Haematococcus pluvialis (chlorophyta) : biología, ultraestructura y evaluación del contenido lipídico para la obtención de biodiesel

Abstract

En esta tesis se estudió la biología y la ultraestructura del género Haematococcus pluvialis y se evaluó el contenido lipídico de las células para la obtención de biodiesel. La ultra-estructura general de las células vegetativas es común a muchas Chlorophyceae, sin embargo, la cubierta celular y la configuración absoluta del aparato flagelar presentaron características particulares del género. En este estudio, se propone una nueva interpretación de la cubierta celular, formada por un estrato externo delgado y fibrilar y un estrato interno constituido por vesículas muy próximas entre sí. Además se describe el proceso de formación, en el cual inter-viene el sistema de endomenbranas. Bajo condiciones de culti-vo adversas las células vegetativas formaron cistos. Durante el proceso de enquistamiento las células perdieron movilidad, aumentaron de tamaño, sintetizaron una pared gruesa y acumularon un pigmento llamado astaxantina. La pared celular estuvo compuesta por una capa externa trilaminar de algae-nano, un componente medio formado por material electrónica-mente denso y un componente más interno, formado por dis-tintos estratos de morfología variada. Se describe por primera vez el proceso de germinación de los cistos en H. pluvialis, con particular atención al comportamiento de los distintos componentes de la pared durante este proceso y la liberación de los zooides. Las capas trilaminar y media se rompieron con el incremento de tamaño del cisto, sin embargo, el componen-te interno acompañó la expansión del mismo durante la germi-nación. El diferente proceso de formación de cada uno de los componentes de la pared explicaría el comportamiento distinto de estos, durante el proceso de germinación. Se evaluó el contenido lipídico de H. pluvialis y su posible aplicación en la obtención de biodiesel. Se logaron optimizar las condiciones específicas de cultivo para un crecimiento óptimo y para la síntesis de lípidos bajo condiciones de estrés, duplicando el contenido lipídico en cultivos estresados (35 g de lípidos en 100 g de biomasa) con respecto a los cultivos control. Se evaluaron distintos métodos de extracción lipídica y se realizó la caracterización de los ácidos grasos, siendo la fracción neu-tra la mayoritaria en cultivos control y estresados. El perfil de los ácidos grasos en ambas condiciones de cultivo fue similar y los principales ácidos grasos fueron el palmítico, esteárico, oleico, linoleico, linolelaídico y linolénico. Se obtuvo biodiesel por los métodos convencional de transesterificación y de me-tanol supercrítico. El rendimiento de la reacción de transesteri-ficación por catálisis ácida fue del 70%. Este valor puede con-siderarse aceptable considerando que la materia prima utili-zada, no sólo contenía triglicéridos sino además otros lípidos y pigmentos. A través del método supercrítico fue factible la extracción lipídica utilizando metanol a alta temperatura y presión, como también se efectivizó la transesterificación de los triglicéridos. La calidad lipídica de H. pluvialis indica el potencial que posee esta microalga como materia prima para la obtención de biodiesel. Este estudio provee información de base útil para futuras investigaciones tendientes a buscar las condiciones más adecuadas para mejorar el rendimiento lipídico, la extracción de lípidos y el proceso de obtención de biodiesel.

In this thesis the biology and ultrastructure of the genus Haematococcus pluvialis were studied. The evaluation of lipid content for biodiesel production was also performed. The general ultrastructure of vegetative cells is common to many Chlorophyceae; however, the cell coat and the absolute configuration of the flagellar apparatus showed particular ge-neric characteristics. In this study a new interpretation of the cell coat was proposed. The cell coat consisted of a fibrillar-thin outer layer and an inner one composed of vesicles close together. In addition, its formation process that involved en-domembrane system was described. Under adverse growing conditions, vegetative cells formed cysts. During cyst forma-tion, the cells lost mobility, increased in size, synthesized a thick wall and accumulated a pigment called astaxanthin. The cell wall was composed of a trilaminar outer layer of algaenan, a middle component that was made of electronically dense material and an innermost component, consisting of various layers of varied morphology. The cyst germination process in H. pluvialis was described for the first time. During germination the trilaminar layer broke down, carrying the adjacent secon-dary component, and the extensible tertiary component accompanied the cyst in its size increase and its shape change. Lipid content and its possible application for biodiesel production were evaluated. The optimization of specific culture conditions for optimum growth and lipid synthesis under stress conditions were achieved. The lipid content in stressed cultures doubled (35 g lipid in 100 g biomass) compared with control cultures. Different lipid extraction methods were evaluated and characterization of fatty acids was performed, being major the neutral fraction in both control and stressed cultures. The fatty acid profile in both culture conditions was similar and the main fatty acids were palmitic, stearic, oleic, linoleic, linolenic and linolelaidic acids. Biodiesel by conventional transesterification and supercritical methanol methods was obtained. The yield of the transes-terification reaction by acid catalysis was 70%. This value can be regarded as acceptable considering that the feedstock contained not only triglycerides but also other lipids and pigments. H. pluvialis lipid quality showed the potential of this microalga as a promising feedstock for biodiesel production. This study provides baseline information useful for future researches tending to find more suitable conditions in order to improve lipid yield, lipid extraction and the biodiesel production process.