Dissertação(mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Alimentos, Escola de Química e Alimentos, 2008. / Submitted by Caroline Silva (krol_bilhar@hotmail.com) on 2012-09-24T18:12:59Z No. of bitstreams: 1 dissertao ana priscila centeno da rosa.pdf: 832074 bytes, checksum: f714a15c9e2b09a517b32f01fb11ef36 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-12-01T01:10:48Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertao ana priscila centeno da rosa.pdf: 832074 bytes, checksum: f714a15c9e2b09a517b32f01fb11ef36 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-12-01T01:10:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertao ana priscila centeno da rosa.pdf: 832074 bytes, checksum: f714a15c9e2b09a517b32f01fb11ef36 (MD5) Previous issue date: 2008 / Spirulina (Arthrospira) é uma microalga fotossintética, encontrada em ambientes alcalinos e é uma das mais produzidas no mundo. Sua biomassa possui alto valor nutricional e agregado. Apresenta alto teor protéico e é rica em compostos bioativos, como aminoácidos essenciais, ácidos graxos, pigmentos e vitaminas. Um sistema de produção de biomassa microalgal depende de muitos fatores, entre eles, o desenvolvimento de um meio de cultivo economicamente viável. O objetivo do presente trabalho foi estudar a influência da concentração de nutrientes no meio de cultivo para a produção da microalga Arthrospira em biorreatores tipo “raceway” e modo semicontínuo. Para os cultivos foi utilizado meio Zarrouk que teve as fontes de carbono, nitrogênio e fósforo mantidas nas concentrações padrões e os demais nutrientes (solução B) foram variados em 25% (Z-B25), 50% (Z-B50), 75% (Z-B75) e 100% (Z-100). Foram realizados ensaios com diferentes volumes do meio de cultura, 5L e 2 500 L. Nos ensaios realizados em biorreatores com volume de meio de 5 L a velocidade específica máxima de crescimento e a produtividade foram reduzidas com o consumo dos nutrientes pela microalga. Os máximos valores de velocidade específica de crescimento (0,184 d-1) e produtividade (48,03 mg.L-1.d-1) foram observados no ensaio Z-B50. Os ensaios Z-B50 e Z-B75 apresentaram velocidade específica máxima de crescimento e produtividade sem diferença significativa (p>0,15) a partir do terceiro ciclo de crescimento. No inicio do terceiro ciclo as concentrações de nitrogênio e fósforo apresentaram reduções de 21,2 e 15,7% (Z-B50) e 29,9 e 12,9% (Z-B75), respectivamente. Para cada ensaio foram realizadas análises de composição química da biomassa a cada ciclo de crescimento do cultivo. O maior teor protéico (48,8±4,1%) foi encontrado na biomassa de Arthrospira no ensaio Z-100. O ensaio ZB50 apresentou biomassa contendo 46,10±2,59% de proteína por um período de, aproximadamente, 50 d. Os cultivos em biorreatores com volume de meio de 2 500 L foram realizados em condições ambientais não controlas e foi utilizado água da Lagoa Mangueira para diluição do meio Zarrouk. A temperatura e a iluminância variaram de 16 a 42ºC e 26,3 a 105,2 klux, respectivamente. As máximas velocidades específicas de crescimento e produtividades, respectivamente, 0,276 d-1 e 148,36 mg.L-1.d-1 (ZB50) e 0,368 d-1 e 95,60 mg.L-1.d-1 (Z-100), foram encontradas no período com maior média de temperatura,. Para estes ensaios, a concentração de proteína na biomassa não apresentou diferença significativa (p>0,05). A concentração de lipídios na biomassa, ao final dos ensaios, apresentou redução em relação a concentração inicial de 22 e 52% para os ensaios Z-B50 e Z-100, respectivamente. / Spirulina (Arthrospira) is a photosynthetic microalgae found in alkaline environmental and it is one of the most produced in the world. The chemical composition of Spirulina’s biomass indicates that it has high nutritional value due its composed of a wide range of biologically active compounds, such as vitamins, pigments, fatty acids and essential amino acids. A production system of microalgae biomass depends on several factors, such as, the development of economic culture medium. The objective of this work was studied the influence of nutrients concentration on culture medium for the production Arthrospira microalgae in open raceway ponds and semicontinuous process. For the experiments, was used Zarrouk’s medium, where carbon, nitrogen and phosphorous sources were used at standard concentration and the concentration of the others nutrients (B-solution) were varied to 25% (Z-B25), 50% (Z-B50), 75% (Z-B75) and 100% (Z-100). Two experiments were performed with different culture medium volume, 5 L and 2 500 L. In an experiment performed with medium volume of 5 L, was observed a reduction on maximum specific growth rate and productivity according the nutrients consumed by microalgae. The maximum values of specific growth rate (0.184 d-1) and productivity (48.03 mg.L-1.d-1) were observed an experiment Z-B50. After the third growth cycle, the maximum specific growth rate and productivity didn’t show significant difference (p>0.15) for experiments Z-B50 and Z-B75. In the beginning of the third cycle, nitrogen and phosphorous concentrations showed a reduction of 21.1 and 15.7% for Z-B50 medium, 29.9 and 12.9% for Z-B75, respectively. For each cycle growth, analyses of chemical composition were performed from the biomass of each experiment. The highest protein content (48.8±4.1%) was found out in the Arthrospira biomass at Z-100 test. In the essay Z-B50, the biomass protein content was 46.10±2.59% for a period of 50 days, approximately. The process on bioreactor that used 2 500 L of medium volume, was carried out in environmental conditions and was utilized Mangueira Lagoon water for dilution Zarrouk’s medium. The temperature and illumination were varied between 16 to 42ºC and 26.3 to 105.2 klux, respectively. The maximum specific growth rate and productivity were, 0.276 d-1 and 148.36 mg.L-1.d-1 (ZB50) and 0.368 d-1 and 95.60 mg.L-1.d-1 (Z-100), respectively, found out in a period that presented the highest average temperature. For these experiments, the protein concentration of biomass did not show significant difference (p>0.05), already, the lipid concentration showed a reduction when compared an initial concentration of 22 and 52% for Z-B50 and Z-100 experiments, respectively.

