Ingeniero Civil Industrial / El escenario actual del consumo de alimentos en Chile muestra una tendencia hacia alimentos saludables y que prevengan ciertas enfermedades. Los hábitos de los consumidores muestran una alta tendencia a preocuparse por su alimentación. Esto se genera a raíz de antiguos y permanentes malos hábitos en el consumo. Chile posee altos índices de obesidad y sobrepeso, ocupando los primeros lugares en el mundo. Bajo ese contexto es que Fundación Chile está elaborando un proyecto de cultivo de microalgas para obtener fuente de nutrientes y derivados de alto valor nutricional. En este Trabajo de Título se plantea el proyecto de análisis y diseño de oportunidades de desarrollo de negocios en la industria de alimentos en Chile, a partir de la producción de derivados de microalgas. Cuyo objetivo es identificar dichas oportunidades de negocios en el país para la producción de insumos de alto valor en la industria de alimentos a partir de tecnologías de producción de microalgas. Se proponen 7 productos alimenticios a los que se les incorporan ingredientes de microalgas. Le serán de utilidad a Fundación Chile para desarrollar las alternativas de ingredientes para presentárselo a fabricantes del mercado alimenticio que elaboran el producto final, pero con la tecnología desarrollada y propuesta por Fundación Chile. Los alimentos finales propuestos representan innovaciones en el mercado alimenticio, que en base a su propuesta de valor, estudio de proyecciones en el mercado y opinión de expertos de la industria, tendrán cabida en ésta, para ser producidos posteriormente. Se diseñó y propuso un modelo de negocios para los 3 productos que más proyecciones tienen en el mercado nacional; leche líquida envasada, galletón y agua saborizada, con sus clientes; los consumidores en retail y los del mercado institucional a través de la JUNAEB. La propuesta de valor de los productos es la elaboración de un alimento funcional que permite a los consumidores suplir la dosis diaria recomendada de Omega 3 y de proteínas. El análisis desarrollado demuestra que el modelo es económica y técnicamente factible. Los costos de operar se estimaron en torno a los $121 millones de pesos al año, bajo las condiciones que se deben vender 5 toneladas de ingrediente para que el negocio se rentable en un primer año. Se concluye que para el éxito del proyecto, se debe crear un ingrediente difícil de imitar y patentarlo, y que a la vez sea eficiente para que permita reemplazar otros ingredientes en la fórmula final del producto y no aumente los costos de producción de éste. Finalmente se propone a Fundación Chile que explore la incursión de los alimentos presentados en mercados extranjeros, para que pueda captar todos los clientes que tienen la necesidad de un producto saludable, aprovechando las economías de escala actuales en el mercado local.

A microalga marinha Dunaliella tertiolecta é um microrganismo unicelular fotossintético capaz de fixar dióxido de carbono da atmosfera e proveniente de gases de exaustão industrial e utilizá-lo como única fonte de carbono para o aumento da biomassa. Enquanto isso, além de biomassa, também é capaz de produzir quantidades consideráveis de carotenoides e lipídios, entre outras substâncias de grande interesse para indústrias alimentícias e farmacêuticas que buscam a utilização cada vez maior de compostos de fontes naturais em suas formulações. Neste trabalho foram estudados os efeitos da salinidade do meio (em concentração molar de NaCl), da temperatura, da intensidade de luz, da fonte e concentração de nitrogênio no cultivo da D. tertiolecta em fotobiorreator airlift, buscando o aumento na produção de biomassa, carotenoides e lipídios, bem como representar matematicamente este bioprocesso. Inicialmente, a influência da temperatura e da concentração salina foi estudada através de experimentos com meio de cultura f/2 padrão, com diferentes concentrações salinas. A temperatura e a concentração salina influenciaram de forma diferente os resultados obtidos. A temperatura teve forte influência na produção de biomassa, na biofixação de dióxido de carbono e na produção de lipídios pelas células. Por outro lado, a salinidade teve forte influência na produção dos carotenoides. A partir da avaliação e combinação dos resultados, foram determinadas as condições apropriadas de temperatura e salinidade do meio para maior produção de biomassa, lipídios e carotenoides simultaneamente: 28 °C e 0,715 M de NaCl. Seis carotenoides foram identificados por CLAE no extrato de D. tertiolecta: transluteína, trans-β-caroteno, trans-zeaxantina, trans-anteraxantina, trans-neoxantina e 9-cis-β-caroteno. Os carotenoides trans-luteína, trans-β-caroteno e trans-zeaxantina foram quantificados. As maiores quantidades de luteína, β-caroteno e zeaxantina obtidas nos experimentos foram, respectivamente, 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 e 244 ± 76 μg g-1. A partir destes resultados, cultivos foram realizados variando-se intensidade de luz e fonte e concentração de nitrogênio a fim de determinar a influência destes parâmetros. A intensidade de luz de 17,5 klx e concentração inicial de nitrato de sódio de 300 mg L-1 resultou nas maiores produtividades de biomassa (0,176 ± 0,005 g L-1 d-1), carotenoides (0,738 ± 0,038 mg L-1 d-1) e lipídios (16,68 ± 1,50 mg L-1 d-1). Os dados experimentais desses cultivos foram utilizados na etapa de estimação de parâmetros. Em comparação com modelos relatados na literatura, os modelos propostos apresentaram melhor ajuste para diferentes concentrações de nitrato de sódio testadas, com reduzido número de parâmetros. / The marine microalgae Dunaliella tertiolecta is a unicellular photosynthetic microorganism that can fix carbon dioxide from the atmosphere and from industrial exhaust gases, using it as the solely carbon source to increase biomass. Meanwhile, more than biomass, this microorganism also can produce great amounts of carotenoids, lipids and other substances of interest to pharmaceutical and food industries that seek to increase the use of compounds derived from natural sources in their formulations. In this work, the effects of medium salinity (in molar concentration of NaCl), temperature, light intensity and nitrogen source and concentration over the cultivation of D. tertiolecta in an airlift photobioreactor were studied aiming the increase of biomass, carotenoids and lipids production, as well the development of a mathematical model for this bioprocess. Initially, the influence of temperature and salt concentration was studied by experiments with standard f/2 culture medium, with different salt concentrations. Temperature and salt concentration differently affected the results. Temperature had a strong effect on biomass production, carbon dioxide biofixation and lipid production by the cells. On the other hand, salinity showed strong effect on carotenoid production. The appropriate temperature and medium salinity to increase simultaneously biomass, lipids and carotenoids was 28 °C and 0.715 M NaCl. Six carotenoids were identified in the extract of D. tertiolecta by HPLC: all-trans-lutein, all-trans-β-carotene, alltrans- zeaxanthin, all-trans-antheraxanthin, all-trans-neoxanthin and 9-cis-β-carotene. The carotenoids all-trans-lutein, all-trans-β-carotene and all-trans-zeaxanthin were quantified. The highest amount of lutein, β-carotene and zeaxanthin reached in the experiments were 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 and 244 ± 76 μg g-1, respectively. From these results, cultures were performed by varying light intensity and nitrogen source and concentration to determine the influence of these parameters. A light intensity of 17.5 klx and initial sodium nitrate concentration of 300 mg L-1 resulted in the highest biomass (0.176 ± 0.005 g L-1 d-1), carotenoid (0.738 ± 0.038 g L-1 d-1) and lipid (16.68 ± 1.50 g L-1 d-1) productivities. The experimental data of these cultures were used for parameter estimation. Compared to earlier models reported in the literature, the proposed models showed better fitting for different sodium nitrate concentrations tested with reduced number of parameters.

