Many developed nations depend on oil for the production of gasoline, diesel, and natural gas. Meanwhile, oil shortages progress and bottlenecks in oil productions continue to materialize. These and other factors result in an energy crisis, which cause detrimental social and economic effects. Because of the impending energy crisis, various potential energy sources have developed including solar, wind, hydroelectric, nuclear, and biomass. Within the biomass sector for renewable energy sources, algae-based biofuels have become one of the most exciting, new feedstocks. Of the potential plant biofuel feedstocks, microalgae is attractive in comparison to other crops because it is versatile and doesn’t pose a threat to food sources. Despite its many advantages, the process to convert the microalgae into a biofuel is very complex and inefficient. All steps within the algae to biofuel production line must be optimized for microalgal biofuel to be sustainable. The production of biofuels from algae begins with selecting and cultivating an algae strain and giving it all the necessities to grow. The algae is then harvested and processed for specific uses. It is the harvesting or lysing step, which includes the extraction of the algal lipids, which is the biggest hindrance of algae being used as a cost effective energy source. The lysing step within the microalgal biofuel processing is of particular interest and will be the focus of this work. This work discusses the optimization of the biofuel production from microalgae biomass through computational and experimental approaches. With atomic force microscopy (AFM), a key mechanical property that would aid in the computational modeling of mechanical lysis in the in-house computational fluid dynamics (CFD) code, Particle-Surface Analysis Code (P-STAC), was determined. In P-STAC, various flow patterns were modeled that would most effectively lyse microalgal cells based on the shear stresses placed on the cells, which will be compared against microfluidic experiments using lipid specific dyes. These results would be influential in developing an energy-efficient method of processing microalgae for biofuel.

Aerobic activated sludge membrane bioreactors (AS-MBR) in municipal wastewater treatment are compact systems that can efficiently perform biological organic oxidation. However, aerobic processes require mechanical aeration accounting for over 40% of total expenditure of a wastewater facility. Additionally, a global urgency for nutrient (Nitrogen/Phosphorus) removal strategies due to surges of eutrophication events requires complex MBR configurations. An innovative and cost-effective process was developed with a dual income-stream: high-quality treated effluent and value-added microalgal biomass for several applications. The proposed process involved several integrated components; an ultrafiltration AS-MBR for organic oxidation followed by a microalgal membrane photobioreactor (MPBR) to remove nutrients (N/P) through assimilation while simultaneously photosynthetically generating dissolved oxygen effluent that was recirculated back into the AS-MBR, thereby reducing the need for mechanical aeration for oxidation. A lab-scale system was fed with a synthetic medium-strength municipal wastewater. The microalgal species C. vulgaris was initially tested in batch trials as a proof-of-concept study on its potential as a photosynthetic oxygenator for the AS-MBR and identify its nutrient utilization efficiencies. The MPBR and MBR were later constructed for continuous operation, with the aim to identify an optimal process configuration. The unit processes were subsequently isolated, where the AS-MBR was subjected to a modelled algal effluent to assesses the impact of varying influent characteristics and effluent recycle rates. A microbial community analysis was performed by high-throughput sequencing and a statistical data-driven modeling approach to assess treatment performances. The MPBR stage was then subjected to the effluent achieved by the AS-MBR stage under varying operating conditions to assess its treatment performance and the resulting algal biomass biochemical composition to identify its suitability for bioethanol, biodiesel, or animal feed production. The findings of this study ultimately confirmed the ability of C. vulgaris to support the AS-MBR for organic removal and fractional nutrient removal by supplying the oxygen demand, and further achieve an effluent polish stage for nutrient removal. The process configuration also demonstrated the ability to achieve a high microalgal biomass production with the potential of extracting valuable products as an added benefit of the wastewater treatment.

