Set-up and optimization of a pilot-scale photobioreactor for autotrophic microalgae growth

Abstract

Diferentes tipos de biorreatores podem ser utilizados para cultivar microalgas, apresentado vantagens e desvantagens, principalmente relacionadas com a esterilidade, operação, produtividade, qualidade do produto e custos. Neste trabalho, um fotobiorreator de coluna de bolhas foi testado e modificado. Múltiplos ensaios foram realizados nos fotobiorreatores de coluna de bolhas de 60 L cultivando Phaeodactylum tricornutum, que incluíram ajustes no design e operação do reator, nomeadamente a adição de um segundo difusor de ar, um controlador de pH e um sistema de luzes. A adição de um difusor de ar e um controlador de pH melhorou o arejamento no reator e proporcionou a regularização do pH, respetivamente. Estas mudanças refletiram um aumento de 18 % e 5 % na produtividade e taxa de crescimento específico máximas, respetivamente. Três sistemas de luz foram também adicionados e comparados. O sistema com luzes amarelas instaladas na parte de trás do reator proporcionou um aumento geral de 2,9 vezes na produtividade máxima; os outros dois sistemas instalados na parte da frente e de trás do reator, com luzes brancas e o outro amarelas, proporcionaram um aumento de 3,7 vezes e 1,9 vezes na produtividade máxima, respetivamente. Adicionalmente, o fotobiorreator de coluna de bolhas foi comparado com outros dois sistemas de cultivo, balões de 5 L e fotobioreactores de painéis planos de 70 L, a fim de perceber e otimizar o processo de scale-up autotrófico da Allmicroalgae. O sistema de coluna de bolhas apresentou produtividades areal e volumétrica máximas, de 147,33 ± 43,99 g m-2 d -1 e 0,25 ± 0,08 g L-1 d -1 , respetivamente, estatisticamente mais elevadas. Em termos de perfis bioquímicos, foi obtido um teor em proteína estatisticamente mais alto em balões e estatisticamente mais baixo em carotenoides totais em painéis planos. Ao comparar os três sistemas sob o mesmo volume (60 L), a área ocupada por doze balões foi quase 11 vezes superior do que uma coluna de bolhas. A mão-de-obra foi reduzida 2,5 vezes substituindo os balões pelo sistema de coluna de bolhas. Por último, o uso de plástico foi reduzido ao mudar de painéis planos para colunas de bolha, resultando numa redução da pegada ecológica geral. Em conclusão, o processo autotrófico de scale-up, em relação à etapa com um sistema de 60 L, seria melhorado com a adição de um sistema de coluna de bolhas, em relação à produtividade, área ocupada, mão-de-obra e resíduos.

Microalgae can be grown using different types of photobioreactors. All photobioreactors present distinct advantages and disadvantages, specially related to sterility, operation, productivity, product quality, and costs. In this work, a bubble column photobioreactor was tested and modified to reach an optimized state. Therefore, multiple trials using Phaeodactylum tricornutum were conducted in the 60 L bubble column photobioreactors alongside technical adjustments on its design and operation, i.e., the addition of a second air diffuser, a pH controller, and a light system. The addition of a sparger and a pH controller improved aeration and provided pH regulation, respectively. These changes provided an increase of 18 % and 5 % in maximum productivity and specific growth rate, respectively. Three light systems were also added and compared. A light system with yellow lights installed in the back of the reactor provided an overall 2.9-fold increase in maximum productivity; the other two light systems installed in the front and back of the reactor, one with white and the other with yellow lights, provided an increase of 3.7-fold and 1.9-fold in maximum productivity, respectively. The bubble column PBR system was also compared with other two in-house systems, a 5 L balloon reactor, and a 70 L flat panel PBR system. The bubble column system presented a statistically higher maximum areal productivity of 147.33 ± 43.99 g m-2 d -1 and maximum volumetric productivity of 0.25 ± 0.08 g L-1 d -1 . In terms of biochemical profiles, statistically higher protein content in balloons was obtained and statistically lower total carotenoid levels were presented in flat panels. When comparing the three systems under the same volume (60 L), the area occupied by twelve balloons was almost 11-fold higher than that of one bubble column. Labor work was over 2.5-fold higher than that of the bubble column or the flat panel when twelve balloon reactors were used. Lastly, plastic use was reduced when changing from flat panels to bubble columns, resulting in a reduction of overall ecological footprint. In conclusion, the scale-up autotrophic process regarding a step with a 60 L system, would be improved with the addition of a bubble column regarding occupied area, labor work, and waste.