MOREIRA, Renato Teixeira. Cultivo de Arthrospira platensis em meio orgânico: extração de polissacarídeos sulfatados e sua administração a camarões Penaeus vannamei. 2015. 67 f. : Tese (doutorado) - Universidade Federal do Ceará. Centro de Ciências Agrárias, Departamento de Engenharia de Pesca, Fortaleza-CE, 2015 / Submitted by Nádja Goes (nmoraissoares@gmail.com) on 2016-07-27T14:53:18Z No. of bitstreams: 1 2015_tese_rtmoreira.pdf: 1566320 bytes, checksum: 67faa730cbea3b35ee8201d967647744 (MD5) / Approved for entry into archive by Nádja Goes (nmoraissoares@gmail.com) on 2016-07-27T14:53:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_tese_rtmoreira.pdf: 1566320 bytes, checksum: 67faa730cbea3b35ee8201d967647744 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T14:53:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_tese_rtmoreira.pdf: 1566320 bytes, checksum: 67faa730cbea3b35ee8201d967647744 (MD5) Previous issue date: 2015 / A aquicultura ocupa cada vez mais espaço no cenário mundial, em virtude do avanço tecnológico e do aumento da demanda por proteína animal, consolidando-se como a atividade que mais cresce no agronegócio. Por outro lado, existe a possibilidade do desenvolvimento de enfermidades ao longo do cultivo, bem como, causar impactos no meio ambiente, com o lançamento de compostos orgânicos na água, eutrofizando o ecossistema aquático. Diante deste cenário, as cianobactérias como a Arthrospira platensis, surgem como um forte aliado dos produtores, seja para absorção de compostos orgânicos e tratamento de efluentes, seja pela produção de compostos que apresentam atividade biológica, promovendo o bem-estar dos animais cultivados. Assim, o objetivo desse estudo foi produzir A. platensis em efluente de cultivo da tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus), extrair e avaliar o efeito imunomodulador dos polissacarídeos sulfatados (PS) em juvenis de Penaeus vannamei. Os PS foram obtidos a partir de um extrato aquoso quente e administrados por meio de banhos de imersão em juvenis de P. vannamei, nas concentrações de 0, 60, 120 e 240 mg L-1. Após a imersão, foi realizada a contagem total de hemócitos (THC) e verificada a concentração de proteínas totais da hemolinfa (CP) e atividade das enzimas fenoloxidase (PO) e α2-macroglobulina no soro. Após a avaliação dos imunoparâmetros, verificou-se que na concentração de 120 mg L-1 ocorreu a melhor atividade imunoestimulante. Esta concentração foi utilizada para se observar a reação dos parâmetros imunológicos quando expostos ao tempo 0 (sem exposição), 45, 90, 135 e 180 minutos, bem como a atividade antimicrobiana contra Vibrio alginolyticus. A microalga mostrou um bom desenvolvimento dentro do sistema de produção orgânico. Foram extraídos 19,85 g de PS, com um rendimento de 8,5% da biomassa utilizada. Durante o fracionamento dos PS foram observados duas frações majoritárias com 0,5 e 1,2 M de NaCl. Após três horas de imersão em diferentes concentrações de PS, os imunoparâmetros apresentaram um aumento gradativo à medida que se elevava a concentração dos PS. Ainda, a estimulação do sistema imunológico dos camarões ocorreu com 90 e 135 minutos de exposição aos PS. A enzima fenoloxidase atingiu sua atividade máxima (72,33 Umin-1mg-1) com 135 minutos de exposição, seguida de um aumento da atividade da enzima α2-macroglobulina com 180 minutos. O soro dos animais coletados com 90 e 135 minutos foi mais efetivo em inibir o desenvolvimento de V. alginolyticus, sendo necessários apenas 1,51 ± 0,08 e 1,59 ± 0,02 mg mL-1 de proteínas para combatê-lo. Os resultados obtidos nos demais tempos não diferiram do tempo zero. Assim, conclui-se que os PS de A. platensis foram capazes de ativar o sistema imunológico dos camarões logo após 90 minutos de exposição, como também contribuíram para aumentar a atividade antibacteriana do soro dos animais. / Aquaculture takes up more and more space on the world stage, as a result of technological advances and increased demand for animal protein, consolidating itself as the fastest growing activity in agribusiness. On the other hand, there is the possibility of the development of illnesses over the cultivation, as well as impact on the environment, with the release of organic compounds in water, eutrophicating