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 Luciana Sebin (lusebin@ufscar.br) on 2016-10-10T13:01:33Z No. of bitstreams: 1 DissNCPA.pdf: 2788446 bytes, checksum: b200bad70c866c03e825d7800753371b (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-13T20:10:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissNCPA.pdf: 2788446 bytes, checksum: b200bad70c866c03e825d7800753371b (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-13T20:10:08Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissNCPA.pdf: 2788446 bytes, checksum: b200bad70c866c03e825d7800753371b (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-13T20:10:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissNCPA.pdf: 2788446 bytes, checksum: b200bad70c866c03e825d7800753371b (MD5) Previous issue date: 2016-02-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Freshwater green microalgae are a group which present great complexity for classical morphological taxonomy. For groups like Selenastraceae family, the morphological characteristics are ambiguous at genus level and do not reflect the phylogenetic relationships. Taxonomic polyphasic approaches have been emerged to assist the classical taxonomy in the classification of such groups. Taking into account the specific relation lectin-carbohydrate and the great diversity in monomer composition of extracellular polysaccharides from microalgae, we aim to understand if some microalgae taxa have specific terminal monosaccharides set, which could be used as chemotaxonomic feature within a polyphasic taxonomic approach. Thus, we performed an optimization of methods so far used in taxonomy, and analyzed the terminal monosaccharides and lectins behavior against ten species from different genera to the following families: Selenastraceae and Scenedesmaceae (Chlorophyceae), Botryococcaceae and Oocystaceae (Trebouphyceae), and Fragilariaceae, Stephanodiscaceae (Bacillariphyceae), all of them in crops. We noticed that is possible, using this technique, to separate strains from the same species isolated different from places. Furthermore, we found some indicator monosaccharides the microalgae of some taxa. In this work we use six types of lectins and eleven anti synthetic lectins to recognize the terminal monosaccharides and lectins. / As microalgas verdes de água doce compõem um dos grupos de grande complexidade para taxonomia morfológica clássica. Para grupos como a família Selenastraceae, as características morfológicas são ambíguas em nível de gênero e não refletem as relações filogenéticas. As abordagens taxonômicas polifásicas têm emergido como uma maneira de tentar ajudar a taxonomia clássica a resolver a classificação desses grupos. Considerando-se a relativa especificidade lectina/carboidrato e a grande diversidade na composição monomérica dos polissacarídeos extracelulares de microalgas, buscamos conhecer se alguns táxons de microalgas apresentam um conjunto de lectinas e monossacarídeos terminais específico o que poderia ser utilizado como característica quimiotaxonômica em uma abordagem taxonômica polifásica. Para tanto fizemos uma otimização dos métodos até hoje utilizados para taxonomia e analisamos o comportamento dos monossacarídeos terminais e das lectinas para dez espécies de diferentes gêneros das famílias Selenastraceae e Scenedesmaceae (Chlorophyceae), Botryococcaceae e Oocystaceae (Trebouphyceae), e Fragilariaceae, Stephanodiscaceae (Bacillariphyceae) em cultivos. Observamos que é possível por meio desta técnica separar cepas de mesma espécie de locais diferentes, além de encontrar monossacarídeos indicadores em regiões específicas para determinado táxons. Neste trabalho utilizamos seis tipos de lectinas e onze antilectinas sintéticas para reconhecer os monossacarídeos terminais e as lectinas.

Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-10-11T14:00:06Z No. of bitstreams: 1 TeseCCM.pdf: 2150950 bytes, checksum: ab2eb21dcb317d57d560b8c3e7d07ef2 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T12:10:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCCM.pdf: 2150950 bytes, checksum: ab2eb21dcb317d57d560b8c3e7d07ef2 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T12:10:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCCM.pdf: 2150950 bytes, checksum: ab2eb21dcb317d57d560b8c3e7d07ef2 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-21T12:10:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCCM.pdf: 2150950 bytes, checksum: ab2eb21dcb317d57d560b8c3e7d07ef2 (MD5) Previous issue date: 2016-06-21 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The identification Selenastraceae family organism is performed by optical microscopy only on diacritic characteristics, what has been questioned from recent molecular studies. Conflicts between phylogenetic, morphologic and genetic results were found after analysis of a large number of species Selenastraceae, and misidentification and consequently error in the classification directly leads to that the underestimation of species from Selenastraceae family. An alternative to these errors in identification and classification would be avoided using a polyphasic taxonomic approach to this family, combining to morphology, genetics, physiology and chemotaxonomy. Therefore, the use of fatty acids found in microalgae as an alternative to contribute assist in identification can be feasible. Using this information, this study considered the fatty acids of sixteen strains of microalgae from Selenastraceae family and found specific fatty acids and may differentiate between strains of microalgae and has presented fatty acids indicators from the Selenastraceae families (C18:3ω3 and C18:4ω6), Scenedesmaceae (C18:2ω6, C18:1ω9, C16:2ω6) and Oocystaceae (C18:3ω6) and also genera Monoraphidium (C16:1ω9 and C16:3ω6), Coelastrum (C18:1ω9) and Nephrocytium (C18:3ω6). Among Selenastraceae was detected potential with fatty acids for the production of biofuels (C18:1ω9), to feeding to animals (C16:0) and polyunsaturated for human nutritional supplements (C18:3ω3, C18:2ω6 and C16:4ω3) according the growing stage of these organisms. / A identificação de organismos da família Selenastraceae feita através de microscopia óptica e baseada apenas em características diacríticas vem sendo questionada atualmente a partir de estudos moleculares. Conflitos entre os resultados filogenéticos, morfológicos e os genéticos foram constatados após análises de um grande número de espécies de Selenastraceae, sendo que os erros na identificação e, consequentemente, na classificação dessas espécies implicam diretamente na subestimação da família Selenastraceae. Uma alternativa para que estes fossem evitados seria a utilização de uma abordagem taxonômica polifásica para essa família, aliando morfologia, genética, fisiologia e quimiotaxonomia. Portanto, a utilização dos ácidos graxos presentes nessas microalgas como alternativa para auxiliar na identificação parece viável. Com base nessas informações, o presente trabalho analisou os ácidos graxos de dezesseis cepas de microalgas pertencentes à família Selenastraceae e encontrou ácidos graxos específicos e que podem diferenciar as cepas de microalgas e apresentou ácidos graxos indicadores das famílias Selenastraceae (C18:3ω3 e C18:4ω6), Scenedesmaceae (C18:2ω6, C18:1ω9, C16:2ω6) e Oocystaceae (C18:3ω6) e, também para os gêneros Monoraphidium (C16:1ω9 e C16:3ω6), Coelastrum (C18:1ω9) e Nephrocytium (C18:3ω6). Entre as Selenastraceae foram detectados também ácidos graxos com potencial para a produção de biocombustíveis (C18:1ω9), alimentação de animais (C16:0) e poli-insaturados para a suplementação nutricional humana (C18:3ω3, C18:2ω6 e C16:4ω3), de acordo com a fase de cultivo desses organismos.

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 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.

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.

Made available in DSpace on 2018-08-01T23:59:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11393_Avaliação do Potencial Metanogenico da Biomassa Algácea Submetida à Hidrólise Térmica e Hidrólise Alcalina_Gustavo Ferreira.pdf: 3338704 bytes, checksum: 917f07968c7825f71d64abca94bd22b3 (MD5) Previous issue date: 2017-03-22 / A digestão anaeróbia de microalgas é apontada com uma promissora alternativa para produção de biocombustíveis sustentáveis e consequente solução para o problema de escassez de combustíveis fósseis. Além de atenuar as consequências da liberação de gases de efeito estufa na atmosfera, a produção de biogás a partir da digestão desse substrato gerado a partir do tratamento de esgoto sanitário é capaz de prevenir também a eutrofização de corpos hídricos, aprimorando a qualidade do efluente a ser lançado. A etapa de hidrólise é considerada limitante nos processos de digestão anaeróbia, podendo ter seu efeito minimizado através de processos de pré-tratamento objetivando a hidrólise do substrato antes da sua digestão. Essa pesquisa visou verificar os efeitos dos pré-tratamentos hidrolíticos sobre a produção de metano a partir da digestão anaeróbia dessa biomassa, bem como caracterizar a biomassa antes e após a