As microalgas são uma alternativa ecológica e economicamente viável para o tratamento de efluentes industriais, já que são capazes de assimilar compostos como nitrogênio, fósforo e carbono. Em consequência ao potencial para o tratamento de efluentes há a geração de biomassa que pode ser utilizada para a fabricação de produtos com valor agregado, como os biocombustíveis. Assim, neste trabalho, avaliou-se a viabilidade de crescimento e produção de biomassa microalgal em águas residuais de curtume, sem tratamento prévio e sem adição de nutrientes. Objetiva-se, com tais experimentos, verificar a capacidade de remoção de contaminantes deste efluente, bem como composição microalgal em proteínas, lipídios e carboidratos para subsequente utilização. Inicialmente, verificou-se a influência da intensidade luminosa e da concentração do efluente de curtume na produção da biomassa da Scenedesmus sp., e na remoção de poluentes tais como nitrogênio amoniacal, fósforo e demanda química de oxigênio pela microalga. A microalga foi cultivada em efluente bruto de curtume sem tratamento prévio, coletado diretamente da etapa de ribeira, sob diferentes concentrações (entre 20% e 100%) e intensidade luminosa (entre 80 e 200 μmol photons.m−2.s−1) com temperatura de 25 °C e aeração constante. Este estudo demonstrou que a concentração de efluente e a intensidade luminosa influenciaram positivamente na quantidade de biomassa produzida, bem como na remoção de nitrogênio amoniacal e fósforo e DQO. Em um segundo passo, cultivaram-se as microalgas Scenedesmus sp. e Chlorella sp. em fotobiorreatores airlift de 3 L, contendo diferentes concentrações de efluente bruto de ribeira de curtume (25%, 50% e 100%), sob intensidade luminosa de 200 μmol photons.m−2.s−1, à temperatura ambiente (25 °C), durante 20 dias. Nos cultivos com a microalga Scenedesmus sp. foi observada máxima concentração de biomassa de 1,75 g.L-1 e elevadas remoções de nitrogênio total - NT (91,68%), nitrogênio amoniacal - NH3-N (94,36%), fósforo - PO4-P (97,33%), carbono inorgânico - CI (93,56%) e demanda química de oxigênio - DQO (66,64%). Elevados teores de lipídios (27,14%) e carboidratos (34,17%) também foram verificados. Os resultados obtidos a partir dos cultivos com a Chlorella sp. apresentaram máxima concentração de 1,64 g.L-1. Além disso, foram observadas remoções de NT (91,59%), NH3-N (93,57%), PO4-P (98,10%), CI (89,46%), DQO (71,20%) e DBO (37,87%). Na composição da biomassa observou-se elevados teores de lipídios (25,46%) e carboidratos (36,36%). Na análise do perfil dos ácidos graxos, os biodieseis etílicos produzidos a partir dos lipídios das microalgas Scenedesmus sp. e Chlorella sp. apresentaram estabilidade oxidativa, devido ao grau de saturação. Assim estes estudos demonstraram que o processo combinado de tratamento de efluentes na conversão de biomassa de microalgas oferece muitos méritos ambientais com a produção de produtos de valor agregado, como o biodiesel. Neste estudo também investigou-se a recuperação da biomassa utilizando agentes coagulantes/floculantes inorgânicos (cloreto férrico e sulfato de alumínio) e taninos vegetais orgânicos (Tanfloc SL, Tanfloc SG e Tanfloc SH). Além disso, também foram analisados os efeitos das condições operacionais sobre o teor de lipídios nas microalgas e na composição de ácidos graxos do biodiesel produzido a partir dos lipídios. Verificou-se elevada eficiência de recuperação de biomassa de aproximadamente 98% para as microalgas Scenedesmus sp. e Chlorella sp. utilizando o tanino vegetal Tanfloc SH e ainda não foi observado alteração no conteúdo de ácidos graxos em FAEE com o uso do tanino floculante. A fim de maximizar a produção de energia obtida através das microalgas e reduzir os custos totais dos processos e do tratamento de resíduos, a biomassa residual gerada a partir da síntese do biodiesel foi utilizada como um adosorvente alternativo do corante Acid Blue 161 (AB-161) utilizado amplamente na indústria coureira. A biomassa foi caracterizada por técnicas analíticas de FTIR, MEV, BET, BJH e potencial zeta. As quantidades máximas de corante AB-161 adsorvido foram de 75,78 mg.g-1 a 25 °C e de 83,2 mg.g-1 a 40 °C. No tratamento de águas residuais de curtumes reais, os resultados mostram que a utilização da biomassa residual (após extração dos lipídios) como adsorvente, reduziu significativamente a concentração de corante (76,65%), carbono orgânico total - COT (50,78%) e nitrogênio total - TN (19,80%). / Microalgae are an ecologically and economically viable alternative for the industrial wastewater treatment, since they are able to assimilate compounds such as nitrogen, phosphorus and carbon. As a consequence of the potential for the treatment of wastewater, there is the generation of biomass that can be used for the production of value-added products, such as biofuels. Thus, in this work, it was evaluated the viability of growth and production of microalgal biomass in tannery wastewater, without previous treatment and without addition of nutrients. The objective of these experiments was to verify the bioremediation capacity to remove contaminants from this effluent, as well as microalgal composition for subsequent use. The influence of light intensity and concentration of tannery effluent on Scenedesmus sp. biomass production, as well as the removal of pollutants such as ammoniacal nitrogen, phosphorus and chemical oxygen demand from the microalga were verified. The microalga was cultivated in raw wastewater from untreated tannery collected directly from the beamhouse stage under different concentrations (between 20% and 100%) and light intensity (between 80 and 200 μmol photons.m−2.s−1) with a temperature of 25°C and constant aeration. In a second step, the microalgae Scenedesmus sp. and Chlorella sp. were grown in 3 L airlift photobiororators, containing different concentrations of raw tannery wastewater (25%, 50% and 100%), under light intensity of 200 μmol photons.m−2.s−1, at temperature (25°C) for 20 days. In the cultures with the Scenedesmus sp. microalgae, a maximum biomass