aquatic ecosystem. Given this scenario, microalgae Arthrospira platensis, as to appear as a strong ally of the producers, whether for absorption of organic compounds and treatment of effluents, is for the production of compounds that exhibit biological activity, promoting the welfare of farmed animals. Thus, the objective of this study was to produce. platensis cultivation sewage Nile tilapia (Oreochromis niloticus), extract and evaluate the immunomodulatory effect of sulfated polysaccharide (PS) in juvenile Penaeus vannamei. The PS were obtained from a hot aqueous extract and administered through immersion baths in juveniles of P. vannamei, at concentrations of 0, 60, 120 and 240 mg L-1. After soaking, the total count of hemocytes (THC) and checked the concentration of total proteins (CP) and activity of enzymes fenoloxidase (PO) and α2-macroglobulina. After the evaluation of the imunoparâmetros, it was found that the concentration of 120 mg L-1 the best immunostimulating activity. This concentration was used to observe the reaction of immunological parameters when exposed to the weather (no exposure) 0, 45, 90, 135 and 180 minutes, as well as the antimicrobial activity against Vibrio alginolyticus. The microalgae showed a good development within the organic production system. Were extracted 19,85 g PS, with a yield of 8,5% of the biomass used. During the fractionation of PS were observed two fractions with 0,5 and 1,2 M majority of NaCl. After three hours of immersion in different concentrations of PS, the imunoparâmetros showed an increase gradually as amounting to concentration of PS. Still, stimulation of the immune system of shrimp took place with 90 and 135 minutes of exposure to the PS. The fenoloxidase enzyme reached its maximum activity (72,33 Umin-1 mg-1) with 135 minutes of exposure, followed by an increase of the α2-macroglobulina enzyme activity with 180 minutes. The serum of animals collected with 90 and 135 minutes was more effective in inhibiting the development of V. alginolyticus, and needed only 1,51 ± 0,08 and 1,59 ± 0,02 mg mL-1 of proteins to fight it. The results obtained in other times did not differ from time zero. Thus, it is concluded that the PS of A. platensis were able to activate the immune system in shrimp shortly after 90 minutes of exposure, but also contributed to increase the antibacterial activity of the serum of animals.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / Aquaculture takes up more and more space on the world stage, as a result of technological advances and increased demand for animal protein, consolidating itself as the fastest growing activity in agribusiness. On the other hand, there is the possibility of the development of illnesses over the cultivation, as well as impact on the environment, with the release of organic compounds in water, eutrophicating aquatic ecosystem. Given this scenario, microalgae Arthrospira platensis, as to appear as a strong ally of the producers, whether for absorption of organic compounds and treatment of effluents, is for the production of compounds that exhibit biological activity, promoting the welfare of farmed animals. Thus, the objective of this study was to produce. platensis cultivation sewage Nile tilapia (Oreochromis niloticus), extract and evaluate the immunomodulatory effect of sulfated polysaccharide (PS) in juvenile Penaeus vannamei. The PS were obtained from a hot aqueous extract and administered through immersion baths in juveniles of P. vannamei, at concentrations of 0, 60, 120 and 240 mg L-1. After soaking, the total count of hemocytes (THC) and checked the concentration of total proteins (CP) and activity of enzymes fenoloxidase (PO) and α2-macroglobulina. After the evaluation of the imunoparÃmetros, it was found that the concentration of 120 mg L-1 the best immunostimulating activity. This concentration was used to observe the reaction of immunological parameters when exposed to the weather (no exposure) 0, 45, 90, 135 and 180 minutes, as well as the antimicrobial activity against Vibrio alginolyticus. The microalgae showed a good development within the organic production system. Were extracted 19,85 g PS, with a yield of 8,5% of the biomass used. During the fractionation of PS were observed two