidad de la luz, leyendo a una
longitud de onda de 560 nm, agitación, y la
temperatura (33,0 ± 1,0 ° C). Los resultados
de la absorbancia inicial y final para el medio
de cultivo Paoletti eran 0,447 y 1,037,
respectivamente, y para el medio de cultivo
Lacaz-Ruiz que eran 0,329 y 0,831,
respectivamente, durante los 6 días de
experimento.
Spirulina platensis cultivado durante
23 días bajo temperatura controlada (30 ° C)
y la intensidad de luz en los 3 medios
diferentes: medio Paoletti (control), medio
Paoletti suplementado con 1 gL-1
NaCl (agua
salina), y medio preparado de acuerdo con
medio de cultivo Paoletti con el efluente
desalinizador; los resultados concentraciones
celulares fueron: 2.587, 3.545, 4.954 y gL-1
,
respectivamente, similar a los encontrados
por Volkman et al. (2008).
Tabla 4. Influencia de cada factor estudiado en los resultados obtenidos por el diseño experimental.
Dónde: L = luz, N = contenido de nitrógeno, A = agitación y M = cantidad de micronutrientes.
Figura 2. Interacción entre la luz factores (L) y la cantidad de nitrógeno (N) para la producción de biomasa S platensis.
Biomasa (g/L)
Figura 3. Interacción entre los factores de agitación (A) y la cantidad de micronutrientes (M) para la producción de biomasa S platensis.
4. Conclusión
La intensidad de luz y fuente de
nitrógeno tuvieron mayor influencia en la
producción de Spirulina platensis.
El aumento de la intensidad de la luz
favorece la producción de la biomasa, y este
fue el factor que más influyó en el estudio
actual.
Cuando se utilizó 2,5 g / l de
nitrógeno en lugar de 1,5 g / L, huvo un
aumento en la biomasa.
Velocidad de agitación y la cantidad
de micronutrientes no tenía ninguna
influencia sobre la biomasa en las
condiciones estudiadas, pero la interacción
entre estos factores tenen un efecto
antagonista.
Agradecimientos
Los autores agradecen al CNPq - por el
Programa de Becas de Iniciación Científica
(PIBIC) y para la Universidad de Guarulhos.
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