Calculation of optimal density limits for a semi-continuous culture of microalgae Tetraselmis viridis Rouch. to maintain its maximum growth rate

Abstract

On the example of the laboratory culture Tetraselmis viridis (Rouchijajnen), a method for achieving the maximum productivity in a process of growing microalgae based on a regular dilution of the culture down to a specific density (“quasi-densitotat”) is shown. The experimental basis for calculating optimal conditions is a cumulative curve under specific growing conditions. Analysis of this curve made it possible to identify a linear growth section from the 4th to the 6th cultivation day, as well as to establish the maximum productivity (0.42 g/L·day) and find the range of densities (1.32–2.37 g/L), within which microalgae grow at maximum speed. After switching to a quasi-densitostat cultivation regime, the optimal range is narrowed from the top down by the amount of growth gain for the time between culture dilutions. For T. viridis, growth time within the optimal density range exceeds a day, which allows to keep control over the density and do the extraction only once a day, maintaining its productivity at the maximum level. With daily extraction and dilution of the culture, the optimal density range is 1.32–1.95 g/L. Transition to a quasi-densitostat mode of T. viridis cultivation with daily dilution down to 1.4 g/L experimentally confirmed the calculated data. On the cumulative growth curve, the end point of the maximum productivity phase is characterized by a sharp decrease in the growth rate, which indicates a change in the factor limiting growth at a culture density above 2.37 g/L. Further linear growth indicates that this factor is the insufficient carbon supply to the cell. Experimental verification confirmed this assumption. In the additional experiment, the flow of carbon with the air was reduced by turning off the air sprayer. It resulted in a decrease in the range of optimal densities from 0.95 to 0.69 g/L, with the maximum productivity of 0.26 g/L·day. Transition to a quasi-densitostat mode of cultivation with daily dilution to the density of 0.8 g/L experimentally confirmed the calculated data.

На примере лабораторной культуры Tetraselmis viridis (Rouchijajnen) показан способ реализации максимальной продуктивности в квазиплотностатном процессе выращивания микроводорослей. Экспериментальной основой для расчета оптимальных условий служит накопительная кривая при конкретных условиях выращивания. Анализ кривой позволил выделить участок линейного роста с 4-х по 6-е сутки выращивания, определить максимальную продуктивность (0,42 г/л·сут.) и найти границы плотностей (1,32–2, 37 г/ л), внутри которых микроводоросли растут с максимальной скоростью. При переходе в квазиплотностатный режим культивирования оптимальный диапазон сужается сверху на величину прироста за время между разведениями культуры. Для T. viridis время роста внутри оптимального диапазона плотностей превышает сутки, что позволяет контролировать плотность и осуществлять отбор только один раз в сутки, поддерживая продуктивность на максимальном уровне. При ежесуточном отборе и разбавлении культуры оптимальный диапазон плотностей составляет 1,32–1,95 г/ л. Пер еход в квазиплотностатный режим выращивания T. viridis при ежесуточном разбавлении плотности до 1,4 г/л экспериментально подтвердил расчетные данные. На накопительной кривой роста точка окончания фазы максимальной продуктивности характеризуется резким снижением скорости роста, что указывает на смену фактора, лимитирующего рост при плотности культуры выше 2,37 г/л. При этом дальнейший линейный рост указывает на то, что таким фактором является недостаток потока углерода на клетку. Экспериментальная проверка подтвердила это предположение. В дополнительном опыте поток углерода с воздухом был снижен за счет отключения распылителя. Это привело к снижению диапазона оптимальных плотностей с 0,95 до 0,69 г/л при максимальной продуктивности 0,26 г/л·сут. Переход в квазиплотностатный режим выращивания при ежесуточном разбавлении плотности до 0,8 г/л экспериментально подтвердил расчетные данные.