fractions with 0,5 and 1,2 M majority of NaCl. After three hours of immersion in different concentrations of PS, the imunoparÃmetros showed an increase gradually as amounting to concentration of PS. Still, stimulation of the immune system of shrimp took place with 90 and 135 minutes of exposure to the PS. The fenoloxidase enzyme reached its maximum activity (72,33 Umin-1 mg-1) with 135 minutes of exposure, followed by an increase of the α2-macroglobulina enzyme activity with 180 minutes. The serum of animals collected with 90 and 135 minutes was more effective in inhibiting the development of V. alginolyticus, and needed only 1,51  0,08 and 1,59  0,02 mg mL-1 of proteins to fight it. The results obtained in other times did not differ from time zero. Thus, it is concluded that the PS of A. platensis were able to activate the immune system in shrimp shortly after 90 minutes of exposure, but also contributed to increase the antibacterial activity of the serum of animals. / A aquicultura ocupa cada vez mais espaÃo no cenÃrio mundial, em virtude do avanÃo tecnolÃgico e do aumento da demanda por proteÃna animal, consolidando-se como a atividade que mais cresce no agronegÃcio. Por outro lado, existe a possibilidade do desenvolvimento de enfermidades ao longo do cultivo, bem como, causar impactos no meio ambiente, com o lanÃamento de compostos orgÃnicos na Ãgua, eutrofizando o ecossistema aquÃtico. Diante deste cenÃrio, as cianobactÃrias como a Arthrospira platensis, surgem como um forte aliado dos produtores, seja para absorÃÃo de compostos orgÃnicos e tratamento de efluentes, seja pela produÃÃo de compostos que apresentam atividade biolÃgica, promovendo o bem-estar dos animais cultivados. Assim, o objetivo desse estudo foi produzir A. platensis em efluente de cultivo da tilÃpia do Nilo (Oreochromis niloticus), extrair e avaliar o efeito imunomodulador dos polissacarÃdeos sulfatados (PS) em juvenis de Penaeus vannamei. Os PS foram obtidos a partir de um extrato aquoso quente e administrados por meio de banhos de imersÃo em juvenis de P. vannamei, nas concentraÃÃes de 0, 60, 120 e 240 mg L-1. ApÃs a imersÃo, foi realizada a contagem total de hemÃcitos (THC) e verificada a concentraÃÃo de proteÃnas totais da hemolinfa (CP) e atividade das enzimas fenoloxidase (PO) e α2-macroglobulina no soro. ApÃs a avaliaÃÃo dos imunoparÃmetros, verificou-se que na concentraÃÃo de 120 mg L-1 ocorreu a melhor atividade imunoestimulante. Esta concentraÃÃo foi utilizada para se observar a reaÃÃo dos parÃmetros imunolÃgicos quando expostos ao tempo 0 (sem exposiÃÃo), 45, 90, 135 e 180 minutos, bem como a atividade antimicrobiana contra Vibrio alginolyticus. A microalga mostrou um bom desenvolvimento dentro do sistema de produÃÃo orgÃnico. Foram extraÃdos 19,85 g de PS, com um rendimento de 8,5% da biomassa utilizada. Durante o fracionamento dos PS foram observados duas fraÃÃes majoritÃrias com 0,5 e 1,2 M de NaCl. ApÃs trÃs horas de imersÃo em diferentes concentraÃÃes de PS, os imunoparÃmetros apresentaram um aumento gradativo à medida que se elevava a concentraÃÃo dos PS. Ainda, a estimulaÃÃo do sistema imunolÃgico dos camarÃes ocorreu com 90 e 135 minutos de exposiÃÃo aos PS. A enzima fenoloxidase atingiu sua atividade mÃxima (72,33 Umin-1mg-1) com 135 minutos de exposiÃÃo, seguida de um aumento da atividade da enzima α2-macroglobulina com 180 minutos. O soro dos animais coletados com 90 e 135 minutos foi mais efetivo em inibir o desenvolvimento de V. alginolyticus, sendo necessÃrios apenas 1,51  0,08 e 1,59  0,02 mg mL-1 de proteÃnas para combatÃ-lo. Os resultados obtidos nos demais tempos nÃo diferiram do tempo zero. Assim, conclui-se que os PS de A. platensis foram capazes de ativar o sistema imunolÃgico dos camarÃes logo apÃs 90 minutos de exposiÃÃo, como tambÃm contribuÃram para aumentar a atividade antibacteriana do soro dos animais.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung definiert beleuchteter Photobioreaktorsysteme (klassische Systeme wie Schüttelkolben und Blasensäule als auch neuartige Konzepte) für reaktionskinetische Untersuchungen. Diese dienen zur Untersuchung des Einflusses des Lichts auf das Wachstum phototropher Organismen, als Modellorganismus wurde das Cyanobakterium Arthrospira platensis ausgewählt.

