Producción in situ de biodiésel a partir de Chlorella vulgaris, Neochloris oleoabundans y Nostoc muscorum cultivadas en condiciones mixotróficas

Abstract

RESUMEN Se diseñaron experimentos mediante la metodología de superficie de respuesta para encontrar las condiciones óptimas de cultivo mixotrófico, utilizando como fuente de carbono acetato de sodio y glicerol, y maximizar la respuesta de crecimiento de biomasa y concentración de lípidos. Para las microalgas Chlorella vulgaris y Neochloris oleoabundans se realizó un diseño central compuesto, mientras que para la cianobacteria Nostoc muscorum se realizó un diseño Box-Behnken. Después de las corridas experimentales, tras el análisis de la regresión de superficie de respuesta, se realizaron los experimentos de validación de las respuestas significativas para cada especie de estudio y se obtuvieron los siguientes resultados. Para C. vulgaris, las condiciones óptimas de cultivo mixotrófico se establecieron en medio BBM adicionado con 10g/L de acetato de sodio y 0.74 g/L de glicerol con un tiempo de cultivo de 12 días; se obtuvo una concentración de biomasa de 1862.50 ± 81.97 mg/L y una concentración de lípidos de 548.20 ± 40.04, lo que representó un aumento de 5.4 y 7.5 veces, respectivamente, de sus cultivos control, es decir sin adición de las fuentes de carbono. Para N. oleoabundans, las condiciones óptimas se establecieron en 7 g/L de glicerol y un tiempo de cultivo de 3 días, sin adición de acetato; se obtuvo una concentración de biomasa de 366.67 ± 76.38 mg/L y 80.10 % de contenido de lípidos, esto es un aumento de 2.5 y 2 veces, respectivamente, de sus cultivos control. En el caso de N. muscorum, las condiciones óptimas de cultivo fueron 0.78 g/L de acetato y 2.78 g/L de glicerol por 10 días, lo cual resultó en 588.89 ± 28.87 mg/L de concentración de biomasa y 48.53 ± 1.53 mg/L de concentración de lípidos, es decir hubo un aumento de 2.7 y 3.2 veces respectivamente, de sus cultivos control. Posteriormente, se probó el efecto de la modificación del cultivo optimizado con nitrógeno deficiente o limitante, y con salinidad alta o baja, sobre el porcentaje de lípidos. Los resultados obtenidos mostraron que para N. muscorum, el porcentaje de lípidos aumentó en el tratamiento con nitrógeno deficiente (p ≤ 0.05), mientras que los tratamientos no tuvieron diferencias estadísticamente significativas en C. vulgaris y N. oleoabundans. La biomasa procedente de estos tratamientos se sometió a transesterificación in situ para obtener biodiésel. Se realizó también la extracción de lípidos y posterior transesterificación (ex situ). Se identificaron y cuantificaron los ácidos grasos componentes del biodiésel mediante cromatografía de gases-espectrometría de masas. Los ácidos grasos encontrados en su mayoría corresponden a una longitud de C16 a C18, reconocidos por ser adecuados para la producción de biodiésel, con una distribución variada por el efecto de la composición de los medios de cultivo. Con los resultados obtenidos fue posible estimar las propiedades del biodiésel mediante la aplicación de ecuaciones empíricas. Los resultados obtenidos se compararon con los estándares establecidos en la norma europea EN14214. El biodiésel obtenido a partir de C. vulgaris por transesterificación in situ en medio optimizado con nitrógeno deficiente y salinidad baja mostró los mejores parámetros de calidad, cumpliendo con todos los límites establecidos en dicha norma para las propiedades estimadas en este estudio.

ABSTRACT Experiments were designed using the response surface methodology to find the optimal conditions for mixotrophic culture, using sodium acetate and glycerol as a carbon source, and maximize the biomass growth response and lipid concentration. A composite central design was made for the microalgae Chlorella vulgaris and Neochloris oleoabundans, while a Box-Behnken design was performed for the cyanobacterium Nostoc muscorum. After the experimental runs, after the analysis of the response surface regression, the validation experiments of the significant responses were carried out for each study species and the following results were obtained. For C. vulgaris, the optimal mixotrophic culture conditions were established in BBM medium added with 10 g/L of sodium acetate and 0.74 g/L of glycerol with a culture time of 12 days; a biomass concentration of 1862.50 ± 81.97 mg/L and a lipid concentration of 548.20 ± 40.04 were obtained, which represented an increase of 5.4 and 7.5 times, respectively, of its control culture, that is, without the addition of carbon sources. For N. oleoabundans, the optimal conditions were established at 7 g/L glycerol and a culture time of 3 days, without the addition of acetate; a biomass concentration of 366.67 ± 76.38 mg/L and 80.10 % lipid content was obtained, this is an increase of 2.5 and 2 times, respectively, of its control culture. In the case of N. muscorum, the optimal culture conditions were 0.78 g/L of acetate and 2.78 g/L of glycerol for 10 days, which resulted in 588.89 ± 28.87 mg/L of biomass concentration and 48.53 ± 1.53 mg/L of lipid concentration, that is, there was an increase of 2.7 and 3.2 times respectively. of its control culture. Subsequently, the effect of modifying the optimized culture with deficient or limiting nitrogen, and with high or low salinity, on the percentage of lipids was tested. The results obtained showed that for N. muscorum, the percentage of lipids increased in the treatment with deficient nitrogen (p ≤ 0.05), while the treatments did not have statistically significant differences in C. vulgaris and N. oleoabundans. The biomass from these treatments was subjected to transesterification in situ to obtain biodiésel. Lipid extraction and subsequent transesterification (ex situ) were also performed. The fatty acids that are components of biodiésel were identified and quantified by gas chromatography-mass spectrometry. Most of the fatty acids found corresponded to a length of C16 to C18, recognized as being suitable for the production of biodiésel, with a varied distribution due to the effect of the composition of the culture media. With the results obtained, it was possible to estimate the properties of biodiésel by applying empirical equations. The results obtained were compared with the standards established in the European standard EN14214. The biodiésel obtained from C. vulgaris by in situ transesterification in an optimized medium with deficient nitrogen and low salinity showed the best quality parameters, complying with all the limits established in said standard for the properties estimated in this study.