Espécies de microalgas como Chlorella sorokiniana têm sido investigadas para as mais variadas aplicações como biocombustíveis, nutrição e a recuperação de nutrientes. Entretanto, a separação de microalgas do meio líquido permanece um desafio tanto técnico quanto econômico. O objetivo deste trabalho é propor e investigar a utilização de pré-ozonização e flotação por ar dissolvido para a separação sólido-líquido de Chlorella sorokiniana cultivada em meio padrão M8a em fotobiorreator flat panel, utilizando polímero catiônico à base de poliacrilamida como coagulante. Primeiramente, foi avaliado o sistema de tratamento com flotação por ar dissolvido, que foi otimizada em escala de laboratório visando eficiência de remoção de algas e flexibilização do sistema. Utilizando dosagens de polímero catiônico de 10 mg L-1 obteve-se remoções de cor aparente, turbidez e densidade óptica próximas de 95 % em pH 7. Posteriormente, a etapa de mistura lenta foi retirada do sistema, a razão de recirculação foi diminuída de 10 para 4 % e após essas alterações, obteve-se remoção de microalgas acima de 90 % para dosagem de polímero de 10 mg L-1. Para analisar o efeito da pré-ozonização a dosagem de polímero catiônico foi reduzida para 7 mg L-1, e observou-se que com FAD esta dosagem removeu 81,12 % de turbidez, e após pré-ozonização por 5 minutos seguida de FAD a eficiência de remoção de turbidez chegou a 91,78 % e remoção de cor aparente aumentou 6,25 %. A utilização da pré-ozonização permitiu utilização de velocidades de flotação da ordem de 24 cm min-1 sem prejuízo da eficiência de remoção de cor, turbidez e densidade óptica. Observou-se que a pré-ozonização demonstra efeitos positivos no sistema de tratamento, mas constatou-se uma dosagem ótima de ozônio, e que a partir desta dosagem a eficiência do tratamento pode ser prejudicada. Foi constatado que uma possível explicação para esse fato seja a liberação de matéria orgânica algal após pré-ozonização, em dosagens acima do valor ótimo de dosagem de ozônio. / Microalgal species as Chlorella sorokiniana have been investigated for a variety of applications such as biofuels, nutrition and nutrient recovery. However, the solid-liquid separation microalgae of the liquid medium remains a challenge both technical as economical. This work aims to propose and investigate the use of preozonation and dissolved air flotation for solid liquid separation of Chlorella sorokiniana cultivated in standard M8a medium in a flat panel photobioreator, using cationic polyacrylamide based polymer as coagulant. Initially, treatment system including dissolved air flotation was evaluated, which was optimezed at laboratory scale targeting removal efficiency of microalgae and system flexibility. Using cationic polymer dosage of 10 mg L-1, were obtained apparent color, turbidity and optical density removals nearly to 95% in pH 7. Further, the step of slow mixing was removed from the system, the recycle ratio was decreased from 10 to 4% and after these changes, was obtained microalgae removal over 90% at polymer dosage of 10 mg L-1. To analyse the effect of preozonation, cationic polymer dosage was decreased to 7 mg L-1, and was observed 81.12 % turbidity removal with this polymer dosage at FAD, and after 5 minutes preozonation followed by FAD, turbidity removal efficiency reached 91.8 % and apparent color removal increased 6.25 %. The utilization of preozonation allowed use of flotation velocities in the order of 24 cm min-1 without damaging variables removal efficiency. It was observed tha preozonation shows positive effects in treatment system, but was found an optimum ozone dosage from which the treatment efficiency is hampered. It was observed that a possible explanation to this fact is the release of algogenic organic matter after preozonation in dosages over the optimum value of ozone dosage.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris. / Due to depletion of non-renewable resources and increasing concerns about climate change, the production of renewable fuels from microalgae continues to attract a lot of attention because of its potential for fast growth rates, high oil content, ability to grow in unconventional scenarios, inherent carbon neutrality, and eliminates the concern of the dispute with food crops. As a result, it becomes important to develop a microalgae conversion process fuel gas, highlighted the synthesis gas. Aiming this importance, we studied the gasfication reaction from the microalgae Chlorella vulgaris by TGA experiments to estimate the kinetic parameters of reactions and by simulating a dynamic mathematical model thermochemical process using mass conservation equations and energy coupled to the reaction kinetics. Isothermal and dynamic thermogravimetric analysis were performed using two dfferent types of kinetic models: isoconversional and independent parallel reactions (RPI). In both models, the values of the estimated kinetic parameters showed good fits and remained within those found in the literature. Also the eects of the kinetic parameters of the RPI model on the conversion of microalgae in order to see which is more pronounced on the range of values were analyzed. In the simulation step of the system controlled by the solar reactor, the mathematical model was validated by comparison of temperatures and concentrations of products obtained experimentally measured in literature, showing good approximation values and enabling, together with the experimental phase thermogravimetric , the synthesis gas via the gasification of microalgae Chlorella vulgaris.

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros. / Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.

