Mestrado em Engenharia Alimentar na Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Viana do CasteloAs microalgas são organismos aquáticos unicelulares que podem ser classificados em dois grupos taxonómicos distintos: procariontes (cianobactérias) e eucariontes, que são subdivididos conforme seus pigmentos fotossintéticos. Esses pigmentos têm despertado grande interesse devido à sua aplicação em alimentos, rações, produtos farmacêuticos, nutracêuticos e cosméticos. A luz, a principal fonte de energia para o crescimento e metabolismo das microalgas, é absorvida por esses pigmentos; no entanto, esses microrganismos fotossintéticos utilizam apenas uma fração do espectro solar. Condições ambientais ou de cultivo desfavoráveis induzem estresse nas células, levando à acumulação de pigmentos.
O principal objetivo deste estudo foi analisar o efeito de LEDs de diferentes intensidades e espectros na produção das microalgas Haematococcus pluvialis e Thalassiosira weissflogii em escala laboratorial. Avaliou-se o impacto da intensidade luminosa e da composição da luz nas diferentes fases de desenvolvimento de H. pluvialis, além do efeito da intensidade luminosa e da adição de cloreto de sódio no meio de cultura sobre o teor de astaxantina acumulado. Para T. weissflogii, foi investigado o efeito da intensidade luminosa, da composição do meio de cultura e de diferentes fotoperíodos nas várias fases de desenvolvimento da microalga e a acumulação de fucoxantina.
Foram utilizadas lâmpadas LEDs de luz branca com intensidades luminosas entre 114 e 117 μmol m- 2 s- 1 (V-TAC) e entre 427 e 617 μmol m- 2 s- 1 (NS12), e de luz vermelha, com 408 μmol m- 2 s- 1 (AP673L). As intensidades luminosas das diferentes lâmpadas LEDs, que variam conforme a distância entre as lâmpadas e os fotobiorreatores, foram medidas com um luxímetro. A intensidade da luz (lx) foi então convertida em densidade de fluxo de fotões fotossintéticos (PPFD).
O crescimento da biomassa de H. pluvialis sob intensidade luminosa de 617 μmol m⁻² s⁻¹ foi significativamente mais pronunciado do que com lâmpadas de menor intensidade, resultando em maiores valores de concentração celular e de biomassa. O espectro de luz vermelha, demonstrou ser altamente benéfico para o crescimento de H. pluvialis, resultando em maior produção de biomassa e concentração celular ao longo do tempo. Não ocorreu acumulação de astaxantina com intensidades luminosas de 179 μmol m⁻² s⁻¹, sendo necessárias intensidades luminosas elevadas para a sua acumulação. A indução de stress para a produção de astaxantina através da adição de NaCl foi rápida, porém resultou em morte celular. O maior teor de astaxantina obtido foi com intensidades luminosas de 617 μmol m⁻² s⁻¹ e meio sem NaCl, alcançando 9,83 mg g⁻¹ de astaxantina.
O crescimento da biomassa de T. weissflogii com intensidades luminosas de 114 μmol m⁻² s⁻¹ foi significativamente mais evidente, apresentando maior estabilidade do que com lâmpadas de maior intensidade. Entre os três meios de cultura estudados (NB, GM e GM10), o meio mais estável e consistente nas diferentes fases estudadas foi o meio GM10, suplementado com 10% de Fe. Sob um fotoperíodo de 22 h luz / 2 h escuro, este meio demonstrou um aumento na densidade e concentração celulares em comparação ao fotoperíodo de 12 h / 12 h. T. weissflogii cultivada em meio GM10 apresentou maior teor de fucoxantina na fase exponencial, enquanto no estado estacionário o meio NB mostrou melhores resultados.
Em conclusão, a intensidade luminosa emerge como um fator físico-químico crucial que molda o desenvolvimento das microalgas. A capacidade de um fotobiorreator suportar elevadas intensidades luminosas é determinante para o sucesso do cultivo. Assim, a otimização das condições de cultivo, que inclui a escolha adequada do meio de cultura, a intensidade luminosa e o fotoperíodo, revela-se fundamental para maximizar a produtividade e assegurar a viabilidade das microalgas em aplicações de pesquisa e industriais.Microalgae are unicellular aquatic organisms that can be classified into two distinct taxonomic groups: prokaryotes (cyanobacteria) and eukaryotes, which are subdivided according to their photosynthetic pigments. These pigments have garnered significant interest due to their application in food, feed, pharmaceutical, nutraceutical, and cosmetic products. Light, the main energy source for the growth and metabolism of microalgae, is absorbed by these pigments; however, these photosynthetic microorganisms use only a fraction of the solar spectrum. Unfavorable environmental or cultivation conditions induce stress in the cells, leading to pigment accumulation.
The main objective of this study was to analyze the effect of LEDs with different intensities and spectra on the production of the microalgae Haematococcus pluvialis and Thalassiosira weissflogii on a laboratory scale. The impact of light intensity and composition on the different developmental stages of H. pluvialis was evaluated, along with the effect of light intensity and the addition of sodium chloride to the culture medium on the accumulated astaxanthin content. For T. weissflogii, the effect of light intensity, culture medium composition, and different photoperiods on the various developmental stages of the microalgae and the accumulation of fucoxanthin was investigated.
White light LED lamps with light intensities between 114 and 117 μmol m⁻² s⁻¹ (V-TAC) and between 427 and 617 μmol m⁻² s⁻¹ (NS12), and red light LEDs with 408 μmol m⁻² s⁻¹ (AP673L) were used. The light intensities of the different LED lamps, which vary according to the distance between the lamps and the photobioreactors, were measured with a lux meter. The light intensity (lx) was then converted to photosynthetic photon flux density (PPFD).
The biomass growth of H. pluvialis under a light intensity of 617 μmol m⁻² s⁻¹ was significantly more pronounced than with lower intensity lamps, resulting in higher cell and biomass concentrations. The red light spectrum proved to be highly beneficial for the growth of H. pluvialis, resulting in greater biomass production and cell concentration over time.
No accumulation of astaxanthin occurred at light intensities of 179 μmol m⁻² s⁻¹, with high light intensities being necessary for its accumulation. The induction of stress for astaxanthin production through the addition of NaCl was rapid but resulted in cell death. The highest astaxanthin content obtained was with light intensities of 617 μmol m⁻² s⁻¹ and a medium without NaCl, reaching 9.83 mg g⁻¹ of astaxanthin.
The biomass growth of T. weissflogii at light intensities of 114 μmol m⁻² s⁻¹ was significantly more evident, showing greater stability than with higher intensity lamps. Among the three culture media studied (NB, GM, and GM10), the most stable and consistent medium in the different phases studied was the GM10 medium, supplemented with 10% Fe. Under a photoperiod of 22 h light / 2 h dark, this medium showed an increase in cell density and concentration compared to the 12 h / 12 h photoperiod. T. weissflogii cultured in GM10 medium showed a higher fucoxanthin content in the exponential phase, while in the stationary phase, the NB medium showed better results.
In conclusion, light intensity emerges as a crucial physicochemical factor shaping the development of microalgae. The ability of a photobioreactor to support high light intensities is determinant for the success of the cultivation. Thus, optimizing cultivation conditions, including the appropriate choice of culture medium, light intensity, and photoperiod, is essential to maximize productivity and ensure the viability of microalgae in research and industrial applications