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung definiert beleuchteter Photobioreaktorsysteme (klassische Systeme wie Schüttelkolben und Blasensäule als auch neuartige Konzepte) für reaktionskinetische Untersuchungen. Diese dienen zur Untersuchung des Einflusses des Lichts auf das Wachstum phototropher Organismen, als Modellorganismus wurde das Cyanobakterium Arthrospira platensis ausgewählt.

A aplicabilidade do processo de produção de microrganismos fotossintetizantes depende da obtenção de altas concentrações de biomassa e para isso seria interessante o emprego de fotobiorreatores tubulares. Eles permitem redução da área de cultivo e menor perda de CO2 e nitrogênio amoniacal por volatilização. Em uma primeira etapa deste trabalho, Arthrospira platensis foi cultivada por processo contínuo, avaliando-se diferentes valores de vazão específica de alimentação (D = 0,2 a 1,0 dia-1) e diferentes intensidades luminosas (I = 60 e 120 µmol fótons.m-2.s-1). Verificou-se que 120 µmol fótons.m-2.s-1 associada a D igual a 0,2 dia-1 resultou em maior valor de concentração celular em regime permanente (XP = 2446 ± 74 mg.L-1.d-1), mas o mesmo I associado a maior valor de D (0,6 dia-1) levou ao melhor valor de produtividade em células (PX = 938,73 mg.L-1.d-1). Foi possível a obtenção do regime permanente em quase todos os ensaios, o que indica que o cultivo contínuo de A. platensis em fotobiorreator tubular, usando uréia como fonte de nitrogênio, pode levar a resultados satisfatórios. Considerando a preocupação em relação à substituição de combustíveis fósseis por biocombustíveis, é iminente o crescente aumento da produção de etanol ainda nos próximos anos, e esse trabalho propõe o uso do CO2 liberado pela fermentação alcoólica na produção de microrganismos fotossintetizantes como A. platensis. Para isso, em uma segunda etapa, A. platensis foi cultivada por processo contínuo, com I igual a 120 µmol fótons.m-2.s-1, empregando uréia e CO2 proveniente de fermentação alcoólica para manutenção de pH e reposição da fonte de carbono. O uso desse CO2, sem tratamento prévio, associado a D igual a 0,6 dia-1 e concentração de uréia de 3,2 mM no meio de alimentação, permitiu a obtenção de PX igual a 839 ± 25 mg.L-1.d-1, o que está próximo de 938 ± 30mg.L-1.d-1, obtido com CO2 puro de cilindro. Estes resultados mostram que o uso de CO2 de fermentação alcoólica, associado a uréia, é adequado para cultivo contínuo de biomassa fotossintetizante de potencial interesse na área farmacêutica, alimentícia e de cosméticos, promovendo não só a redução no custo de produção mas também outros benefícios relacionados a questões ambientais e sociais. / Appropriately designed tubular photobioreactors seem to be suitable for photosynthetic biomass production. It can reduce the cultivation area and provide lower loss of CO2 and ammoniacal nitrogen by volatilization. In a first step of this study, Arthrospira platensis was cultivated by continuous process, testing different values of dilution rate (D = 0.2 to 1.0 d-1) and light intensities (I = 60 and 120 µmol photons.m-2.s-1). The results of these runs showed that the maximum steady-state cell concentration (XS = 2446 ± 74 mg.L-1.d-1) was achieved at 120 µmol photons.m-2.s-1 and D of 0.2 d-1, but the same light intensity associated to higher dilution rate (0.6 d-1) provided the highest cell productivity (PX = 938 ± 30 mg.L-1.d-1), a value appreciably higher than that reported in other studies. Besides, steady-state conditions were achieved in most of the runs indicating that A. platensis continuous cultivation in the tubular photobioreactor, using urea as nitrogen source, can be performed effectively, thus appearing an interesting alternative for the large scale fixation of carbon dioxide to mitigate the green house effect. Taking into account the concern about the substitution of fossil fuel with biofuels, its evident that the ethanol production is going to increase even more in the next years, and this study propose the use of the CO2 released by the alcoholic fermentation for the production of photosynthetic microorganism such as A. platensis. For this purpose, in a second step, cultivations of A. platensis were carried out with 120 µmol photons.m-2.s-1 by continuous process, using urea and CO2 from Alcoholic fermentation for pH maintenance and carbon source replacement. The use of this CO2, without any treatment, associated with a D of 0.6 d-1 and feed urea concentration of 3.2 mM provide us a PX of 839 ± 25 mg.L-1.d-1, which is slightly lower than 938 ±30 mg.L-1.d-1, obtained with pure CO2 from cylinder. Our results showed that the use of CO2 from alcoholic fermentation, associated with urea, is suitable for the continuous cultivation cyanobacterial biomass, providing not only the production cost reduction but also other benefits related to environmental and social issues.