Frente à importância da preservação dos recursos genéticos algais depositados em coleções de referência para o apoio de programas de melhoramento, faz-se necessário o desenvolvimento de metodologias para a conservação de microalgas em estado metabolicamente inativo por longos períodos. Neste contexto, objetivou-se com o presente trabalho estabelecer protocolos otimizados de criopreservação para espécies de microalgas com arquiteturas celulares distintas (colonial cenobial, cocóide unicelular e colonial palmeloide), determinando-se os parâmetros ótimos para o congelamento, incluindo a fase de crescimento algal, além do tipo e da concentração de agentes crioprotetores. Foram testados três agentes químicos crioprotetores: dois agentes com alta permeabilidade celular, Glicerol e Dimetilsulfóxido (DMSO), e um agente não-permeável, Polietilenoglicol 400 (PEG 400). A otimização das variáveis foi realizada empregando-se delineamento composto central rotacional (DCCR) 22. Para a maioria das cepas unicelulares cocóides analisadas o congelamento durante a fase de desaceleração do crescimento algal (6º dia de cultivo) na presença do crioprotetor DMSO 7% (v/v) resultou nas taxas mais elevadas de viabilidade celular após a criopreservação (até 94%). Por outro lado, as taxas mais altas de recuperação da viabilidade celular de algas cenobiais (62,6%) foram obtidas mediante congelamento durante a fase de crescimento algal exponencial (3º dia de cultivo) na presença dos agentes glicerol e PEG 400 combinados na concentração de 5% (v/v) cada. Comportamento distinto também foi observado para as cepas palmelóides analisadas, com as taxas de recuperação mais elevadas (78,8%) tendo sido obtidas mediante congelamento durante a fase de desaceleração do crescimento algal (6º dia de cultivo) na presença da combinação de agentes crioprotetores, glicerol (5% v/v) + PEG 400 (5% v/v). Os resultados obtidos sugerem que a morfologia apresentada pelo talo algal pode ser um bom indicador para a escolha do agente crioprotetor a ser utilizado para a criopreservação. / In view of the importance of preserving algal genetic resources deposited in reference collections for the support of enhancement programs, it is necessary to develop methodologies for the conservation of microalgae in a metabolically inactive state for long periods. In this context, the objective of this work was to establish optimized cryopreservation protocols for microalgae species with distinct cellular architectures (cenobial colonial, unicellular coccoid and palmeloid colonial), determining the optimal parameters for freezing, including the algal growth phase, and also the type and concentration of cryoprotective agents. Three cryoprotectants were tested: two agents with high cell permeability, Glycerol and Dimethylsulfoxide (DMSO), and a non-permeable agent, Polyethylene Glycol 400 (PEG 400). The optimization of the variables was carried out using a central composite rotational design (CCRD) 22. For most of the single-celled coccoid strains analyzed, the freezing during the deceleration phase of algal growth (6th day of culture) in the presence of 7% DMSO cryoprotectant v/v) resulted in the highest rates of cell viability after cryopreservation (up to 94%). On the other hand, the highest rates of cellular viability of the cenobial algae (62.6%) were obtained by freezing during the exponential algal growth phase (3rd day of cultivation) in the presence of combined glycerol and PEG 400 agents in the concentration of 5% (v / v) for each one. Different behavior was also observed for the analyzed palmeloid strains, with the highest recovery rates (78.8%) being obtained by freezing during the deceleration phase of algal growth (6th day of culture) in the presence of the combination of cryoprotectants, glycerol (5% v/v) + PEG 400 (5% v/v). The results obtained suggest that the morphology presented by the algal stem can be a good indicator for the choice of cryoprotectant to be used for cryopreservation.