hidrólise. Esse estudo é uma das etapas de uma proposta de concepção de uma estação de tratamento de esgoto superavitária em energia elétrica, localizada na ETE de Araçás Vila Velha/ES. A biomassa utilizada apresentou concentração média de sólidos totais de 3,5% e uma DQO média de 36,6g/L. Apesar de apresentar menor solubilização de matéria orgânica e carboidratos, a hidrólise térmica a 80°C apresentou um maior aumento na produção de metano, atingindo 1,10 gDQOCH4/gSSV.d, valor 61% maior do que o volume produzido a partir da digestão anaeróbia de biomassa não submetida à hidrólise (0,68 gDQOCH4/gSSV.d). A biomassa hidrolisada pela via alcalina apresentou uma produção de 0,88 gDQOCH4/gSSV.d, apenas 29% maior do que a produção observada na biomassa sem pré-tratamento. Esses resultados apontam a hidrólise térmica como uma melhor opção para o tratamento hidrolítico, quando comparado à hidrólise alcalina. O balanço de energia produzido a partir desses valores apresentou um Energy Return on Investment de 5,2 para a biomassa sem tratamento, 5,5 para a biomassa hidrolisada pela via térmica e 5,3 para a biomassa pela via alcalina, indicando que a estação baseada na tecnologia proposta é superavitária do ponto de vista energético

Made available in DSpace on 2018-08-01T23:59:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11561_Dissertação_Tatiana_FINAL_06.03.pdf: 5608646 bytes, checksum: d571507d795f5e8657651ed43cd53c17 (MD5) Previous issue date: 2017-12-12 / Essa pesquisa objetivou estudar os efeitos da codigestão anaeróbia de esgoto sanitário e lodo algáceo em um reator UASB, analisando o desempenho do reator antes (Etapa 1) e durante no processo de codigestão anaeróbia (Etapa 2). O reator UASB utilizado possui 3,78 m³ de volume útil de 4,8 metros de altura e foi monitorado por 410 dias. No processo de codigestão foi utilizado lodo algáceo físico-químico sem pré-tratamento. Após o período de partida que durou 138 dias, o reator manteve desempenho satisfatório no tratamento anaeróbio do esgoto sanitário na etapa 1 (164 dias) e etapa 2 (108 dias). O efluente apresentou concentração média de 160 mg/L de DQO e 49 mg/L de SST (etapa 1) e 125 mg/L de DQO e 41 mg/L de SST (etapa 2). O TDH e COV do reator foi de 8,8h e 1,14 kgDQO.m-3 .d-1 (etapa 1) e 9,5h e 0,98 kgDQO.m-3 .d-1 (etapa 2). A idade do lodo decresceu da etapa 1 (108 dias) para a etapa 2 (98 dias), como consequência do aumento da produção de sólidos de 0,48 kgST.d1 (etapa 1) para 0,57 kgST.d-1 (etapa 2). Tal fato implica em uma maior frequência de descarte do lodo de excesso do UASB. O aporte contínuo de lodo algáceo na etapa 2 tornou o lodo significativamente menos estabilizado na região de manta, provavelmente devido ao carreamento das microalgas da região de leito para a manta de lodo do UASB. A produção de biogás foi de 10 L/hab.d (Etapa 1) e 6 L/hab.d (Etapa 2). A produção estimada de metano foi 6 L/hab.d (Etapa 1) e 4 L/hab.d (Etapa 2). Como consequência, a potência disponível do biogás efetivamente capturado foi de 0,18 kW (0,0024 kW/hab) e 0,11kW (0,0015 kW/hab) nas etapas 1 e 2, respectivamente. Atribui-se à diminuição da COV aplicada e Temperatura à queda na produção de metano na etapa 2. O resultado do balanço de massa de DQO sugere que o processo de codigestão anaeróbia contribuiu para o aumento da DQO convertida em lodo anaeróbio. Esse aumento relativo da produção de lodo pode estar relacionado com a não digestão das microalgas, as quais são capturadas pelo lodo do reator, mas não são totalmente digeridas por ele. A DQO das microalgas pouco contribuiu para a produção de metano no UASB neste estudo. Por fim, concluiu-se que para aumentar a conversão do material orgânico no reator deve-se operar o UASB à máxima idade do lodo e pré-tratar o lodo algáceo antes do processo de codigestão anaeróbia.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Modelación Matemática / El propósito de esta tesis es el estudio de algunos problemas que surgen desde la ingeniería de bioprocesos. En particular, el análisis del comportamiento y el cultivo óptimo de microalgas y la conexión de múltiples bioreactores. Se proponen y analizan tres problemas. El primero se basa en un reciente trabajo en el cual los autores alteran el clásico modelo de Monod incorporando incidencia de luz en la dinámica a través de la función de crecimiento de la biomasa. La idea es estudiar un problema de optimización no lineal más general, el cual considera la maximización de la biomasa de microalgas promedio respecto del tiempo, para diferentes intervalos temporales. La dificultad matemática que se presenta tiene relación con que la discontinuidad en los intervalos de tiempo provoca la no diferenciabilidad en partes del dominio temporal. Esta falta de regularidad implica la formulación de un problema de optimización no suave. En el segundo problema se analiza un modelo matemático reducido de un estanque de microalgas con nitrificación, asumiendo que las microalgas pueden crecer, ya sea consumiendo nitrato como amonio, con preferencia por el amonio. La limitación de luz por auto-sombreado también es incluida en la tasa de crecimiento de microalgas como inhibición no competitiva. Es factible reducir el sistema usando la teoría de sistemas asintóticamente autónomos y el sistema limitante obtenido se puede considerar como una perturbación de un sistema