A aplicabilidade do processo de produção de microrganismos fotossintetizantes depende da obtenção de altas concentrações de biomassa e para isso seria interessante o emprego de fotobiorreatores tubulares. Eles permitem redução da área de cultivo e menor perda de CO2 e nitrogênio amoniacal por volatilização. Em uma primeira etapa deste trabalho, Arthrospira platensis foi cultivada por processo contínuo, avaliando-se diferentes valores de vazão específica de alimentação (D = 0,2 a 1,0 dia-1) e diferentes intensidades luminosas (I = 60 e 120 µmol fótons.m-2.s-1). Verificou-se que 120 µmol fótons.m-2.s-1 associada a D igual a 0,2 dia-1 resultou em maior valor de concentração celular em regime permanente (XP = 2446 ± 74 mg.L-1.d-1), mas o mesmo I associado a maior valor de D (0,6 dia-1) levou ao melhor valor de produtividade em células (PX = 938,73 mg.L-1.d-1). Foi possível a obtenção do regime permanente em quase todos os ensaios, o que indica que o cultivo contínuo de A. platensis em fotobiorreator tubular, usando uréia como fonte de nitrogênio, pode levar a resultados satisfatórios. Considerando a preocupação em relação à substituição de combustíveis fósseis por biocombustíveis, é iminente o crescente aumento da produção de etanol ainda nos próximos anos, e esse trabalho propõe o uso do CO2 liberado pela fermentação alcoólica na produção de microrganismos fotossintetizantes como A. platensis. Para isso, em uma segunda etapa, A. platensis foi cultivada por processo contínuo, com I igual a 120 µmol fótons.m-2.s-1, empregando uréia e CO2 proveniente de fermentação alcoólica para manutenção de pH e reposição da fonte de carbono. O uso desse CO2, sem tratamento prévio, associado a D igual a 0,6 dia-1 e concentração de uréia de 3,2 mM no meio de alimentação, permitiu a obtenção de PX igual a 839 ± 25 mg.L-1.d-1, o que está próximo de 938 ± 30mg.L-1.d-1, obtido com CO2 puro de cilindro. Estes resultados mostram que o uso de CO2 de fermentação alcoólica, associado a uréia, é adequado para cultivo contínuo de biomassa fotossintetizante de potencial interesse na área farmacêutica, alimentícia e de cosméticos, promovendo não só a redução no custo de produção mas também outros benefícios relacionados a questões ambientais e sociais. / Appropriately designed tubular photobioreactors seem to be suitable for photosynthetic biomass production. It can reduce the cultivation area and provide lower loss of CO2 and ammoniacal nitrogen by volatilization. In a first step of this study, Arthrospira platensis was cultivated by continuous process, testing different values of dilution rate (D = 0.2 to 1.0 d-1) and light intensities (I = 60 and 120 µmol photons.m-2.s-1). The results of these runs showed that the maximum steady-state cell concentration (XS = 2446 ± 74 mg.L-1.d-1) was achieved at 120 µmol photons.m-2.s-1 and D of 0.2 d-1, but the same light intensity associated to higher dilution rate (0.6 d-1) provided the highest cell productivity (PX = 938 ± 30 mg.L-1.d-1), a value appreciably higher than that reported in other studies. Besides, steady-state conditions were achieved in most of the runs indicating that A. platensis continuous cultivation in the tubular photobioreactor, using urea as nitrogen source, can be performed effectively, thus appearing an interesting alternative for the large scale fixation of carbon dioxide to mitigate the green house effect. Taking into account the concern about the substitution of fossil fuel with biofuels, its evident that the ethanol production is going to increase even more in the next years, and this study propose the use of the CO2 released by the alcoholic fermentation for the production of photosynthetic microorganism such as A. platensis. For this purpose, in a second step, cultivations of A. platensis were carried out with 120 µmol photons.m-2.s-1 by continuous process, using urea and CO2 from Alcoholic fermentation for pH maintenance and carbon source replacement. The use of this CO2, without any treatment, associated with a D of 0.6 d-1 and feed urea concentration of 3.2 mM provide us a PX of 839 ± 25 mg.L-1.d-1, which is slightly lower than 938 ±30 mg.L-1.d-1, obtained with pure CO2 from cylinder. Our results showed that the use of CO2 from alcoholic fermentation, associated with urea, is suitable for the continuous cultivation cyanobacterial biomass, providing not only the production cost reduction but also other benefits related to environmental and social issues.

