Mathematical modelling as a research tool in the cyanobacteria cultivation

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-06-26
Issue Year
2017
Authors
Lobaton, Hugo Fabian
Editor
Abstract

This study will present the development of mathematical model that will be used in a multiproduct strategy for the A. platensis cultivation. Exopolysaccharide with promissory biological activities and phycocyanin with interesting properties for the cosmetic and food industries are the target products. The possible simultaneous production of both high value products with reasonable productivities will be examined. In order to achieve this goal, a mathematical model was developed in three steps. The first one was to model the growth curve for A. platensis in different culture condition and to test the model fitting performance. Secondly, the model was used to interpret the results concerning the prod-uct formation (phycocyanin and exopolysaccharides). Finally, the model was used to cal-culate the time and nitrate concentration additions in order to enhance the co-production of exopolysaccharides and phycocyanin. The model was tested compared to several cul-ture conditions and it was able to predict accurately the growth curve of A. platensis after the variations in the flow rate from 1 to 5 vvm, initial carbon dioxide (0.035 %-3 %) and an incident light intensity on PBR surface (60-600 µmol m-2 s-1). Concnerning to product formation, the experimental results show that phycocyanin mass fraction is degraded as results of the complete nitrate depletion and nitrate additions dur-ing the cultivation help to keep constant this molecule until new macro-element limita-tion appear. According to the model, bicarbonate is this limitation. Therefore, a kinetic law for phycocyanin formation that include this phenome was proposed and linked to the core model. Regarding the exopolysaccharides formation, this work shows that not only nitrate depletion is necessary to trigger its formation, as the experiments with nitrate ad-ditions shows better exopolysaccharides production. The exopolysaccharides formation is enhanced perhaps as a result of nitrate and other macro-element limitation i.e. phos-phate. Finally, the current work has demonstrated that by controlling nutrient additions such as nitrate, reasonable productivities in both products phycocyanin (38 mg l-1 d-1) and exopolysaccharides (32 mg l-1 d-1) could be obtained.

Abstract

Diese Arbeit stellt die Entwicklung eines mathematischen Modells vor, welches in einer Multiprozessstrategie für die Kultivierung von A. platensis verwendet wird. Exopolysac-charide, die vielversprechenden biologischen Aktivitäten aufweisen, sowie Phycocyanin, welches interessanten Eigenschaften für die Kosmetik- und Lebensmittelindustrie besitzt, stehen dabei als Produkte aus dem Cyanobakterium im Fokus. Dabei wird die gleichzeiti-ge Herstellung von den hochwertigen Produkten unter hohen Produktivitätsansprüchen untersucht. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein mathematisches Modell in drei Schrit-ten entwickelt. Zunächst wurde das Wachstums für A. platensis in unterschiedlichen Kul-turbedingungen modelliert und die Modellbefestigungsleistung zu testen. Als nächstes wurde das Modell verwendet, um die Ergebnisse der Produktkinetiken für Phycocyanin und Exopolysaccharide zu interpretieren. Schließlich wurde das Modell zur Berechnung der zeitabhängigen Nitratzugaben verwendet, um die Koproduktion von Exopolysacchari-den und Phycocyanin zu verbessern. Das Modell wurde anhand mehrerer Kulturbedingungen getestet und es war in der Lage, die Wachstumskurve von A. platensis bei Variationen der Durchflussrate von 1 bis 5 vvm, bei einer CO2-Beimischung von 0,035 % bis 3 % und Lichtintensitäten zwischen 60 und 600 μmol m-2 s-1 genau vorherzusagen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass einerseits die intrazelluläre Phycocyankon-zentration sinkt, wenn Nitrat limitierend vorliegt und andererseits dass Nitratzugaben während der Kultivierung dazu beitragen, die Ausbeute von Phycocyanin konstant zu hal-ten, bis weitere Limitationen auftreten. Gemß dem Modell-Bicarbonat ist diese Be-schränkung Bicarbonat. Daher wurde ein kinetisches Gesetz für die Phycocyaninbildung vorgeschlagen und mit dem Kernmodell verknüpft. Hinsichtlich der Bildung von Exopo-lysacchariden zeigt diese Arbeit, dass nicht nur eine Nitratlimitierung notwendig ist, um ihre Bildung auszulösen, da die Experimente mit Nitratzusätzen eine bessere Produktion von Exopolysacchariden zeigen Schließlich hat die vorliegende Arbeit gezeigt, dass durch Kontrolle von Nährstoffzusätzen wie Nitrat Produktivitäten bei beiden Produkten Phy-cocyanin (38 mg l-1 d-1) und Exopolysaccharide (32 mg l-1 d-1) erhalten werden konnten.

DOI
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