Os efluentes líquidos de curtumes apresentam altas cargas orgânicas e de poluentes que devem ser tratados corretamente para atingir os padrões legais para seu descarte, evitando a eutrofização de corpos hídricos e poluição das águas. O acabamento do couro é o estágio final da produção, onde o couro recebe as características desejadas de acordo com os produtos e artigos que serão produzidos. Os efluentes das etapas de processamento para acabamento do couro são responsáveis por conterem poluentes químicos devido ao uso de corantes, surfactantes, metais tóxicos, agentes emulsificantes, recurtentes, óleos, pigmentos, resinas, entre outros produtos químicos adicionados. As microalgas têm sido alvo de vários estudos no âmbito de tratamento de efluentes, devido à sua capacidade de remover diversos nutrientes, matéria orgânica do meio e por serem formas mais limpas e econômicas de tratar os poluentes. Diante disto, o objetivo deste trabalho foi avaliar o emprego de um consórcio de microalgas para tratamento de efluentes de um curtume e analisar a capacidade de remoção de poluentes que são nutrientes para estes microrganismos. Os efluentes foram caracterizados ao longo dos ensaios com o consórcio de microalgas por meio de Nitrogênio Total (NT), Amônia (NH3), Fósforo (P-PO4), Carbono total (CT), Carbono Orgânico Total (COT), Carbono inorgânico (CI), DQO e Demanda Biológica de Oxigênio (DBO) e foi acompanhado o crescimento das microalgas. Para os experimentos foram coletados efluentes em três estágios distintos em uma estação de tratamento: efluente bruto (B), efluente após tratamento primário de coagulação/floculação (P) e efluente após ao tratamento biológico secundário (S). Os resultados com concentração de efluente de 50%, diluídos em água destilada (A), após 16 dias de cultivo, mostraram que houve crescimento do consórcio nos três efluentes com um crescimento máximo de 1,77 g L-1 no efluente Bruto (50B50A). Na sequência, foi testado o cultivo em efluente bruto (100B) e em efluentes compostos nas seguintes proporções: 50% efluente bruto + 50% efluente após tratamento biológico (50B50S) e 25% efluente bruto + 75% efluente após tratamento biológico (25B75S). Foi possível cultivar o consórcio no efluente bruto sem diluição, entretanto os resultados foram ruins, pois o mesmo apresentou baixo crescimento e, consequentemente, baixos níveis de remoção de nutrientes. Com o efluente composto 25B75S percebeu-se morte rápida das microalgas, uma vez que o efluente apresentava baixas concentrações de nutrientes. Em contrapartida, no efluente 50B50S foram atingidos valores efetivos de crescimento e remoção de nutrientes. Em cultivos fotoautotrófico, mixotrófico e heterotrófico de efluente composto 50B50S e de 75% efluente bruto + 25% efluente após tratamento biológico (75B25S), os melhores resultados foram atingidos no efluente 75B25S no cultivo fotoautotrófico, crescendo até 1,42 g L-1 e atingindo valores de remoção de NNH3, Nitrogênio Total (NT), DQO, carbono orgânico total (TOC) e demanda biológica de oxigênio (DBO5), de 99,90%, 74,89%, 56,70%, 58,18% e 20,68%, respectivamente. Ao obter a microalga isolada Tetraselmis sp. predominante no consórcio foi analisado os parâmetros anteriores em cultivo fotoautotrófico, além disso foi verificada a quantidade de lipídio presente na biomassa. A microalga Tetraselmis sp. apresentou um crescimento notório no cultivo fotoautotrófico com remoções eficientes dos parâmetros e 5,0% de lipídio no peso seco. / Liquid effluents from tanneries present high organic and pollutant loads and must be treated correctly to meet the legal standards for effluent disposal and to avoid eutrophication of water bodies and water pollution. The leather finish is the final stage of production, where the leather receives the desired characteristics according to leather goods and articles. The effluents from the processing steps for leather finishing are responsible for containing chemical pollutants due to the use of dyes, surfactants, toxic metals, emulsifying agents, retanning agents, oils, pigments, resins, among other chemicals added. Microalgae have been the subject of several studies in the field of effluent treatment due to their ability to remove various nutrients, organic matter from the environment and to be cleaner and more economical ways to treat pollutants. In this work, the growth of a microalgae consortium for the treatment of effluents from a tannery was analyzed and the capacity of removal of Total Nitrogen (NT), Ammonia (NH3), Phosphorus (P-PO4), Total Carbon ), Total Organic Carbon (COD), COD and Biological Oxygen Demand (DBO), as well as the growth of microalgae biomass in these effluents. The effluents were characterized before and after the trials with the microalgae consortium. Effluents were collected in three distinct stages at a treatment plant: crude effluent (B), effluent after primary coagulation / flocculation (P) treatment and effluent after secondary biological treatment (S). The results with 50% effluent concentration, diluted in distilled water (A) after 16 days of cultivation, showed that there was a consortium growth in the three effluents with a maximum growth of 1.77 g L-1 in the crude effluent (50P50A). (50B50S) and 25% crude effluent + 75% effluent after biological treatment (25B75S) were tested in the following proportions: 50% crude effluent + 50% effluent after biological treatment (50B50S). It was not possible to cultivate the consortium in pure crude effluent, since it presented low growth and, consequently, low levels of nutrient removal. With the compound effluent 25B75S it was observed rapid death of the microalgae, since the effluent presented low concentrations of nutrients. On the other hand, in the effluent 50B50S, effective values of growth and nutrient removal were achieved. In photoautotrophic, mixotrophic and heterotrophic cultures of 50B50S effluent and 75% crude effluent + 25% effluent after biological treatment (75B25S), the best results were reached in the effluent 75B25S in photoautotrophic cultivation, growing up to 1.42 g L-1 and reaching values of removal of N-NH3, total nitrogen (NT), (DQO), total organic carbon (COT) and biological oxygen demand (DBO), of 99.90%, 74.89%, 56.70%, 58.18% and 20.68%, respectively. By obtaining the isolated microalgae Tetraselmis sp., predominant in the consortium and analyzed and the previous parameters in photoautotrophic cultivation, in addition to being verified the amount of lipid present in the biomass. The microalgae Tetraselmis sp. showed a notable growth in photoautotrophic cultivation with efficient removal of the parameters and 5.0% of lipid in dry weight.