Submitted by Biblioteca da Faculdade de Farmácia (bff@ndc.uff.br) on 2017-03-14T18:27:56Z No. of bitstreams: 1 Rizzo, Roberta Ferreira [Dissertação, 2014].pdf: 3622671 bytes, checksum: 2e33786bbb464784e93274b48c446ebd (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-14T18:27:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rizzo, Roberta Ferreira [Dissertação, 2014].pdf: 3622671 bytes, checksum: 2e33786bbb464784e93274b48c446ebd (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Corantes são aditivos amplamente utilizados pelas indústrias de alimentos. O aumento de investimento em pesquisa sobre novas fontes de pigmentos naturais, como a partir de micro-organismo, para aplicação em alimentos vem sendo justificada pelo potencial toxicológico dos corantes artificiais e/ou pela baixa estabilidade dos corantes naturais. Cianobactérias são micro-organismos produtores de pigmentos como as ficobiliproteínas, e estudos relatam a ocorrência de ficocianina, aloficocianina e pequena fração de ficoeritrina na cianobactéria A. platensis. Há descrição de que o gênero Arthrospira realize adaptação cromática, fenômeno que leva a reestruturação dos ficobilissomas, induzindo ao acúmulo de ficobiliproteínas específicas na biomassa. O presente trabalho visou ao estudo do crescimento de A. platensis em diferentes qualidades de irradiância luminosa, em diferentes níveis, avaliando a produção de metabólitos de interesse. Os cultivos foram realizados em meio Zarrouk, a 31 ± 2ºC. A cianobactéria foi cultivada nos níveis de irradiância, 50, 100 e 150 mol fotons.m-2.s-1, fornecida por lâmpadas branca ou verde. Foi acompanhada a produção de biomassa, proteína e ficobiliproteínas e foi avaliada a estabilidade de cor dos extratos obtidos. As condições sob luz branca apresentaram maior produção de biomassa que os cultivos sob luz verde. A condição de 150 μmol fotons.m-2.s-1 sob luz branca foi a que promoveu maior produção de biomassa com 2.115,24 mg/L. Não houve diferença estatisticamente significativa na produção de proteína total e ficobiliproteínas nas condições estudadas. Não foi evidenciado o fenômeno da adaptação cromática complementar na cepa de A. platensis estudada, cultivada sob iluminação de qualidade verde. O efeito combinado do pH, temperatura e tempo de tratamento térmico, demonstrou que o extrato obtido no crescimento sob luz verde é termoestável quando comparado ao extrato obtido no crescimento sob luz branca. O armazenamento por um período de 60 dias, em temperatura ambiente e de refrigeração, com extratos em diferentes valores de pH em diferentes irradiâncias ou ausência de luz, mostrou que o extrato obtido sob luz verde se mantém estável independente da temperatura de armazenamento, enquanto o extrato sob luz branca necessita ser mantido sob refrigeração para manutenção de sua coloração azul / Colorants are additives extensively used by food industry. The increase of investment in research of new sources of natural pigments, like by microorganisms, for use in food products has been justified by toxicological potential of artificial dyes and/or the low stability of natural dyes. Cyanobacteria are microorganisms pigments producers such as phycobiliproteins, and studies have reported the occurrence of phycocyanin, allophycocyanin and small fraction of phycoerythrin in cyanobacteria Arthrospira platensis. There is report of the genus Arthrospira perform chromatic adaptation, a phenomenon that leads to restructuring of phycobilisomes, resulting to accumulation of specific phycobiliproteins in biomass. The present work aimed to study the growth of A. platensis in different light qualities of irradiance, at different levels, evaluating the production of desired metabolites. Cultures were performed in Zarrouk medium, at 31 ± 2ºC. The cyanobacteria was cultivated in irradiance levels, 50, 100 and 150 μmol fotons.m-2.s-1, provided by white or green light. Biomass, protein and phycobiliproteins production was measured and the color stability of extracts was evaluated. The conditions under white light produced more biomass than the cultures under green light. The condition of 150 μmol fotons.m-2.s-1 under white light was the best condition for biomass production with 2115.24 mg/L. There was no statistically significant difference in total protein and phycobiliproteins in the studied conditions. There is no evidence the complementary chromatic adaptation phenomenon in the strain of A. platensis studied when cultivated under green light. The combined effect of pH, temperature and time of heat treatment showed that the extract obtained in growth under green light is thermostable when compared to extract obtained in growth under white light. The storage for a period of 60 days at room temperature and refrigerated, with extracts in different pH values, in different light intensities or absence of light, showed that the extract obtained under green light was stable independent of the storage temperature, while the extract in white light needs to be kept under refrigeration for maintaining its blue color

