Optimisation of biotechnological processes related to the cultivation of microalgae in photobioreactors for obtaining metabolites of industrial interest

Abstract

La biotecnología aplicada al cultivo de microalgas crece a grandes pasos, producto de que la composición de la biomasa puede ser adaptada a fines específicos, entre los más destacados, alimentación humana y abastecimiento de energía para garantizar la seguridad social. Si bien se cultivan microalgas a escala industrial, las productividades y eficiencias alcanzadas se encuentran muy por debajo de las teóricas, y las obtenidas en laboratorio. Considerando el extenso desarrollo logrado en las últimas dos décadas, existen aún numerosos problemas cuya resolución es necesaria a fin de lograr una tecnología de cultivo eficiente y rentable. La energía radiante es considerada el factor más influyente en el crecimiento de organismos fotosintéticos, y es utilizada como parámetro en las etapas de síntesis y escalado de bioprocesos. En la presente Tesis se propone estudiar los efectos de la calidad, la cantidad y la distribución de la radiación sobre la conducta de suspensiones de microalgas en fotobiorreactores. En particular, se analiza un reactor comercial de producción de biomasa, que cuenta con una geometría particular. Se dedica especial atención al desarrollo de herramientas predictivas, basadas en simulación computacional y cultivo en laboratorio, de la performance de reactores de geometría tubular horizontal, debido a que esta tecnología es una de las más ampliamente utilizadas para el cultivo de especies sensibles y/o con aplicaciones para la alimentación humana y farmacéutica.

Biotechnology applied to microalgae cultivation is growing by leaps and bounds, as biomass composition can be adapted to specific purposes, most notably human food and energy supply, to ensure social security. Although microalgae are cultivated on an industrial scale, the yields and efficiencies achieved are far below the theoretical expectations and those obtained in the laboratory. Considering the extensive improvement achieved in the last two decades, numerous problems still need to be solved to achieve an efficient and cost-effective cultivation technology. Radiant energy is considered the most influential factor in the growth of photosynthetic organisms and is used as a parameter in the synthesis and scale-up stages of bioprocesses. In the present thesis, it has been proposed to study the effects of radiation's quality, quantity and distribution on the behaviour of microalgae suspensions in tubular photobioreactors. In particular, a commercial reactor for biomass production, which has a particular geometry, is analysed. Additionally, a method for analysing the mass transfer process of carbon dioxide is presented, flexible enough to be adapted to other media compositions or analogously designed media that resembles wastewater and other complex substrates. Special attention is devoted to the development of predictive tools, based on computational simulation and laboratory cultivation, of the performance of horizontal tubular geometry reactors since this technology is one of the most widely used for the cultivation of sensitive species or with applications for human food and pharmaceutical products manufacturing.