concentration of 1.75 g.L-1 and high removals of total nitrogen (NT) (91.68%), NH3-N (94.36%), phosphorus - PO4-P (97,33%), inorganic carbon - CI (93,56%) and chemical oxygen demand - COD (66,64%). High levels of lipids (27.14%) and carbohydrates (34.17%) were also observed. The results obtained from the cultures with Chlorella sp. presented a maximum concentration of 1.64 g L-1. In addition, NT (91.59%), NH3-N (93.57%), PO4-P (98.10%), CI (89.46%), COD (71.20%), and BOD (37.87%) removals were observed. The composition of the biomass showed high levels of lipids (25.46%) and carbohydrates (36.36%). In the analysis of the fatty acid profile, the ethylic biodiesel produced from the lipids of the microalgae Scenedesmus sp. and Chlorella sp. presented oxidative stability due to the degree of saturation. Thus these studies have shown that the combined process of effluent treatment in the conversion of microalgae biomass offers many environmental merits with the production of value-added products, such as biodiesel. This study also investigated biomass recovery using inorganic coagulants / flocculants (ferric chloride and aluminum sulfate) and organic vegetable tannins (Tanfloc SL, Tanfloc SG and Tanfloc SH). In addition, the effects of operating conditions on lipid content in microalgae and on the fatty acid composition of biodiesel produced from lipids were also analyzed. There was a high biomass recovery efficiency of approximately 98% for the microalgae Scenedesmus sp. and Chlorella sp. using Tanfloc SH and it was not observed any alteration in fatty acid content in FAEE with the use of flocculent tannin. In order to maximize energy production through microalgae and reduce the total costs of waste treatment processes and treatment, the residual biomass generated from the biodiesel synthesis was used as an alternative adder of the Acid Blue 161 dye (AB-161) widely used in the hull industry. Biomass was characterized by analytical techniques of FTIR, MEV, BET, BJH and zeta potential. The maximum amounts of adsorbed AB-161 dye were 75.78 mg.g -1 at 25 °C and 83.2 mg.g -1 at 40 °C. The results showed that the use of residual biomass (after lipid extraction) as adsorbent significantly reduced the concentration of dye (76.65%), total organic carbon (TOC) (50.78%) and total nitrogen - TN (19.80%).

Generalitat Valenciana (Programa VALI+D)

A busca por fontes renováveis de energia é uma das prioridades nas pesquisas na área de engenharia na atualidade, dando-se preferência principalmente para uma alternativa aos derivados de petróleo. A produção de biodiesel com lipídeos extraídos de microalgas é um assunto muito promissor, visto as inúmeras vantagens deste processo. Pesquisas apontam que a diminuição da concentração de nitrogênio presente no meio de cultivo aumenta o acúmulo de lipídeos pelas microalgas, mas a produção de biomassa fica prejudicada. Para mensurar a importância desse nutriente e melhorar a eficiência da extração de óleos, no presente trabalho, foi proposta a avaliação da influência do íon nitrato no cultivo de Chlorella sp., focando o estudo na concentração de biomassa e no acúmulo de lipídeos. Para tal, foram testadas diferentes concentrações iniciais de NaNO3; o melhor perfil de adição de NaNO3 no meio de cultivo (em etapas ou em uma dose única); o desempenho da microalga em um cultivo semicontínuo; e quatro tipos de tratamentos para a quebra da parede celular das microalgas Chorella minutissima e Chlorella sp., a fim de realizar uma extração de lipídeos mais efetiva. A concentração inicial de 300 mg L-1 de NaNO3 apresentou melhores resultados em relação à concentração final de biomassa (2,48 g L-1) e acúmulo de lipídeos totais (12,0 % em peso seco). A adição de NaNO3 em apenas uma etapa obteve os resultados mais satisfatórios, com concentração final de biomassa de 1,92 g L-1 e 6,02 % de lipídeos totais em peso seco de biomassa. No cultivo semicontínuo, o melhor resultado para a o acúmulo de lipídeos foi volume de corte de 1/6 a cada 24 h, resultando em 9,02 % de lipídeos em biomassa seca e produtividade lipídica de 214 mg L-1d-1. Como pré-tratamento para quebra da parede celular da microalga Chlorella minutissima, não houve diferença significativa entre os métodos testados; para a Chlorella sp., as técnicas com resultados mais satisfatórios foram autoclave e micro-ondas. / Nowadays, the search for renewable energy sources is a high priority topic in engineer research, with preference to an alternative to petroleum derived energy spurces. Biodiesel production from microalga lipid is very promising, since the several advantages of this process. Many studies have shown that, to increase the microalga lipid accumulation, low nitrogen concentration is necessary; however, this condition has an opposite effect on biomass production. To measure the effect of this nutrient and improve oil extraction efficiency, in the present work, the nitrate ion influence was evaluated over the microalga Chlorella sp. cultive, measuring biomass concentration and lipid accumulation. This work tested the effect of the initial NaNO3 concentration and different NaNO3 pulse feeding profiles along the culture. A semicontinuous culture was carried out with renewal rate of 1/3 and 1/6 (v/v) in 24 h and 48 h, to improve biomass nad lipid productivity. It was also tested four pre-treatments in order to break the microalga (Chlorella minutissima and Chlorella sp.) cell wall: microwave, autoclave, bead beating and sonication. The highest biomass and lipid concentration were found when used initial NaNO3 concentration of 300 mg L-1, with 2,48 g L-1 and 12,04 %, respectively. Adding NaNO3 all at once (one time at the culture start off ) showed the best results for biomass concentration (1,92 g L-1) and lipid accumulation (6,02 %). In semicontinuous culture, the microalga Chlorella sp. presented good results for lipid production (9,02 %) and lipid productivity (214 mg L-1d-1) at 1/6 renewal rate every 24 h, however. The best pre-treatment for cell wall tested for Chlorella sp were microwave and autoclave; for Chlorella minutissima, there was no difference between the tested pre-treatments and the ones without it.