La présente thèse, concernant l’ingénierie de la photosynthèse naturelle et notamment l’optimisation des procédés de production de microalgues, a été menée à l'Institut Pascal. L'approche suivie repose sur la construction de modèles de connaissance des photobioréacteurs, capables d'en prédire les performances quelle que soit leur géométrie, les conditions d'éclairement, ou le type de microalgues cultivées. Ces modèles de connaissance permettent de dégager des stratégies de conception et de conduite du procédé, qui sont utilisées pour développer et réaliser des démonstrateurs performants, à l'échelle pilote. Cette thèse a pour objet d'étude un photobioréacteur pilote de 24 litres utiles à agitation pneumatique dans lequel la lumière est apportée dans le volume réactionnel par 1000 fibres optiques à diffusion latérale. Sa conception repose sur le principe innovant de Dilution Contrôlée du Flux solaire en Volume (DiCoFluV) dont l'objectif est d'atteindre l'efficacité thermodynamique maximale de la photosynthèse. Au cours de cette thèse, le réacteur a été étudié en conditions d’éclairement parfaitement contrôlées, grâce à des lampes à décharges. Il a été rendu fonctionnel (en incluant sa régulation et son amélioration), puis caractérisé en termes d'hydrodynamique et de transfert radiatif. Notamment, le flux radiatif incident à la surface des fibres optiques a été déterminé par des expériences d'actinométrie (sel de Reinecke), grâce à un traitement original permettant l'analyse de situations avec absorption partielle du rayonnement et en géométrie complexe. Ensuite, une année de culture ininterrompue de la cyanobactérie Arthrospira platensis (dont six phases de fonctionnement continu) ont permis de mesurer la vitesse volumétrique moyenne de production de biomasse et l'efficacité thermodynamique du pilote. Pour les faibles densités de flux testées (dilution), les résultats expérimentaux ont montré l’apparition d’un phénomène de photorespiration qui a été intégré dans le modèle de couplage thermocinétique. De plus, ce manuscrit présente également l'utilisation de la méthode de Monte Carlo pour la résolution des modèles radiatifs dans la géométrie réelle du procédé, définie à partir d’une conception assistée par ordinateur, ce qui est une nouvelle avancée pour le traitement des géométries complexes. Après validation de l'adéquation entre les mesures expérimentales et l'estimation prédictive par le modèle, des premières simulations du pilote en fonctionnement solaire ont été menées, à partir de bases de données solaires (DNI). Les résultats obtenus donnent des premières indications quant aux paramètres d'ingénierie (en particulier le facteur de dilution) menant à une productivité surfacique moyenne annuelle maximale, en fonction de l'implantation géographique. / The present PhD dissertation deals with photobioreaction engineering for efficient microalgae production. The approach is based on the construction of knowledge models that permit predicting the performances of the process, whatever its design, the illumination conditions, or the microalgae species cultivated. These models are used to establish optimal design and control strategies that are implemented to construct and operate pilot-scale plants. Here, a 24 liters air-lift photobioreactor is studied, that is based on the principle of incident solar light-flux dilution for approaching the maximum thermodynamic efficiency of natural photosynthesis. For that purpose, the culture volume is internally illuminated by 1000 light-diffusing optical fibers. As a first step toward solar production, this PhD work focuses on perfectly controlled illumination conditions ensured by discharge lamps. First, the reactor hydrodynamics and radiative transfer are characterized. In particular, incident light-flux density at the fiber surfaces is measured by actinometry (with Reinecke salt), thanks to a novel treatment enabling analyses of situations with partial light absorption and complex geometries. Then, the mean volumetric rate of biomass production and the process efficiency are measured based on one year of continuous Arthrospira platensis culture. For the low radiative flux densities tested (dilution), photorespiration by the cyanobacterium is observed and included in the thermokinetic model. Moreover, this dissertation includes a presentation of the Monte Carlo method for solving the radiative transfer equation withinthe complex geometry of the computer aided design used for manufacturing the reactor. After validation against experimental results, the model is predictively used to simulate the pilot operating with natural solar light, based on solar DNI databases. These results indicate engineering parameters (in particular the dilution factor) for optimal yearly-averaged surface productivity, as a function of Earth location.

Optimising illumination is essential for optimising the growth of phototrophic cells and their production of desired metabolites and/or biomass. This requires appropriate modulation of light and other key inputs and continuous online monitoring of their metabolic activities. Powerful non-invasive systems for cultivating heterotrophic organisms include shake flasks in online monitoring units, but they are rarely used for phototrophs because they lack the appropriate illumination design and necessary illuminatory power. This study presents the design and characterisation of a photosynthetic shake flask unit, illuminated from below by warm white light-emitting diodes with variable light intensities up to 2300 μmol m-2 s-1. The photosynthetic unit was successfully used, in combination with online monitoring of oxygen production, to cultivate Arthrospira platensis. In phototrophic growth under continuous light and a 16 h light/8 h dark cycle (light intensity: 180 μmol m-2 s-1), the oxygen transfer rate and biomass-related oxygen production were - 1.5 mmol L-1 h-1 and 0.18 mmol O2 gx-1 h-1, respectively. The maximum specific growth rate was 0.058 h-1, during the exponential growth phase, after which the biomass concentration reached 0.75 g L-1.