Cultivation of microalgae Chlorella minutissima 26a in batch and continuous mode in bubble tank and airlift photobioreactors: influence of the culture medium in growth and biomass composition

As microalgas têm sido objeto de diversos estudos visando-se à produção de biocombustíveis ou outros produtos de interesse dentro do conceito de biorrefinaria. Na produção de biocombustíveis, as microalgas têm sido utilizadas por apresentarem elevada produtividade em lipídeos e carboidratos. Para viabilização de seu uso como matéria prima, é fundamental o desenvolvimento de processos com elevada produção de biomassa. Os fatores que influenciam no crescimento e composição da biomassa microalgal incluem a seleção do biorreator, a concentração e natureza da fonte de nitrogênio e o tipo de cultivo com relação às fontes de carbono e energia (autotrófico, heterotrófico ou mixotrófico). Neste trabalho, a microalga Chlorella minutissima 26a foi cultivada em fotobiorreatores do tipo tanque de bolhas em modo batelada ou airlift de tubos concêntricos em modo contínuo. Em cultivo autotrófico, estes fotobiorreatores foram empregados para avaliação da influência da concentração de nitrato de sódio no meio de cultivo no crescimento microalgal, na composição química da biomassa e na produtividade em lipídeos, carboidratos, proteínas e biomassa seca. Foi analisado também o uso de lixiviado proveniente de aterro sanitário na composição do meio de cultivo em fotobiorreator airlift em processo mixotrófico contínuo, promovendo concomitante biorremediação do lixiviado empregado. Os resultados demonstraram que a concentração de nitrato no meio de cultivo influenciou o crescimento e a composição química da biomassa e, consequentemente, os valores de produtividade obtidos. Nos ensaios usando fotobiorreator de tanque de bolhas em batelada, a variação da concentração de nitrato de sódio no meio de 37,5 mg L-1 para 150 mg L-1 promoveu aumento da produtividade em lipídeos e carboidratos, com valores máximos de 105,2 ± 1,7 mg L-1 d-1 e 36,7 ± 0,6 mg L-1 d-1, respectivamente, obtidos com a maior concentração de nitrato avaliada. No cultivo usando o fotobiorreator airlift em processo contínuo, o aumento da concentração de nitrato de sódio de 75 mg L-1 para 225 mg L-1 resultou nos maiores valores de produtividade média no estado estacionário para biomassa, lipídeos, proteínas e carboidratos, os quais foram, respectivamente, de 188,6 ± 11.2 mg L-1 d-1, 92,8 ± 5,5 mg L-1 d-1, 37,7 ± 2,2 mg L-1 d-1 e 29,1 ± 1,7 mg L-1 d-1. Neste caso, quando a concentração de nitrato de sódio aumentou de 75 mg L-1 para 150 mg L-1, observou-se aumento no teor de lipídeos e redução no teor de carboidratos da biomassa, sem modificação composicional apreciável quando a concentração de nitrato de sódio foi elevada para 225 mg L-1. O emprego do lixiviado diluído como meio de cultivo da Chlorella minutissima 26a resultou em elevados valores de produtividade em lipídeos, carboidratos, proteínas e biomassa, correspondendo a valores máximos de 232,0 ± 7,6, 95,3 ± 5,2, 33,4 ± 2,1 e 69,2 ± 3,0 mg L-1 d-1, respectivamente, dependendo da concentração de lixiviado no meio. O cultivo microalgal em lixiviado diluído resultou ainda em remoção de até 92,8% da demanda química de oxigênio, 90,5% do carbono orgânico total e 100% do nitrato presente no meio. Além disso, metais presentes foram removidos do meio durante o cultivo, resultando na remoção de até 63%, 72%, 100% e 67% para Cr, Fe, Al e Ba, respectivamente. O fotobiorreator airlift de tubos concêntricos demonstrou grande potencial para o cultivo da microalga C. minutissima em processo contínuo, incluindo a possibilidade de uso de lixiviado diluído na composição do meio para cultivo mixotrófico com sua concomitante biorremediação.Microalgae have been the subject of different studies aimed at the production of biofuels or other products of interest within the concept of biorefinery. In the production of biofuels, microalgae have been used because they present high productivity in lipids and carbohydrates. In order to enable its use as a raw material, the development of processes with high biomass production is fundamental. Variables influencing the growth and composition of microalgal biomass include the selection of the bioreactor, the concentration and kind of the nitrogen source and the type of cultivation with respect to carbon and energy sources (autotrophic, heterotrophic or mixotrophic). In this work, the microalgae Chlorella minutissima 26a was cultivated in photobioreactors of two different kinds: bubble tank in batch mode or airlift of concentric tubes in continuous mode. In autotrophic cultivation, these photobioreactors were used to evaluate the influence of sodium nitrate concentration in the culture medium on microalgal growth, chemical composition of biomass and productivity in lipids, carbohydrates, proteins and dry biomass. The use of landfill leachate was also analyzed as a component of the culture medium in continuous airlift photobioreactor in a mixotrophic process, promoting concomitant bioremediation of the used leachate. The results showed that the concentration of nitrate in the culture medium influenced the growth and chemical composition of the biomass and, consequently, the productivity values obtained. In the assays using batch bubble tank photobioreactor, the variation in the sodium nitrate concentration in the medium from 37.5 mg L-1 to 150 mg L-1 promoted an increase of the productivity in lipids and in carbohydrates, with maximum values of 105.2 ± 1.7 mg L-1 d-1 and 36.7 ± 0.6 mg L-1 d-1, respectively, obtained with the highest evaluated nitrate concentration. In the cultivation using continuous airlift photobioreactor, the increase in sodium nitrate concentration from 75 mg L-1 to 225 mg L-1 resulted in higher values of average productivity in steady-state for biomass, lipids, proteins and carbohydrates, which were, respectively, of 188.6 ± 11.2 mg L-1 d-1, 92.8 ± 5.5 mg L-1 d-1, 37.7 ± 2.2 mg L-1 d-1 and 29.1 ± 1.7 mg L-1 d-1. In this case, when the sodium nitrate concentration increased from 75 mg L-1 to 150 mg L-1, there was an increase in lipid and a reduction in the carbohydrate content of the biomass, with no appreciable compositional modification when the sodium nitrate concentration was increased to 225 mg L-1. The use of diluted leachate as a culture medium of Chlorella minutissima 26a resulted in high productivity values in lipids, carbohydrates, proteins and biomass, corresponding to maximum values of 232.0 ± 7.6, 95.3 ± 5.2, 33. 4 ± 2.1 and 69.2 ± 3.0 mg L-1 d-1, respectively, depending on the landfill leachate concentration in the medium. The microalgal cultivation in diluted leachate also resulted in the removal of up to 92.8% of the chemical oxygen demand, 90.5% of the total organic carbono and 100% of the nitrate present in the medium. In addition, present metals were uptake from the medium during cultivation, resulting in a removal of up to 63%, 72%, 100% and 67% for Cr, Fe, Al and Ba, respectively. The airlift photobioreactor of concentric tubes demonstrated great potential for the cultivation of C. minutissima microalgae in a continuous process, including the possibility of using landfill leachate diluted in the medium composition for mixotrophic cultivation with its concomitant bioremediation