As microalgas vêm despertando interesse no meio acadêmico e industrial, uma vez que apresentam elevado potencial biológico. A filtração e a coagulação são os métodos de concentração de biomassa que apresentam menor consumo energético. Como uma tecnologia emergente, a osmose direta tem mostrado grandes avanços e atraído crescente interesse na geração de energia, processamento de alimentos, entre outros. Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho é buscar alternativas de colheita de microalgas para a extração de carotenoides e lipídeos que associem baixo consumo energético, biodegradabilidade e garantia de integridade das células algais. Na primeira etapa foi realizada a pré-concentração da biomassa por coagulação, onde se analisou a eficiência de seis biopolímeros catiônicos diferentes: quitosana, nano-quitosana, três espécies de tanino e amido de batata. O amido catiônico, apesar de apresentar um grau de substituição de 0,00167, foi considerado ineficaz. Para a quitosana, as melhores condições foram: dosagem de 30 mg L-1, pH 7,5, tempo de 40 min de mistura e velocidade de 30 rpm. Para a nano-quitosana, dosagem de 20 mg L-1, pH 8,0, tempo de 20 min de mistura, velocidade de 30 rpm e tempo de sedimentação de 5 min. O extrato de tanino puro foi considerado ineficaz. Para o tanino catiônico, foi considerada ideal a dosagem de 110 mg L-1, não sendo necessário o ajuste de pH, tempo de 5 min de mistura e velocidade de 30 rpm. E o tanino sulfitado com uma dosagem de 80 mg L-1, sem necessidade de ajuste de pH, 5 min de mistura, velocidade de 30 rpm e sedimentação de 60 min. Na segunda etapa foi avaliada a filtração por osmose direta. A avaliação dos fluxos obtidos antes e após os experimentos de filtração mostrou que os mesmos não causaram modificações na membrana e a ocorrência de fouling não interferiu no processo. A quitosana obteve um aumento de fluxo de aproximadamente 2,8 ×, o tanino catiônico de 1,35 × e o tanino sulfitado de 1,31 ×. A nano-quitosana não apresentou aumento de fluxo. O processo combinado não apresentou alterações no teor de carotenoides totais nem no teor de lipídeos totais. As pré-concentrações com nano-quitosana e com tanino catiônico mostraram maior redução na energia de ligação, apresentando assim menor energia necessária para secagem nas etapas subsequentes. / Microalgae have attracted interest in academic community and industry, since they have great biological potential. Filtration and coagulation are the methods of biomass concentration that have the lowest energy consumption. As an emerging technology, forward osmosis has shown great progress and attracted growing interest in power generation, food processing, among others. Within this context, the main objective of this work is to seek alternatives for microalgae harvesting to carotenoid and lipids extraction that combine low energy consumption, biodegradability and integrity assurance of algal cells. In the first step, pre-concentration of biomass was performed by coagulation, where the effectiveness of six different cationic biopolymers was analyzed: chitosan, nano-chitosan, three species of tannin and potato starch. The cationic starch, despite having a degree of substitution of 0.00167 was considered ineffective. For chitosan, the best conditions were: dosage of 30 mg L-1, pH 7.5, mixing time of 40 min and stirrer speed of 30 rpm. For nano-chitosan, dosage of 20 mg L-1, pH 8.0, mixing time of 20 min, stirrer speed of 30 rpm and sedimentation time of 5 min. The extract of pure tannin was deemed ineffective. For cationic tannin, the dosage of 110 mg L-1 was considered ideal, pH adjustment is not necessary, mixing time of 5 min and stirrer speed of 30 rpm. And for sulfited tannin, dosage of 80 mg L-1, without pH adjustment, mixing time of 20 min, stirrer speed of 30 rpm and sedimentation time of 60 min. The evaluation of flows before and after the filtration tests showed that they didn’t cause changes in membrane and the occurrence of fouling didn’t interfere in the process. Chitosan obtained an increase of approximately 2.8 ×, cationic tannin of 1.35 × and sulfited tannin of 1.31 ×. Nano-chitosan didn’t show flow increase. The combined process showed no changes in carotenoid and lipid content. The pre-concentration with nano-chitosan e cationic tannin showed greater reduction in binding energy, thus presenting less energy for drying in subsequent steps.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2017-06-13T13:23:59Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2940668 bytes, checksum: a6dbc35542add6d168938c4f2120e3ea (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T13:24:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2940668 bytes, checksum: a6dbc35542add6d168938c4f2120e3ea (MD5) Previous issue date: 2017-03-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Várias abordagens têm sido feitas de forma a confirmar o potencial atrativo das microalgas como matéria prima para a produção de biogás. No entanto, limitações advindas do substrato biomassa algal são ainda na atualidade descritas. As maiores complexidades da digestão anaeróbia da biomassa algal são reportadas como sendo a baixa digestibilidade da parede celular das algas e a inibição do processo pela presença de amônia. De forma a propor estratégias de superação dessas limitações, esse estudo teve como objetivo avaliar o potencial energético de biomassa algal cultivada em efluentes a partir da digestão anaeróbia. Estratégias de pré-tratamentos (térmico e prévia extração lipídica) e complementariedade de substratos foram aplicadas. A extração lipídica aumentou o rendimento da produção de biogás em até 10 vezes, tornando mais disponível o conteúdo intracelular. No entanto, após análise energética, concluiu-se pelo pouco ganho energético acumulado da etapa de extração lipídica, devido principalmente ao baixo acúmulo lipídico da biomassa produzida em efluentes. O aproveitamento lipídico da biomassa