Biotechnological production of polyunsaturated fatty acids omega-3 by heterotrophic microalgae

Abstract

La tesi descriu el desenvolupament d’un procés biotecnològic per a l’obtenció d’àcids grassos poliinsaturats (PUFA) omega-3 mitjançant microalgues heterotròfiques. El microorganisme seleccionat és l’Aurantiochytrium limacinum SR21 degut a la seva capacitat per produir PUFA, créixer utilitzant fonts de carboni de rebuig i tolerar medis amb elevades salinitats. Durant la investigació descrita en aquesta tesi, diversos mètodes analítics han estat desenvolupats per tal de monitoritzar el creixement d’ A. limacinum. Diferents eines de disseny d’experiències i modelatge com les matrius ortogonals de Taguchi, les Xarxes neuronals artificials i les superfícies de resposta, han estat utilitzades per desenvolupar el medi de cultiu específicament per A. limacinum. En lloc d’utilitzar les fonts de carboni tradicionals, el procés biotecnològic ha estat desenvolupat utilitzant un subproducte industrial com és el glicerol cru. Les mateixes eines de disseny i modelització han estat utilitzades per determinar les millors condicions d’aeració i agitació per a estimular la producció d’àcid Docosahexaenoic (DHA). S’han estudiat diferents estratègies de cultiu com el batch, fed-batch, continuous and “multi-stage” continuous reactor per determinar quina ofereix una millor productivitat de DHA. Els cultius operats en batch i fed-batch han generat el major rendiment de DHA (g DHA/ g biomassa). Contràriament, els reactors continus han ofert majors productivitats de DHA DHA (g DHA/l·h), especialment els “multi-stage”. Utilitzant l’estratègia “multi-stage”, el primer bioreactor es programa per estimular la producció de biomassa mentre que els següents bioreactors s’orienten a la producció de DHA. El productes de DHA que es comercialitzen actualment, estan formulats com a esters metílics o triglicèrids re-esterificats, però en cap cas com a triglicèrids naturals extrets sense modificar. En aquesta tesis es presenta una proposta de purificació per cromatografia (a escala industrial i de laboratori) per tal d’obtenir triglicèrids naturals amb cadenes de DHA.

La tesis describe el desarrollo de un proceso biotecnológico para la obtención de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) omega-3 mediante microalgas heterotróficas. El microorganismo seleccionado es Aurantiochytrium limacinum SR21 debido a su capacidad para producir diferentes PUFA, crecer utilizando subproductos Industriales y su tolerancia a elevadas salinidades. Durante la investigación descrita en esta tesis, diferentes métodos analíticos fueron desarrollados para monitorizar el crecimiento de A. limacinum. Diferentes herramientas de diseño de experiencias y modelización tales como, matrices ortogonales de Taguchi, redes neuronales artificiales o superficies de respuesta, han sido utilizadas para desarrollar el medio de cultivo específico para A. limacinum. En lugar de utilizar fuentes de carbono tradicionales, el proceso biotecnológico se ha desarrollado utilizando un subproducto industrial como el glicerol crudo. Las mismas herramientas de diseño y modelización han sido utilizadas para determinar las mejores condiciones de aireación y agitación para estimular la producción de ácido docosahexaenoico (DHA). Se han estudiado diferentes estrategias de cultivo como el batch, fed-batch, continuo y “multi-stage” continuo para determinar cual ofrece mayores productividades de DHA. Los cultivos operados en batch y fed-batch han ofrecido mejores rendimientos de DHA (g DHA/ g biomasa). Sin embargo, los cultivos operados en continuo han ofrecido una mayor productividad de DHA (g DHA/l·h). Utilizando la estrategia de cultivo continuo “multi-stage”, el primer biorreactor se orienta a la producción de biomasa y los siguientes biorreactores se programan para la estimulación de producción de DHA. Los productos de DHA que se comercializan actualmente, se formulan como esteres metílicos o triglicéridos re-esterificados, pero en ningún caso como triglicéridos naturales sin modificar. En esta tesis se presenta una propuesta de purificación por cromatografía (a escala industrial i de laboratorio) para obtener triglicéridos naturales con cadenas de DHA.

This dissertation describes the development of a biotechnological process to obtain polyunsaturated fatty acids (PUFA) omega-3 by heterotrophic microalgae. The selected heterotrophic microorganism was Aurantiochytrium limacinum SR21 due to its capacity to produce PUFA, grow with different carbon sources and tolerate high salinity. During the thesis investigation, diverse analytical methods have been developed in order to monitor A. limacinum growth. Moreover, different experimental design strategies/tools, such us Taguchi orthogonal matrices, Artificial neural network, Response surface methodology, etc. have been used to develop a growth medium specifically optimized for A. limacinum. Instead of using traditional carbon sources, the process has been developed to grow A. limacinum with crude glycerol, an industrial by‐product. The same experimental design tools served to find the best oxygen supply conditions to stimulate either biomass or DHA production. Batch, fed‐batch, continuous and multi‐stage continuous bioreactors have been studied to find the most prolific strategy. Batch and fed‐batch reactor generated the highest DHA yields (g DHA /g biomass). However, continuous cultivations produced higher DHA productivity values DHA (g DHA/l·h), especially the multi‐stage strategy. In a multi‐stage, continuous bioreactor, the first tank/s were dedicated to biomass production whereas the following tanks were set to stimulate DHA production. DHA products currently in market are formulated as DHA methyl esters or re‐esterified triglycerides, but not as unmodified triglycerides. In this thesis, an approach for preparative and process scale chromatography purification of unmodified triglycerides containing DHA has been developed.