從微藻提煉的生物燃料，是化石燃料和其他生物燃料的優良替代品。藻類生物燃料屬碳中性，因為微藻為光自養生物，能經光合作用吸收二氧化碳，並將之轉化成碳氫化合物和脂肪。碳氫化合物和脂肪可用以提煉生物燃料。此外，微藻可以吸收廢水中的污染物作生長的營養，同時作污水處理。 / 本研究項目的目的為透過下述方法，降低藻類生物燃料的生產成本，並提高藻株的脂肪含量： (1) 篩選可以在污水自養培育，並有高產油量的微藻菌株，(2) 以兩階段培養方法，用處理過的污水作培養，從而提高油脂產，(3) 透過微藻毒理測試，和水質化學分析，研究處理後的污水中影響微藻生長的污染物和有毒物質。 / 這個研究中使用從沙田污水處理廠收集的二級處理污水，其水質亦被研究。幾種微藻菌株分別為小球藻 (Chlorella pyrenoidosa)，叢粒藻 (Botryococcus braunii) 和微綠球藻 (Nannochloropsis oculata)，從鰂魚池水分離出的小球藻 (Chlorella sp.1)，及兩種從處理污水中分離出的小球藻(Chlorella sp. 2, Chlorella sp. 3)。微藻菌株分別在培養基和處理污水中培養，並比較在兩種情況下的脂肪，脂肪酸，碳水化合物，蛋白質含量，生物質量和總有機碳。結果發現，雖然經處理的污水中營養成分非常低 (<0.11 mg / L活性磷，<9.68 mg / L硝酸根，<0.5 mg / L鉀離子)，所有研究的微藻菌株都能存活。在兩階段培養法下，首先以「氮含量充足階段」(培養基)提高生物質量，然後以「氮含量不足階段」(經處理污水) 培養，培養成本可以降低，同時提高脂肪生產率。在兩階段培養法下，叢粒藻的脂肪生產率比在人工培養基和經處理污水高2.6倍和7.13倍。 / 沙田污水處理廠處理的污水水質良好，並無驗出有害重金屬，雙酚A(BPA)，四溴雙酚A(TBBPA)和2,3,7,8-四氯二苯並二噁英(TCDD)。從藻類產生的生物燃料將不含有重金屬。 / 在這個研究中的叢粒藻 (Botryococcus braunii)，微綠球藻 (Nannochloropsis oculata)和小球藻 (Chlorella sp.1)都可以容忍雙酚A(BPA)，四溴雙酚A(TBBPA)，二氯苯氧氯酚 (TCS)和2,3,7,8-四氯二苯並二噁英(TCDD)。他們可以培育在其他來源的經處理污水。 / 利用經處理污水於兩階段培養法，是一種新的、更經濟的增加微藻油脂產量方法，亦可以配合任何其他方法，以減低藻類生物燃料的製造成本。 / Biofuel from microalgae can be an excellent substitute of fossil fuel and other biofuels. Algal biofuel is carbon neutral as microalgae are photoautotrophic. Through photosynthesis, microalgae can capture and convert carbon dioxide to hydrocarbons or lipids which can be used for biofuel production. Besides, microalgae can use pollutants from wastewater as nutrients for growth, which can serve as a wastewater treatment process. / The aims of the project are to lower the cost of algal biofuel production and boost up lipid content of algal strains by (1) screen a microalgal strain that can be cultivated in treated sewage autotrophically and give high oil yield, (2) use two phase cultivation, with treated sewage as medium, to boost up lipid productivity, (3) investigate heavy metals and some organic pollutants that may exist in treated sewage and can affect algal growth by performing algal toxicity test and chemical analysis of treated sewage. / The secondarily treated sewage used in this project was collected from the Sha Tin Sewage Treatment Works. The quality of the secondarily treated sewage was monitored. Chlorella pyrenoidosa, Botryococcus braunii and Nannochloropsis oculata from commercial source, and Chlorella sp. 1 isolated from tilapia fish pond water, and two species of algae, Chlorella sp. 2 and Chlorella sp. 3, isolated from treated sewage were investigated. Microalgal strains are compared by investigating the content of lipid, fatty acid, carbohydrate, protein, biomass and total organic carbon when cultivated in culture medium and treated sewage. Results found that although nutrients in treated sewage were very low (<0.11 mg/L reactive phosphorus, <9.68 mg/L nitrate and <0.5 mg/L potassium ion), all the microalgae investigated could grow reasonably well. Using two phase cultivation, with an initial nitrogen sufficient phase (artificial media) for biomass production, followed by nitrogen limitation phase (treated sewage), cost of cultivation could be reduced and the overall lipid productivity could be increased. Under the two phase cultivation, the lipid productivity of Botryococcus braunii was 2.6 and 7.13 fold higher than cultivated in artificial medium and treated sewage respectively. / Treated sewage from the Sha Tin Sewage Treatment Works was in good quality without harmful concentrations of heavy metal