Towards the novel concept of microalgae production in surfactant-stabilized foams in a liquid foam-bed photobioreactor

• Autores: María Vázquez Toscano
• Directores de la Tesis: María Cuaresma Franco (dir. tes.), Carlos Vílchez Lobato (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Huelva ( España ) en 2020
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 301
• Títulos paralelos:
  • Avances en el novedoso concepto de producir microalgas en espumas estabilizadas por surfactantes en un fotobiorreactor de espumas líquidas
• Tribunal Calificador de la Tesis: José María Vega Piqueres (presid.), Inés Garbayo Nores (secret.), Dorinde kleinegris (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia y Tecnología Industrial y Ambiental por la Universidad de Huelva
• Materias:
  • Química
    • Bioquímica
  • Ciencias tecnológicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Arias Montano
• Resumen
  • español

    Las microalgas son una fuente prometedora y renovable de biocombustibles y de productos con aplicación en campos como la cosmética o la alimentación humana y animal. Sin embargo, los aún altos costes de producción limitan el número de aplicaciones de estas a escala industrial. En la actualidad, las microalgas se producen en fotobiorreactores abiertos o cerrados donde las células crecen en suspensión en suspensión en cultivos líquidos, pero sistemas de cultivo alternativos deberían ser considerados para conseguir la rentabilidad económica de más procesos de producción basados en microalgas. En este sentido, el cultivo en espuma estabilizada por surfactantes podría convertirse en una alternativa adecuada para la producción económica de microalgas y sus productos derivados. Este novedoso concepto de cultivo ofrece ciertas ventajas con respecto a los sistemas convencionales, resultando en última instancia en una reducción del consumo de agua y energía. Sin embargo, por su novedad, aún son múltiples los interrogantes que rodean a su aplicabilidad. En este sentido, esta Tesis trata diversos aspectos de este novedoso concepto de cultivo.

    En primer lugar, esta Tesis se centró en la selección de combinaciones de microalgas y surfactantes com potencial para ser empleadas en un fotobiorreactor de espuma (LF-PBR). Para ello, se establecieron grupos de criterios para seleccionar independientemente adecuadas microalgas (Capítulo 3) y surfactantes (Capítulo 4). Entre dichos criterios se incluyen las propiedades espumantes de microalgas y surfactantes así como la biodegradabilidad y toxicidad de estos últimos. De acuerdo a estos criterios, el cultivo de Chlorella sorokiniana en espumas estabilizadas por Pluronic F68 mostró el mayor potencial de un total de 6 microalgas y 10 surfactantes evaluados.

    La biodegradabilidad de varios surfactantes por las bacterias asociadas de forma natural a cultivos de microalgas se investigó con más detalle (Capítulo 5). Como resultado, se concluyó que los surfactantes biodegradables no son adecuados para su aplicación en el LF-PBR debido a su incapacidad de mantener una producción estable de espuma.

    Por otro lado, podría esperarse que el cultivo de microalgas en espuma alterase la calidad de la biomasa y sus futuras aplicaciones debido a posibles interacciones entre los surfactantes y las células y/o debido a las particulares características impuestas por el cultivo en espuma (p. ej. alta disponibilidad de CO2). Por ello, se evaluaron los efectos de Pluronic F68 sobre la composición bioquímica de C. sorokiniana en cultivos líquidos y en espuma (Capítulo 7). Para esto último se diseñó y construyó un LF-PBR a escala de laboratorio, fácil de construir de de operar (Capítulo 6). En este LF-PBR C. sorokiniana mostró un crecimiento mucho más rápido en cultivos en espuma comparado con cultivos líquidos, así como una distintiva composición bioquímica y una respuesta al estrés incrementada. Nuestros resultados muestran que, más allá del efecto del surfactante, las condiciones físico-químicas impuestas por el cultivo en espuma afectan al metabolismo de C. sorokiniana.