se mostrou inviável energeticamente e a geração de biogás da biomassa bruta foi a rota energética mais favorável, tanto para biomassa produzida em lagoas de alta taxa com esgoto doméstico, como para biomassa cultivada em fotobiorreator coluna de bolhas com efluentes da indústria de processamento de carnes. A complementariedade de substratos foi avaliada utilizando-se efluente da indústria de extração de azeite (água ruça) na digestão anaeróbia de biomassa algal produzida em lagoa de alta taxa (LAT) utilizando efluente da indústria cervejeira e esgoto doméstico como meios de cultivo. Adicionalmente, a geração de biogás e a eficiência de degradação da matéria orgânica foram monitoradas ao longo de três fases (72 dias) de operação de um reator híbrido anaeróbio, caracterizadas pelo também uso da água ruça como um substrato complementar à biomassa algal e à aplicação de um pré-tratamento térmico para ruptura da parede celular da biomassa algal. Análises de citometria de fluxo foram realizadas para estimar a integridade da membrana e viabilidade metabólica das células algais de forma a mensurar a eficiência do pré-tratamento aplicado. A água ruça se mostrou um substrato complementar eficiente para digestão anaeróbia da biomassa algal, permitindo melhorar rendimento do processo, além de economia de recursos, facilidade operacional e aproveitamento energético de mais de um resíduo. Para os testes em batelada, o rendimento da digestão foi 36% maior para os testes com 10% de água ruça adicionada à biomassa algal cultivada em esgoto doméstico. Para biomassa cultivada em efluente da indústria cervejeira, valores de até 20% de água ruça puderam ser adicionados à biomassa algal, no entanto, teste utilizando somente a biomassa algal como substrato apresentou os melhores resultados de produção de biogás. Mesmo com a aplicação de pré-tratamento térmico, o melhor rendimento do reator híbrido foi obtido quando operado com 10% de água ruça, cerca de 3 vezes superior ao rendimento obtido somente com biomassa algal. Acredita-se que através do presente estudo foi possível avaliar uma rota promissora de produção de biocombustíveis a partir do tratamento de efluentes, elucidando limitações importantes para a aplicação e ampliação do processo. Temas emergentes e de grande importância no contexto mundial e principalmente nacional foram abordados, nomeadamente o aproveitamento de resíduos e a questão energética, tornando o saneamento ambiental mais atrativo dos pontos de vista econômico e de sustentabilidade, e propondo alternativas de diversificação da matriz energética com o uso de biocombustíveis oriundos de biomassa algal. / Several approaches to confirm the attractive potential of microalgae as a feedstock for biogas production have been undertaken. However, limitations arising from the algal biomass substrate are still described today. The main complicators of anaerobic digestion of algal biomass are reported to be the low digestibility of the algal cell wall and the inhibition of the process by ammonia. In order to propose strategies to overcome these limitations, this study aimed to evaluate the energy potential of anaerobic digestion of algal biomass grown in wastewaters. Thermal and lipid extraction pre-treatments and complementarity of substrates were evaluated. Lipid extraction increased biogas yield ten-fold, by making intracellular content more available. However, an energy analysis showed the lipid extraction stage produced only a small accumulated energy gain, mainly due to the low lipid accumulation in the biomass produced in wastewaters. Utilization of biomass lipid was shown to be energy-infeasible and biogas generation from the crude biomass was the most favorable energy route, both for biomass produced in high rate ponds with domestic sewage and for biomass cultured in a bubble column photobioreactor with effluents from the meat processing industry. The complementarity of substrates was evaluated using olive mill wastewater in the anaerobic digestion of algae biomass produced in a high rate algal pond using effluents from the brewery industry and domestic sewage as culture media. In addition, biogas production and organic matter degradation efficiency were monitored during three phases (72 days) of an anaerobic hybrid reactor, characterized by the use of the olive mill wastewater as a complementary substrate to the algal biomass and the application of a thermal pretreatment for algal biomass cell wall rupture. Algal cell membrane integrity and metabolic viability were analyzed through flow cytometry in order to measure pretreatment efficiency. Olive mill wastewater proved to be an efficient complementary substrate for anaerobic digestion of the algal biomass, allowing better process efficiency, both in batch and semi-continuous feeding modes of the hybrid reactor, as well as resource savings, operational ease and energy utilization of more than one waste. For batchs tests, digestion yield was 36% greater when using 10% of olive mill wastewater together with algal biomass grown in domestic sewage. Values of up to 20% of olive mill wastewater could be added to algal biomass grown in brewery wastewater, however, tests using only algal biomass as the substrate showed the best biogas production results. Even with the application of thermal pretreatment, the best performance of the hybrid reactor was obtained when operated with 10% olive mill wastewater, resulting in about 3 fold higher yield than obtained with algal biomass alone. Through the present study, it was possible to evaluate a promising route for biofuels production through wastewater treatment and identify important limitations to the application and expansion of the process. Emerging issues of great importance worldwide and especially at the national level were addressed, namely waste reuse and renewable energy, making environmental sanitation more attractive from both the economic and sustainability points of view, and alternatives for diversifying the energy matrix with the use of biofuels from algal biomass were proposed.