and BPA, TBBPA and TCDD. The microalgae could not absorb or adsorb significant amount of the harmful substances and the algal biofuel produced would not contain heavy metals. All the microalgae investigated in this project could tolerate BPA, TBBPA, TCS and TCDD. They could be cultivated in treated sewage from other sources. / Two phase cultivation using treated sewage is a new way for increasing lipid productivity from microalgae economically and can be combined with any other means for producing algal biofuel with lowest cost. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Detailed summary in vernacular field only. / Kwan, Ka Ki. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2013. / Includes bibliographical references (leaves 104-113). / Abstracts also in Chinese. / Acknowledgements --- p.i / Abstract --- p.iii / 摘要 --- p.Vi / Table of Contents --- p.viii / List of Figures --- p.Xii / List of Plates --- p.Xvi / List of Tables --- p.xviii / Abbreviations --- p.xx / Chapter 1. --- General introduction / Chapter 1.1 --- Fossil fuel, the major energy source nowadays --- p.1 / Chapter 1.2 --- Disadvantages of using fossil fuel --- p.3 / Chapter 1.3 --- Biofuel --- p.5 / Chapter 1.4 --- Disadvantages of traditional biofuel production --- p.8 / Chapter 1.5 --- Characteristics of microalgae --- p.9 / Chapter 1.6 --- Biofuel from microalgae --- p.14 / Chapter 1.7 --- Nutrients for microalgae related to lipid production --- p.18 / Chapter 1.8 --- Current research on algal biofuel --- p.19 / Chapter 1.9 --- Two phase cultivation as a new way for lipid production --- p.24 / Chapter 1.10 --- Objectives --- p.24 / Chapter 2. --- Biofuel production under two phase cultivation with artificial medium and treated sewage / Chapter 2.1 --- Introduction --- p.26 / Chapter 2.2 --- Materials and Methods --- p.28 / Chapter 2.2.1 --- Algal strains collection and isolation --- p.28 / Chapter 2.2.2 --- Artificial culture media --- p.29 / Chapter 2.2.2.1 --- Bristol’s Medium (BM) --- p.29 / Chapter 2.2.2.2 --- Modified Bold 3N medium (MBM) --- p.31 / Chapter 2.2.3.3 --- F/2 medium (F/2) --- p.33 / Chapter 2.2.3 --- Water quality of treated sewage --- p.33 / Chapter 2.2.3.1 --- Chemical and biological condition --- p.34 / Chapter 2.2.3.2 --- Total organic carbon and total nitrogen (TOC/TN) --- p.35 / Chapter 2.2.3.3 --- Reactive phosphate --- p.35 / Chapter 2.2.3.4 --- Nitrate --- p.37 / Chapter 2.2.3.5 --- Ammonia --- p.39 / Chapter 2.2.3.6 --- Metal elements --- p.40 / Chapter 2.2.4 --- Cultivation conditions --- p.40 / Chapter 2.2.5 --- Growth monitor of microalgae in artificial medium and treated sewage --- p.41 / Chapter 2.2.6 --- Comparison of microalgae cultivated in artificial media and treated sewage --- p.42 / Chapter 2.2.6.1 --- Large scale cultivation --- p.42 / Chapter 2.2.6.2 --- Cell morphology --- p.43 / Chapter 2.2.6.3 --- Cell harvesting --- p.44 / Chapter 2.2.6.4 --- Dried biomass --- p.44 / Chapter 2.2.6.5 --- Lipid content --- p.45 / Chapter 2.2.6.6 --- Fatty acid profile --- p.46 / Chapter 2.2.6.7 --- Extraction of carbohydrates and protein --- p.48 / Chapter 2.2.6.8 --- Carbohydrate content --- p.48 / Chapter 2.2.6.9 --- Protein content --- p.49 / Chapter 2.2.7 --- Two phase cultivation --- p.50 / Chapter 2.2.8 --- Statistical analysis --- p.50 / Chapter 2.3 --- Results --- p.51 / Chapter 2.3.1 --- Water quality of treated sewage --- p.51 / Chapter 2.3.2 --- Nutrient contents