    Además, se realizó una primera aproximación sobre la idoneidad del uso de medios de cultivo basados en fertilizantes (Capítulo 8), lo cual podría reducir aún más los costes de producción. La selección de un fertilizante NPK adecuado parece ser una herramienta prometedora para alcanzar la producción sostenible de microalgas y sus productos derivados en espumas líquidas.

    Por último, dado que los surfactantes pueden actuar como extractantes de metabolitos y agentes líticos, también se investigó y demostró la biocompatibilidad del Pluronic F68 y C. sorokiniana (Capítulo 9).

    En conjunto, los resultados obtenidos en esta Tesis apuntan a un alto potencial del LF-PBR para producir biomasa de microalgas con un perfil bioquímico distintivo y de forma económica y, además, trata las posibilidades y retos de este novedoso concepto de cultivo de microalgas.

  • English

    Microalgae are a promising renewable feedstock for biofuels and chemicals with a variety of market applications, including cosmetics, health, human food and animal feed. However, the commercial applications of microalgae on an industrial scale are limited by the high production costs. Microalgae are currently produced in open and closed photobioreactors where the algal cells grow in liquid suspensions, but alternative cultivation systems should be taken into consideration in order to achieve the economic feasibility of additional microalgae-based production processes. In this sense, cultivation in surfactant-stabilized foams could become a suitable alternative for cost-effective production of microalgal biomass and derived products. This novel cultivation concept offers several advantages over the conventional cultivation systems, which ultimately result in reduced water and energy consumption. However, due to its novelty, many questions on its applicability remain unanswered. In this sense, this Thesis provides insight on several aspects of this novel microalgae cultivation concept. First, this Thesis focused on the selection of microalga-surfactant combinations with potential to be employed in a liquid foam-bed photobioreactor (LF-PBR). For this, sets of criteria to independently select suitable microalgal strains (Chapter 3) and surfactants (Chapter 4) were established. These criteria included the foaming properties of the microalgal suspensions and the surfactants, the resistance of the surfactant to biodegradation and its toxicity to microalgae. From a total of 6 algal strains and 10 surfactants investigated, cultivation of Chlorella sorokiniana in Pluronic F68-stabilized foams showed the largest potential according to all the aforementioned selection criteria. Besides, the biodegradability of several surfactants by bacteria naturally associated to microalgae was investigated in more detail (Chapter 5). As a result, it was concluded that biodegradable surfactants are not suitable for their application in a LF-PBR due to their inability to maintain a stable foam production. Furthermore, microalgae cultivation in surfactant-stabilized foams was expected to potentially impact the quality of the biomass and its posterior applications due to possible interactions of the surfactant with the cells and/or the particular characteristics imposed by the ‚foam environment‛ (i.e. high CO2 availability). To assess this, the effects of Pluronic F68 on the biochemical composition of C. sorokiniana were investigated in liquid and foam-based cultures (Chapter 7). For the later, a simple, easy-to-build and easy-to-operate lab-scale LF-PBR was designed and constructed (Chapter 6). Cultivation of C. sorokiniana in this LF-PBR showed much more rapid growth compared to liquid cultures, biomass with a distinct biochemical composition and an increased stress response. Our results indicate that, beyond the surfactant effect, the physicochemical conditions of the ‚foam environment‛ have an effect on the metabolism of C. sorokiniana. Besides, a first approach was made to assess the feasibility of using a fertilizer-based culture medium (Chapter 8), which could reduce the production costs further. The selection of an appropriate NPK fertilizer seems to be a promising tool to achieve sustainable production of microalgae and derived products in liquid foams. In addition, since surfactants can act as metabolites extractants and lytic agents, the biocompatibility of Pluronic F68 was investigated and demonstrated for C. sorokiniana (Chapter 9). Overall, the results obtained in this Thesis indicate a high potential of the LF-PBR for cost-effective microalgal biomass production with distinct metabolites profile and it gives a first insight on the main potentialities and challenges of this novel algal cultivation concept.