Cultivation of microalgae in a high irradiance zone

Abstract

Microalgae are considered a promising source of high-value products (carotenoids, omega-3, DHA) as well as feedstocks for feed/food, bulk chemicals, cosmetics/pharmaceutics and biofuels. Moreover, they can be used in bioremediation tasks of polluted environments, as part of the CO2 gas mitigation process or in wastewater treatment.

Light is the main substrate for the production of microalgae. Therefore, areas with high irradiances and moderated temperatures along the year are considered to be optimal for the production of microalgal biomass. However, the photosynthetic process is not a perfect process and the low efficiencies obtained in outdoor cultivation processes, especially when cultures are exposed to high irradiance conditions, are limiting the development of feasible production systems at industrial scale.

Considering the excess of light hinders the photosynthetic efficiency outdoors, more knowledge on the effect of photo-saturation over the complete photosynthetic process is needed with the aim of enhancing the microalgal productivities. In this sense, simulation experiments at laboratory scale where real outdoor irradiance conditions can be simulated while keeping the rest of operational parameters optimal might result in a better understanding of the microalgal cultivation process.

In this Thesis Dissertation, irradiance conditions typical from the Summer and Winter period in Huelva (south-west of Spain), geographical area with a high annual irradiance, were simulated. Different cultivation strategies leading to avoid/reduce the effects of photo-saturation and/or photo-inhibition over the microalgal cultures were evaluated and their effect over the final production of the microalgae Chlorella sorokiniana was discussed.

Obtained results show the potential of such microalgae to be cultivated in a high irradiance area as Huelva, the study site, for the obtainment of biomass and high-value molecules as lutein. Moreover, the positive effect of light dilution over the photosynthetic efficiency was confirmed.

Las microalgas son consideradas una fuente alternativa de productos de alto valor añadido (carotenoides, omega-3, DHA), son utilizadas en alimentación animal y humana, en el sector cosmético y farmacéutico así como en la industria química, pudiendo además ser substrato para la producción de biocombustibles o usadas en tareas de biorremediación o depuración de efluentes.

La luz es el principal substrato para la producción de microalgas. Regiones con alta irradiancia y temperaturas moderadas a lo largo de todo el año son, por lo tanto, consideradas idóneas para la producción de biomasa de microalgas. Sin embargo, la fotosíntesis no es un proceso perfecto, y las bajas eficiencias fotosintéticas alcanzadas en cultivos en el exterior, especialmente bajo condiciones de alta irradiancia, limitan el desarrollo de sistemas de producción de microalgas a escala comercial.

Por tanto, debido a que el exceso de luz reduce la eficiencia fotosintética en el exterior, se requiere un mayor conocimiento sobre el efecto de la foto-saturación en el proceso fotosintético con objeto de mejorar la productividad de los cultivos. En este sentido, experimentos a nivel de laboratorio donde pueden simularse condiciones reales de irradiancia, a la vez que se mantienen el resto de parámetros operacionales en sus valores óptimos, proporcionan una mejor comprensión sobre el cultivo de microalgas.

En esta Tesis se simulan condiciones de irradiancia propias del periodo estival, así como del invierno, en la región de Huelva, zona geográfica de alta irradiancia anual. Se evalúan diferentes estrategias para minimizar y/o evitar los efectos de la foto-saturación y de la fotoinhibición y se discute la producción de biomasa de la microalga Chlorella sorokiniana en el lugar geográfico de estudio.

Los resultados obtenidos ponen en valor el potencial de dicha microalga para ser producida en una región de alta irradiancia como Huelva (Andalucía, España) para la obtención de biomasa y de moléculas de valor añadido –luteína-, confirmando además el positivo efecto de la dilución de la luz incidente sobre la eficiencia fotosintética.