de dos especies que compiten por un sustrato. Por lo tanto, utilizamos un resultado de sistemas perturbados no evanescentes para obtener teorema de estabilidad que demuestra la coexistencia. El último problema tiene relación con sistemas compartimentados. Se prueba que para una gran clase de sistemas entrada-salida positivos de dimensión finita que representan redes de transporte y difusión de soluto entre compartimentos móviles e inmóviles, existen representaciones MINC (multiple interacting continua) y MRMT (multi-rate mass transfer) algebraicamente equivalentes. Más aún, se entregan métodos explícitos para construir estas representaciones equivalentes, donde la controlabilidad de los sistemas juega un rol importante. / The purpose of this thesis is to study some problems that arise from bioprocess engineering, in particular the behaviour analysis and optimal cultivation of microalgae and the connection of multiple bioreactors. The thesis consists of three problems. The first is based on a recent study in which the authors extend the classical Monod model incorporating light incidence on the dynam-ics through the role of biomass growth. The idea is to study a more general problem of nonlinear optimization which considers maximization average biomass of microalgae versus time, for dif-ferent time intervals. The mathematical difficulty that arises is related to that discontinuity of the time intervals which causes non differentiability in some domain points. This lack of regu-larity involves the formulation of a non-smooth optimization problem. In the second problem, a reduced mathematical model of a microalgal pond with nitrification is analyzed, assuming that microalgae can grow either by ammonium consumption or by nitrate consuming, with preference for ammonium. Light limitation by self-shading is also included in the growth rate of microalgae as a noncompetitive inhibition. It is feasible to reduce the system using the theory of asymptoti-cally autonomous systems and the limiting system obtained can be considered as a perturbation of a system of two species competing for a substrate. So, we use a result of non-vanishing pertur-bated systems to obtain a strong stability theorem for equilibrium coexistence. The last problem is related to compartmental systems. It is proved that for a large class of finite dimensional input-output positive systems that represent networks of transport and diffusion of solute in mobile and immobile compartments, there exist MINC (multiple interacting continua) and MRMT (multi-rate mass transfer) algebraically equivalent representations. Moreover, we provide explicit methods to construct these representations, where controllability property is playing a crucial role. Keywords: Bioprocess, optimization, mathematical modelling, compartmental system, mi-croalgae growth, controllability. / L’objet de cette thèse est l’étude de certains problèmes liés à l’ingénierie des bioprocédés, en particulier l’analyse du comportement et de la culture optimale des microalgues et la connexion de plusieurs bioréacteurs. Trois problèmes sont proposés et analysés. Le première est basé sur une étude récente dans laquelle les auteurs modifient le modèle classique du Monod en incorpo-rant l’incidence de la lumière sur la dynamique à travers le rôle de la croissance de la biomasse. L’idée est d’étudier un problème plus général de l’optimisation non linéaire qui considère max-imisation de la biomasse moyenne de microalgues en fonction du temps, pour des intervalles de temps différents. La difficulté mathématique qui se pose est lié à la discontinuité des inter-valles de temps qui rend la fonction à optimiser non différentiable. Ce manque de régularité comprend la formulation d’un problème d’optimisation non-lisse. Dans le deuxième problème, un modèle réduit du réservoir microalgues avec nitrification est analysé, en supposant que les microalgues peuvent se développer à partir de la consommation de nitrate et d’ammonium, de préférence par l’ammonium. La limitation de la lumière par l’auto-ombrage est également inclus dans le taux de croissance du microalgues comme inhibition non compétitive. En réduisant le système en utilisant la théorie des systèmes asymptotiquement autonomes, il peut être considéré comme une perturbation d’un système de deux espèces en compétition pour un substrat. Par conséquent, nous utilisons un résultat de systèmes perturbés non-évanescentes pour obtenir un théorème de stabilité pour la coexistence. Le dernier problème est lié aux systèmes compartimen-tés. Il est prouvé que pour une grande classe de systèmes entrées-sorties positifs de dimension finie, représentant transport et diffusion de soluté entre des compartiments mobiles et immobiles, il existe des représentations MINC (multiple interacting continua) et MRMT (multi-rate mass transfer) algébriquement équivalentes. En outre, des méthodes explicites sont donnés pour construire ces représentations équivalentes, où la contrôlabilité des systèmes joue un rôle important. Mots clés: Bioprocédés, optimisation, modélisation mathématique, systèmes compartimen-taux, croissance des microalgues, contrôlabilité. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Conicyt Beca de Doctorado Nacional y CONICYT PAI / Concurso Nacional Tesis de Doctorado en la Empresa, convocatoria 2014, 781413008