in artificial medium --- p.54 / Chapter 2.3.3 --- Growth of microalgae in artificial medium and treated sewage --- p.54 / Chapter 2.3.3.1 --- Cell morphology and cell size --- p.57 / Chapter 2.3.3.2 --- Biomass --- p.59 / Chapter 2.3.3.3 --- Lipid content --- p.61 / Chapter 2.3.3.4 --- Fatty acid profile --- p.63 / Chapter 2.3.3.5 --- Carbohydrates content --- p.66 / Chapter 2.3.3.6 --- Protein content --- p.67 / Chapter 2.3.4 --- Two phase cultivation --- p.69 / Chapter 2.4 --- Discussion --- p.74 / Chapter 2.4.1 --- Water quality of treated sewage and nutrients in artificial medium --- p.74 / Chapter 2.4.2 --- Growth of microalgae in artificial medium and filtered treated sewage --- p.75 / Chapter 2.4.3 --- Microalgae cultivated in artificial media and treated sewage --- p.76 / Chapter 2.4.4 --- Two phase cultivation --- p.81 / Chapter 3. --- Possible toxic effect on algal growth from chemicals in sewage / Chapter 3.1 --- Introduction --- p.84 / Chapter 3.2 --- Materials and methods --- p.85 / Chapter 3.2.1 --- Analysis of dissolved metals by ICP --- p.85 / Chapter 3.2.2 --- Organic compounds --- p.86 / Chapter 3.2.3 --- Algal bioassay --- p.87 / Chapter 3.3 --- Results --- p.88 / Chapter 3.3.1 --- Dissolved metals and metalloids --- p.88 / Chapter 3.3.2 --- Organic compounds --- p.88 / Chapter 3.3.3 --- Algal bioassay --- p.91 / Chapter 3.4 --- Discussion --- p.97 / Chapter 4. --- Conclusion and future prospectives --- p.99 / Chapter 4.1 --- Summary --- p.99 / Chapter 4.2 --- Genetic engineering --- p.100 / Chapter 4.3 --- Further study --- p.102 / Chapter 4.4 --- Conclusion --- p.102 / Chapter 5. --- References --- p.104

Este estudo teve como finalidade levantar dados para uma avaliação das alternativas tecnológicas (cultivos de microalgas e reflorestamento) para a biofixação de CO2 da atmosfera próxima à usina termelétrica; tendo sido utilizada como referência a Usina Barbosa Lima Sobrinho. Já existe um projeto de avaliação do efeito do reflorestamento na fixação do CO2 nesta usina e, neste trabalho, foi avaliada a alternativa do cultivo de microalgas. Uma pesquisa inicial foi feita na literatura para verificar qual a espécie de microalga seria a mais adequada para ser utilizada no estudo, tendo sido a espécie Chlorella sp. a selecionada. Posteriormente os sistemas de cultivo de microalgas mais comumente empregados no mercado foram levantados e foi selecionado o cultivo em tanques abertos como referência para a modelagem do processo. Utilizando os dados da termelétrica e da literatura foi possível estimar a quantidade de CO2 que será retirada da atmosfera caso um sistema de cultivo seja efetivamente instalado na usina termelétrica. Uma análise econômica foi realizada para determinar a viabilidade do projeto. Os resultados indicam que a utilização deste tipo de tecnologia é promissora / This study aimed to collect data for an evaluation of alternative technologies (microalgae cultivations and reforestation) for biofixation of CO2 from the atmosphere near a power plant, named Barbosa Lima Sobrinho, which uses natural gas and diesel as fuels. There is a project to assess the effect of reforestation for CO2 fixation in this facility and, in this study, we evaluated the alternative of cultivating microalgae. An initial review was done in the literature to determine what species of microalgae would be most suitable to use and Chlorella sp was selected. Thereafter cultivation of microalgae media, commonly employed in the market, were evaluated and the culture selected was in open tanks as a reference for the modeling process. Using data from the thermoelectric and the literature it was possible to estimate the amount of CO2 that will be capture from the atmosphere if a microalgae farming will be installed in thermal power plant area. An economic analysis was performed to determine the feasibility of the project. The results indicate that the use of this technology is promising