A microalga marinha Dunaliella tertiolecta é um microrganismo unicelular fotossintético capaz de fixar dióxido de carbono da atmosfera e proveniente de gases de exaustão industrial e utilizá-lo como única fonte de carbono para o aumento da biomassa. Enquanto isso, além de biomassa, também é capaz de produzir quantidades consideráveis de carotenoides e lipídios, entre outras substâncias de grande interesse para indústrias alimentícias e farmacêuticas que buscam a utilização cada vez maior de compostos de fontes naturais em suas formulações. Neste trabalho foram estudados os efeitos da salinidade do meio (em concentração molar de NaCl), da temperatura, da intensidade de luz, da fonte e concentração de nitrogênio no cultivo da D. tertiolecta em fotobiorreator airlift, buscando o aumento na produção de biomassa, carotenoides e lipídios, bem como representar matematicamente este bioprocesso. Inicialmente, a influência da temperatura e da concentração salina foi estudada através de experimentos com meio de cultura f/2 padrão, com diferentes concentrações salinas. A temperatura e a concentração salina influenciaram de forma diferente os resultados obtidos. A temperatura teve forte influência na produção de biomassa, na biofixação de dióxido de carbono e na produção de lipídios pelas células. Por outro lado, a salinidade teve forte influência na produção dos carotenoides. A partir da avaliação e combinação dos resultados, foram determinadas as condições apropriadas de temperatura e salinidade do meio para maior produção de biomassa, lipídios e carotenoides simultaneamente: 28 °C e 0,715 M de NaCl. Seis carotenoides foram identificados por CLAE no extrato de D. tertiolecta: transluteína, trans-β-caroteno, trans-zeaxantina, trans-anteraxantina, trans-neoxantina e 9-cis-β-caroteno. Os carotenoides trans-luteína, trans-β-caroteno e trans-zeaxantina foram quantificados. As maiores quantidades de luteína, β-caroteno e zeaxantina obtidas nos experimentos foram, respectivamente, 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 e 244 ± 76 μg g-1. A partir destes resultados, cultivos foram realizados variando-se intensidade de luz e fonte e concentração de nitrogênio a fim de determinar a influência destes parâmetros. A intensidade de luz de 17,5 klx e concentração inicial de nitrato de sódio de 300 mg L-1 resultou nas maiores produtividades de biomassa (0,176 ± 0,005 g L-1 d-1), carotenoides (0,738 ± 0,038 mg L-1 d-1) e lipídios (16,68 ± 1,50 mg L-1 d-1). Os dados experimentais desses cultivos foram utilizados na etapa de estimação de parâmetros. Em comparação com modelos relatados na literatura, os modelos propostos apresentaram melhor ajuste para diferentes concentrações de nitrato de sódio testadas, com reduzido número de parâmetros. / The marine microalgae Dunaliella tertiolecta is a unicellular photosynthetic microorganism that can fix carbon dioxide from the atmosphere and from industrial exhaust gases, using it as the solely carbon source to increase biomass. Meanwhile, more than biomass, this microorganism also can produce great amounts of carotenoids, lipids and other substances of interest to pharmaceutical and food industries that seek to increase the use of compounds derived from natural sources in their formulations. In this work, the effects of medium salinity (in molar concentration of NaCl), temperature, light intensity and nitrogen source and concentration over the cultivation of D. tertiolecta in an airlift photobioreactor were studied aiming the increase of biomass, carotenoids and lipids production, as well the development of a mathematical model for this bioprocess. Initially, the influence of temperature and salt concentration was studied by experiments with standard f/2 culture medium, with different salt concentrations. Temperature and salt concentration differently affected the results. Temperature had a strong effect on biomass production, carbon dioxide biofixation and lipid production by the cells. On the other hand, salinity showed strong effect on carotenoid production. The appropriate temperature and medium salinity to increase simultaneously biomass, lipids and carotenoids was 28 °C and 0.715 M NaCl. Six carotenoids were identified in the extract of D. tertiolecta by HPLC: all-trans-lutein, all-trans-β-carotene, alltrans- zeaxanthin, all-trans-antheraxanthin, all-trans-neoxanthin and 9-cis-β-carotene. The carotenoids all-trans-lutein, all-trans-β-carotene and all-trans-zeaxanthin were quantified. The highest amount of lutein, β-carotene and zeaxanthin reached in the experiments were 1315 ± 36 μg g-1, 732 ± 51 μg g-1 and 244 ± 76 μg g-1, respectively. From these results, cultures were performed by varying light intensity and nitrogen source and concentration to determine the influence of these parameters. A light intensity of 17.5 klx and initial sodium nitrate concentration of 300 mg L-1 resulted in the highest biomass (0.176 ± 0.005 g L-1 d-1), carotenoid (0.738 ± 0.038 g L-1 d-1) and lipid (16.68 ± 1.50 g L-1 d-1) productivities. The experimental data of these cultures were used for parameter estimation. Compared to earlier models reported in the literature, the proposed models showed better fitting for different sodium nitrate concentrations tested with reduced number of parameters.

