Improving process-efficiency of microalgae cultivation: Heterotrophic, attached growth and simultaneous waste utilization and lipid production

Abstract

Heterotrofik ve bağlı büyüme koşullarında Chromochloris zofingiensis türü kullanılarak eşzamanlı olarak lipit ve astaksantin üretilmiş, böylece prosesin sadeleşmesi, verimliliğin artması ve maliyetin düşürülmesi hedeflenmiştir. Mikroalgler agar besiyeri yüzeyinde homojen bir şekilde büyütüldüğünde elde edilen biyokütlenin yüksek katı oranına (%40) sahip olduğu gösterilmiştir. Pigment ekstraksiyon parametrelerinin optimizasyonu sonucunda lipit ve astaksantinin eşzamanlı ekstraksiyonu mümkün olmuştur. Ayrıca, kültür parametrelerinin de optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu sayede, 40 g/L başlangıç glikozu, %4 inokulum ve 30 gün süre ile oda sıcaklığında inkübasyon sonucunda hasatlanan biyokütlenin ıslak ekstraksiyonundan 8,2 g/L lipit ve 6,5 mg/L astaksantin elde edilmiştir. Agar yüzeyinde kültivasyonun şu avantajları ortaya konmuştur: (i) inkübasyonun enerji gerektirmemesi, (ii) hücrelerin basit ve manuel olarak hasatlanması ve (iii) biyokütle kurutma aşamasının olmaması. Auxenochlorella protothecoides (Ap) türünün büyüme davranışı ve lipit üretimi sentetik besiyerinde optimize edilerek lipit üretiminde %90 iyileştirme elde edilmiştir. Ardından, meyve suyu endüstrisinin atık yan ürünü olan havuç posası, Ap türünün heterotrofik kültivasyonunda sentetik besiyeri yerine kullanılmıştır. Tek başına havuçlu besiyer (CM) ile toplam 4,9 g/L lipit üretilirken, 5 g/L glikoz ilavesiyle 5,9 g/L lipit üretilmiştir. Glikoz ilavesi yapılan CM ile elde edilen lipit, optimize edilmiş sentetik besiyeri ile elde edilen lipit ile eşdeğerdir. Ap türünün heterotrofik ve bağlı büyümesi çeşitli malzemelerle test edilip bağlı büyümeyi en iyi destekleyen malzemenin ip olduğu gösterilmiştir. Besiyeri olarak CM ve bağlı büyüme için ip kullanılarak Ap türünün biyokütlesi ve lipit üretimi incelenmiştir. İpe bağlanan biyokütlenin doğrudan ekstrakt edilmesiyle lipit elde edilebilmiştir. Ap türünün CM besiyerinde kültivasyonu biyoreaktörde test edilmiş ve ölçek büyütme potansiyeli gösterilmiştir.Heterotrophic metabolism was combined with attached cultivation of Chromochloris zofingiensis for co-production of lipids and astaxanthin to simplify processing, improve efficiency, and mitigate cost. Microalgae were cultivated on agar media surface homogeneously with high solid content (40%). Parameters for pigment extraction were optimized and consequently, lipids and astaxanthin could be co-extracted. Cultivation parameters were optimized; 30 days room temperature incubation with 40 g/L initial glucose, 4% inoculum, and wet extraction of the harvested biomass yielded 8.2 g/L lipids and 6.5 mg/L astaxanthin. Advantages of agar-attached cultivation include: no energy input during incubation, simple harvesting, and no drying of biomass. Growth and lipid production of Auxenochlorella protothecoides (Ap) was studied and the synthetic growth medium was optimized, yielding a 90% improvement in lipid output. Carrot pomace, a waste by-product of the juice industry, was utilized to fully replace synthetic growth medium in the heterotrophic cultivation of Ap. With carrot medium (CM) alone, 4.9 g/L total lipids, and with an addition of 5 g/L glucose to the CM, 5.9 g/L lipids could be produced – the latter being equivalent to the lipid output achieved with the optimized synthetic growth medium. Heterotrophic, attached growth of Ap was tested with various materials and string was found to support the highest biomass attachment. Biomass and lipid production of Ap was tested using CM as a growth medium and string for attachment. String-attached biomass samples could be extracted directly for lipids. Culture of Ap using CM was tested in a bioreactor to determine the potential for scaleup.