El presente estudio tuvo como objetivo determinar la capacidad de remoción de nitratos (N-NO3⁻) y fosfatos (PO₄³¯) en Aguas Residuales Municipales (ARM) por microalgas libres e inmovilizadas. Se utilizaron cepas provenientes de los afluentes de la Planta de Recuperación de las Aguas del Río Surco (Lima, Perú) y se evaluó su capacidad de remoción de N-NO3⁻ y PO₄³¯ durante 10 días, a nivel laboratorio, en ARM con tratamiento primario, tanto de forma libre como inmovilizadas en discos de alginato de sodio al 4%. Los cepas obtenidas se identificaron como Chlorella sp y Chlamydomonas sp. Ambas tuvieron un buen crecimiento en ARM, especialmente Chlamydomonas sp, la cual reportó los mayores valores en los parámetros cinéticos de crecimiento. El cultivo de Chlorella sp. libre fue el que registró uno de los valores más altos de porcentaje (71.25%) y tasa de remoción (0.43 mg/l/día) de N-NO3⁻, y los máximos valores de dichos parámetros para PO43- (83.69%; 0.09 mg/l/día), así como para el índice de eficacia (EI) de ambos nutrientes, comparado con los de Chlamydomonas sp. Los cultivos inmovilizados de ambas especies reportaron valores altos de remoción, entre 56% a 67% para N-NO3⁻ y 78% a 81% para PO43-, este último fue removido en 24 horas en la mayoría de los cultivos. La inmovilización fue el principal factor que afectó la capacidad de remoción de nutrientes. Ambas cepas mostraron ser eficientes en la remoción de nutrientes en ARM, especialmente de PO43-, con valores cercanos a los máximos reportados para ambas especies en estudios previos.The aim of this investigation was to determinate the nitrate (N-NO3⁻) and phosphate (PO43-) removal capacity of free and immobilized microalgae in Municipal Wastewater (MW). Strains were isolated from Planta de Recuperación de las Aguas del Río Surco (Lima, Perú) influent. Their N-NO3⁻ and PO43- removal capacity were evaluated during 10 days in MW with primary treatment in batch cultures with free and immobilized cells in 4% sodium alginate discs. Strains were identified as Chlorella sp and Chlamydomonas sp. Both showed good growth in MW, especially Chlamydomonas sp., which reported the highest value of kinetic growth parameters. Free Chlorella sp. culture reported one of the highest values of N-NO3- removal percentage (71.25%) and rate (0.43 mg/l/día), and the maximum values of PO43- removal parameters (83.69%; 0.09 mg/l/día) and efficacy index (EI) for both nutrients compared with Chlamydomonas sp. Immobilized cultures reported high values of nutrient removal, between 56% to 67% for N-NO3⁻ and 78% to 81% for PO43-. In most microalgae cultures, high percentages of PO43- (76-80%) were removed in 24 hours. Method of culture (free or immobilized) was the main factor affecting the nutrient removal capacity. Strains were efficient in nutrient removal in MW, especially for PO43-, with values close to the maximum ones reported for both species in previous studies.