As microalgas são uma alternativa ecológica e economicamente viável para o tratamento de efluentes industriais, já que são capazes de assimilar compostos como nitrogênio, fósforo e carbono. Em consequência ao potencial para o tratamento de efluentes há a geração de biomassa que pode ser utilizada para a fabricação de produtos com valor agregado, como os biocombustíveis. Assim, neste trabalho, avaliou-se a viabilidade de crescimento e produção de biomassa microalgal em águas residuais de curtume, sem tratamento prévio e sem adição de nutrientes. Objetiva-se, com tais experimentos, verificar a capacidade de remoção de contaminantes deste efluente, bem como composição microalgal em proteínas, lipídios e carboidratos para subsequente utilização. Inicialmente, verificou-se a influência da intensidade luminosa e da concentração do efluente de curtume na produção da biomassa da Scenedesmus sp., e na remoção de poluentes tais como nitrogênio amoniacal, fósforo e demanda química de oxigênio pela microalga. A microalga foi cultivada em efluente bruto de curtume sem tratamento prévio, coletado diretamente da etapa de ribeira, sob diferentes concentrações (entre 20% e 100%) e intensidade luminosa (entre 80 e 200 μmol photons.m−2.s−1) com temperatura de 25 °C e aeração constante. Este estudo demonstrou que a concentração de efluente e a intensidade luminosa influenciaram positivamente na quantidade de biomassa produzida, bem como na remoção de nitrogênio amoniacal e fósforo e DQO. Em um segundo passo, cultivaram-se as microalgas Scenedesmus sp. e Chlorella sp. em fotobiorreatores airlift de 3 L, contendo diferentes concentrações de efluente bruto de ribeira de curtume (25%, 50% e 100%), sob intensidade luminosa de 200 μmol photons.m−2.s−1, à temperatura ambiente (25 °C), durante 20 dias. Nos cultivos com a microalga Scenedesmus sp. foi observada máxima concentração de biomassa de 1,75 g.L-1 e elevadas remoções de nitrogênio total - NT (91,68%), nitrogênio amoniacal - NH3-N (94,36%), fósforo - PO4-P (97,33%), carbono inorgânico - CI (93,56%) e demanda química de oxigênio - DQO (66,64%). Elevados teores de lipídios (27,14%) e carboidratos (34,17%) também foram verificados. Os resultados obtidos a partir dos cultivos com a Chlorella sp. apresentaram máxima concentração de 1,64 g.L-1. Além disso, foram observadas remoções de NT (91,59%), NH3-N (93,57%), PO4-P (98,10%), CI (89,46%), DQO (71,20%) e DBO (37,87%). Na composição da biomassa observou-se elevados teores de lipídios (25,46%) e carboidratos (36,36%). Na análise do perfil dos ácidos graxos, os biodieseis etílicos produzidos a partir dos lipídios das microalgas Scenedesmus sp. e Chlorella sp. apresentaram estabilidade oxidativa, devido ao grau de saturação. Assim estes estudos demonstraram que o processo combinado de tratamento de efluentes na conversão de biomassa de microalgas oferece muitos méritos ambientais com a produção de produtos de valor agregado, como o biodiesel. Neste estudo também investigou-se a recuperação da biomassa utilizando agentes coagulantes/floculantes inorgânicos (cloreto férrico e sulfato de alumínio) e taninos vegetais orgânicos (Tanfloc SL, Tanfloc SG e Tanfloc SH). Além disso, também foram analisados os efeitos das condições operacionais sobre o teor de lipídios nas microalgas e na composição de ácidos graxos do biodiesel produzido a partir dos lipídios. Verificou-se elevada eficiência de recuperação de biomassa de aproximadamente 98% para as microalgas Scenedesmus sp. e Chlorella sp. utilizando o tanino vegetal Tanfloc SH e ainda não foi observado alteração no conteúdo de ácidos graxos em FAEE com o uso do tanino floculante. A fim de maximizar a produção de energia obtida através das microalgas e reduzir os custos totais dos processos e do tratamento de resíduos, a biomassa residual gerada a partir da síntese do biodiesel foi utilizada como um adosorvente alternativo do corante Acid Blue 161 (AB-161) utilizado amplamente na indústria coureira. A biomassa foi caracterizada por técnicas analíticas de FTIR, MEV, BET, BJH e potencial zeta. As quantidades máximas de corante AB-161 adsorvido foram de 75,78 mg.g-1 a 25 °C e de 83,2 mg.g-1 a 40 °C. No tratamento de águas residuais de curtumes reais, os resultados mostram que a utilização da biomassa residual (após extração dos lipídios) como adsorvente, reduziu significativamente a concentração de corante (76,65%), carbono orgânico total - COT (50,78%) e nitrogênio total - TN (19,80%). / Microalgae are an ecologically and economically viable alternative for the industrial wastewater treatment, since they are able to assimilate compounds such as nitrogen, phosphorus and carbon. As a consequence of the potential for the treatment of wastewater, there is the generation of biomass that can be used for the production of value-added products, such as biofuels. Thus, in this work, it was evaluated the viability of growth and production of microalgal biomass in tannery wastewater, without previous treatment and without addition of nutrients. The objective of these experiments was to verify the bioremediation capacity to remove contaminants from this effluent, as well as microalgal composition for subsequent use. The influence of light intensity and concentration of tannery effluent on Scenedesmus sp. biomass production, as well as the removal of pollutants such as ammoniacal nitrogen, phosphorus and chemical oxygen demand from the microalga were verified. The microalga was cultivated in raw wastewater from untreated tannery collected directly from the beamhouse stage under different concentrations (between 20% and 100%) and light intensity (between 80 and 200 μmol photons.m−2.s−1) with a temperature of 25°C and constant aeration. In a second step, the microalgae Scenedesmus sp. and Chlorella sp. were grown in 3 L airlift photobiororators, containing different concentrations of raw tannery wastewater (25%, 50% and 100%), under light intensity of 200 μmol photons.m−2.s−1, at temperature (25°C) for 20 days. In the cultures with the Scenedesmus sp. microalgae, a maximum biomass concentration of 1.75 g.L-1 and