Scenedesmus obliquus is a freshwater microalga which has high lipid content and biomass productivity. It is regarded as a promising species for production of biodiesel and other valuable organic compounds. Given the high cost of using potable water and commercial fertilizers, the use of municipal wastewater as algal growth medium is attractive in view of its constituent organic carbon and inorganic nutrients, including nitrogen and phosphorus. Investigating the mixotrophic cultivation of S. obliquus in an imitation municipal wastewater, the results of this study showed that: (1) The unmodified imitation wastewater by itself as expected yielded poor S. obliquus growth owing to its pH significantly decreasing to 3.5 as caused by the presence of Ammonium Chloride in the wastewater, inhibiting cell growth; (2) Adding either Acetic Acid or Sodium Acetate to the wastewater medium maintained its pH at 6.5 to 7.0, and its algae biomass on day 6 increased significantly by 212% and 194%, respectively; (3) Adding either Acetic Acid or Sodium Acetate to the wastewater medium maintained its pH at 6.5 to 7.0, and its algae biomass during exponential phase (day 4) significantly exceeded that in the MF control by 220.6% and 165.8%, respectively, while its algae biomass during saturation (day 6) significantly exceeded that in the MF control by 60.8% and 51.5%, respectively; and (4) Addition of NaNO₃ to the wastewater to match the level of N in the MF medium improved the algae biomass by 10%. This study developed ways for how the successful mixotrophic cultivation of S. obliquus in municipal wastewater could be achieved.

Orientadora: Profa. Dra. Ana Maria Pereira Neto / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Energia, 2014. / Este trabalho avaliou o potencial energético da biomassa de Chlorella minutissima cultivada em condição autotrófica em meio Guillard f/2 e mixotrófica com o mesmo meio e adição de glicose em diferentes condições: I) adição fracionada de 0,2 g/L de glicose com um intervalo de 48h para atingir a adição total de 0,4 g/L; II) adição de 0,2 g/L de glicose em única dose no início do cultivo; III) adição de 0,2 g/L de glicose em única dose após 72h do início do cultivo e IV) adição fracionada de 0,05 g/L de glicose, após 72h de cultivo, seguida de três adições em intervalos de 48h, até atingir a adição total de 0,2 g/L. As curvas de crescimento dos cultivos foram determinadas a partir do monitoramento diário da densidade celular. A produtividade e os teores de carboidratos, clorofila-a, carotenoides, poder calorífico superior e análises elementar e imediata da biomassa foram determinados. E os teores de proteínas, lipídios e poder calorífico inferior foram estimados para o último dia dos cultivos. Observou-se que a adição de glicose após 72h do início do cultivo, em dose única ou fracionada, melhorou o aproveitamento desta fonte de carbono pelas microalgas, minimizando o consumo pelas bactérias uma vez que os cultivos foram xênicos. Nos cultivos mixotróficos, o teor de carboidratos foi igual ao do grupo controle (cultivos autotróficos), aproximadamente 37%, ao passo que houve aumento do teor lipídico (1,41 vezes para adição única e 1,67 vezes para a adição fracionada), indicando o potencial de aplicação de Chlorella minutissima tanto para a produção de etanol como de biodiesel. Considerando o etanol de primeira geração cuja produtividade de etanol de biomassa algácea poderia alcançar uma produtividade de dez vezes maior que a da cana-de-açúcar, e para o de segunda geração poderia chegar a quarenta vezes superior ao do bagaço de cana com base em projeções de produção anual biomassa algácea seca em torno de 90 t/ha, e considerando o mesmo teor fermentescível para as biomassa. A biomassa algácea também apresentou elevado teor de carbono (~40%) e de compostos voláteis (acima de 76% nos cultivos mixotróficos). O poder calorífico superior em condições mixotróficas chegou a 22,27 MJ/kg (maior que o da madeira, que é de cerca de 18 MJ/kg), além de um menor teor de cinzas (2,78 vezes). Estas características são positivas para aplicação da biomassa em processos de conversão termoquímica, como combustão direta e gaseificação. Além disso, os cultivos mixotróficos apresentaram uma diminuição de 0,76 vezes do teor de proteínas, o que favorece uma menor emissão de NOx nos processos termoquímicos. Os teores de clorofila e carotenoides do cultivo mixotrófico com adição única apresentaram um aumento em relação ao controle de, respectivamente, 1,79 e 1,69 mostrando um potencial para a produção de suplementos destinados à alimentação humana, viabilizando, em termos de custos, a produção de biocombustíveis a partir do uso dos carboidratos e lipídios da biomassa residual após a extração destes compostos de maior valor agregado. / This study evaluated the energetic potential of Chlorella minutissima cultivated in autotrophic (Guillard f/2 media) and mixotrophic conditions using the same medium plus glucose additions in different strategies: I) Two additions of 0.2 g/L glucose in a 48h interval up to 0.4 g/L glucose supply; II) Single addition of 0.2 g/L glucose at the beginning of the cultivation; III) Single addition of 0.2 g/L glucose after 72h from the cultivation beginning; IV) addition of 0.05 g/L glucose, 72h after the cultivation start, followed by three additions in 48h intervals up to the total supply of 0.2 g/L. Growth curves were determined by daily cell density monitoring in each cultivation flask. Productivity and carbohydrate, chlorophyll-a, carotenoids, yields and higher and ultimate and proximate analyses were done in the biomass. Were estimated lipids, protein and low heating value obtained at the end of cultivation. Glucose addition after 72h cultivation, whether in single or fractionated doses, improved the utilization of this carbon source by the microalgae, minimizing the bacterial competition once the cultures were xenic. In these treatments, the carbohydrate yield was the same as the control group (autotrophic), around 37%, whereas the lipid yields were higher (1.41 times to single addition and 1.67 times for fractionated addition) representing 31% of the bulk biomass, indicating the potential use of this Chlorella minutissima both for ethanol and biodiesel production. Considering the first generation ethanol whose productivity microalgae ethanol could achieve productivity ten times that of sugarcane, and the second generation is approximately forty times sugarcane bagasse based on projections of annual production of dry algal biomass around 90 t/ha and considering same fermentable yield of the biomass. The algal biomass presented high carbon content (~ 40%), high volatile content (above the 76% in the mixotrophic treatments), and the higher heating value reached 22.27 MJ/kg in mixotrophic conditons, value bigger than the observed for the wood (18.25 MJ/ kg), with low ash content (2.78 times). Such characteristics are positive and indicate a good potential of this biomass be applied in thermochemical processes, such as combustion and gasification. Also the decrease of 0.76 times of protein content in the mixotrophic cultures allows lower NOx emission in thermochemical processes. Chlorophyll and carotenoids yields in the cultures with single glucose addition were respectively 1.78 e 1.69 higher than the in autrotrophic ones, also indicating the potential use of these coproducts for food supply for human consumption allowing, in terms of costs, the production of biofuels from the use of carbohydrates and lipids from the residual biomass after the removal of these high value-added compounds.