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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