high removals of total nitrogen (NT) (91.68%), NH3-N (94.36%), phosphorus - PO4-P (97,33%), inorganic carbon - CI (93,56%) and chemical oxygen demand - COD (66,64%). High levels of lipids (27.14%) and carbohydrates (34.17%) were also observed. The results obtained from the cultures with Chlorella sp. presented a maximum concentration of 1.64 g L-1. In addition, NT (91.59%), NH3-N (93.57%), PO4-P (98.10%), CI (89.46%), COD (71.20%), and BOD (37.87%) removals were observed. The composition of the biomass showed high levels of lipids (25.46%) and carbohydrates (36.36%). In the analysis of the fatty acid profile, the ethylic biodiesel produced from the lipids of the microalgae Scenedesmus sp. and Chlorella sp. presented oxidative stability due to the degree of saturation. Thus these studies have shown that the combined process of effluent treatment in the conversion of microalgae biomass offers many environmental merits with the production of value-added products, such as biodiesel. This study also investigated biomass recovery using inorganic coagulants / flocculants (ferric chloride and aluminum sulfate) and organic vegetable tannins (Tanfloc SL, Tanfloc SG and Tanfloc SH). In addition, the effects of operating conditions on lipid content in microalgae and on the fatty acid composition of biodiesel produced from lipids were also analyzed. There was a high biomass recovery efficiency of approximately 98% for the microalgae Scenedesmus sp. and Chlorella sp. using Tanfloc SH and it was not observed any alteration in fatty acid content in FAEE with the use of flocculent tannin. In order to maximize energy production through microalgae and reduce the total costs of waste treatment processes and treatment, the residual biomass generated from the biodiesel synthesis was used as an alternative adder of the Acid Blue 161 dye (AB-161) widely used in the hull industry. Biomass was characterized by analytical techniques of FTIR, MEV, BET, BJH and zeta potential. The maximum amounts of adsorbed AB-161 dye were 75.78 mg.g -1 at 25 °C and 83.2 mg.g -1 at 40 °C. The results showed that the use of residual biomass (after lipid extraction) as adsorbent significantly reduced the concentration of dye (76.65%), total organic carbon (TOC) (50.78%) and total nitrogen - TN (19.80%).

A busca por fontes renováveis de energia é uma das prioridades nas pesquisas na área de engenharia na atualidade, dando-se preferência principalmente para uma alternativa aos derivados de petróleo. A produção de biodiesel com lipídeos extraídos de microalgas é um assunto muito promissor, visto as inúmeras vantagens deste processo. Pesquisas apontam que a diminuição da concentração de nitrogênio presente no meio de cultivo aumenta o acúmulo de lipídeos pelas microalgas, mas a produção de biomassa fica prejudicada. Para mensurar a importância desse nutriente e melhorar a eficiência da extração de óleos, no presente trabalho, foi proposta a avaliação da influência do íon nitrato no cultivo de Chlorella sp., focando o estudo na concentração de biomassa e no acúmulo de lipídeos. Para tal, foram testadas diferentes concentrações iniciais de NaNO3; o melhor perfil de adição de NaNO3 no meio de cultivo (em etapas ou em uma dose única); o desempenho da microalga em um cultivo semicontínuo; e quatro tipos de tratamentos para a quebra da parede celular das microalgas Chorella minutissima e Chlorella sp., a fim de realizar uma extração de lipídeos mais efetiva. A concentração inicial de 300 mg L-1 de NaNO3 apresentou melhores resultados em relação à concentração final de biomassa (2,48 g L-1) e acúmulo de lipídeos totais (12,0 % em peso seco). A adição de NaNO3 em apenas uma etapa obteve os resultados mais satisfatórios, com concentração final de biomassa de 1,92 g L-1 e 6,02 % de lipídeos totais em peso seco de biomassa. No cultivo semicontínuo, o melhor resultado para a o acúmulo de lipídeos foi volume de corte de 1/6 a cada 24 h, resultando em 9,02 % de lipídeos em biomassa seca e produtividade lipídica de 214 mg L-1d-1. Como pré-tratamento para quebra da parede celular da microalga Chlorella minutissima, não houve diferença significativa entre os métodos testados; para a Chlorella sp., as técnicas com resultados mais satisfatórios foram autoclave e micro-ondas. / Nowadays, the search for renewable energy sources is a high priority topic in engineer research, with preference to an alternative to petroleum derived energy spurces. Biodiesel production from microalga lipid is very promising, since the several advantages of this process. Many studies have shown that, to increase the microalga lipid accumulation, low nitrogen concentration is necessary; however, this condition has an opposite effect on biomass production. To measure the effect of this nutrient and improve oil extraction efficiency, in the present work, the nitrate ion influence was evaluated over the microalga Chlorella sp. cultive, measuring biomass concentration and lipid accumulation. This work tested the effect of the initial NaNO3 concentration and different NaNO3 pulse feeding profiles along the culture. A semicontinuous culture was carried out with renewal rate of 1/3 and 1/6 (v/v) in 24 h and 48 h, to improve biomass nad lipid productivity. It was also tested four pre-treatments in order to break the microalga (Chlorella minutissima and Chlorella sp.) cell wall: microwave, autoclave, bead beating and sonication. The highest biomass and lipid concentration were found when used initial NaNO3 concentration of 300 mg L-1, with 2,48 g L-1 and 12,04 %, respectively. Adding NaNO3 all at once (one time at the culture start off ) showed the best results for biomass concentration (1,92 g L-1) and lipid accumulation (6,02 %). In semicontinuous culture, the microalga Chlorella sp. presented good results for lipid production (9,02 %) and lipid productivity (214 mg L-1d-1) at 1/6 renewal rate every 24 h, however. The best pre-treatment for cell wall tested for Chlorella sp were microwave and autoclave; for Chlorella minutissima, there was no difference between the tested pre-treatments and the ones without it.