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Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores. / Considered a sustainable fuel, ethanol produced from sugar cane, leaves a major liability during its production process, which has been deposited in the own sugar cane fields. The vinasse is generated, on average, in the proportion of 12 liters per liter of produced ethanol, is rich in different nutrients, which can be used for many purposes, such as the microalgae cultivation. This study evaluated in the first step the vinasse clarification by coagulation with cationic polymer, followed by crossflow microfiltration on a hollow fibers filter, which enable a reduction over 77% for apparent color, 99%for turbidity and 20% for COD, facilitating the use of this effluent for microalgae cultivation. In a second step, was evaluated the microalgae Chlorella vulgaris cultivation in bench scale and batch operation, in a medium prepared from the vinasse dilution in water from a deep well, getting an increase in the biomass production, measure in terms of chlorophyll-a, for a vinasse concentration below 7.5%, and an inoculum of approximately 106 individuals. These data allowed the microalgae cultivation in a continuous flow pilot-scale photobioreactor, which produced biomass that was used in the next stages of the study, for the evaluation of the biomass separation by dissolved air flotation. The first DAF tests carried out in bench scale and batch operation allowed to identify the optimum operation conditions, which were then evaluated in a continuous flow pilot scale dissolved air flotation unit (DAF). The DAF unit produced a sludge with a solid content greater than 2%, which was submitted to a final dewatering by centrifuge. The dewatering tests allowed to check that the use of the same polymer used for the clarification step, permit to obtain a more stable sludge when compared with the sludge without chemical add, and in the best cationic polymer dosage of 6 g.kg-1. The conclusion of this work has shown the possibility of use vinasse as a grow medium for microalgae cultivation, reducing one of impacts caused by ethanol production. In addition, it was possible to observe the potential of FAD, for biomass thickening, produced in photobioreactors.

O objetivo desta tese foi explorar o sistema de produção de proteínas heterólogas em microalga com ênfase em Chlamydomonas reinhardtii por meio de: (1) desenvolvimento de um fotobiorreator tubular fechado de escala laboratorial, utilizando técnicas de manufatura digital; (2) avaliação de 7 diferentes proteínas fluorescentes (mTagBFP, Cerulean, Emerald, crGFP, cOFP, tdTomato e mCherry), como sistema reporter de secreção de proteínas em microalga; (3) avaliação do fotobiorreator desenvolvido utilizando cultivo de cepas recombinantes; (4) desenvolvimento de novos peptídeos sinais para secreção de proteínas em C. reinhardtii; (5) avaliação da produção de um biofármaco (hialuronidase) em microalgas, por meio da expressão de duas isoenzimas codificadas pelos genes HYA1 e SPAM1 em C. reinhardtii. O fotobiorreator tubular foi avaliado quanto a sua capacidade de resistir ao processo de esterilização por autoclavação e seu desempenho por meio do cultivo de cepa recombinante secretando mCherry. A fluorescência das proteínas fluorescentes foi medida por leitor de placas de fluorescência e visualizada intracelularmente por microscopia confocal de fluorescência. A atividade de hialuronidase foi determinada através de um ensaio enzimático turbidimétrico. O desenvolvimento do fotobiorreator resultou em um sistema fechado resistente a autoclavação, com capacidade de cultivo de cepas recombinantes de C. reinhardtii. Esse fotobiorreator proporcionou uma produtividade máxima de 10 mg/L.d de mCherry da cepa recombinante em sistema fechado, com velocidade específica de crescimento máxima de 1,27 d-1 para a cepa recombinante testada. Todas as proteínas fluorescentes avaliadas apresentaram capacidade de secreção por C. reinhardtii, com diferentes níveis de interferências em sua medição, permitindo a escolha da mCherry como proteína reporter. Entre os peptídeos sinais avaliados (quatro descritos na literatura - BiP, ARS1, CAH1 e IBP1 - e seis preditos), o peptídeo predito \"SP5\" foi o que apresentou maior capacidade de secreção, determinado por níveis de fluorescência no sobrenadante. A avaliação dos peptídeos sinais constatou a necessidade de explorar o desenvolvimento de sistemas de expressão (e.g. vetores de expressão) aliados a análises computacionais, como o SignalP 4.0. Por último, os dados desse estudo mostram que C. reinhardtii transformadas com o vetor de expressão foi capaz de produzir as duas isoformas de hialuronidase em sua forma ativa, evidenciando a capacidade desse sistema para a produção de biofármacos. Portanto, nesta tese o sistema de expressão de proteínas heterólogas baseado em microalgas foi explorado, atingindo os objetivos propostos. O fotobiorreator desenvolvido tem a capacidade de esterilização em escala laboratorial (1) e em cultivo com cepa recombinante propiciou elevada produtividade (3). As proteínas vermelhas fluorescentes apresentaram-se como as proteínas com menores interferências para estudos de secreção em C. reinhardtii (2). Além disso, o peptídeo predito SP5 apresentou o melhor desempenho na secreção de proteínas (4) e o vetor de expressão empregado permitiu a identificação de cepas produtoras de biofármaco hialuronidase (5). Portanto, o sistema de produção de proteínas heterólogas por microalgas é um sistema promissor e poderá permitir, utilizando sistemas de secreção, obter proteínas de alto valor comercial a baixos custos, empregando a secreção e técnicas de cultivo como a fermentação extrativa. / In this thesis, the heterologous protein production in microalgae with emphasis on Chlamydomonas reinhardtii was explored through: (1) development of a laboratory scale closed tubular photobioreactor using digital manufacturing techniques; (2) evaluation of different fluorescent proteins (mTagBFP, Cerulean, Emerald, crGFP, cOFP, tdTomato and mCherry) as a reporter system for protein secretion in microalgae (3) evaluation of photobioreactor developed using recombinant strains culture; (4) development of new signals peptides for protein secretion in C. reinhardtii (5) expression evaluation of a biopharmaceutical (Hyaluronidase) in microalgae, through the expression of two isoenzymes encoded by the HYA1 and SPAM1 genes in C. reinhardtii. The tubular photobioreactor was evaluated for its ability to resist sterilization process by autoclaving and its performance by culturing recombinant strain secreting mCherry. Fluorescence of fluorescent proteins was measured by fluorescence plate reader and observed intracellularly by confocal fluorescence microscopy. The hyaluronidase activity was determined by a turbidimetric enzymatic assay. The development of the photobioreactor resulted in a closed system resistant to autoclaving, capable of culturing recombinant strains of C. reinhardtii. This recombinant strain achieved a maximum productivity of 10 mg/L.day of mcherry in the closed system, with a maximum growth rate of 1.27 d-1 for the recombinant strain tested. All the fluorescent proteins evaluated had C. reinhardtii secretion capacity, with different interference levels in their measurement, allowing the selection of mCherry as a reporter protein. Among the evaluated peptides (four described in the literature - BiP, ARS1, CAH1 and IBP1 - and six predicted), the predicted peptide \"SP5\" was the one that presented greater capacity of secretion, determined by levels of fluorescence in the supernatant. The results of this study point out the need to explore the development of biological systems (i.e., expression vectors) allied to computational analysis. Finally, the data from this study showed that C. reinhardtii could produce the two isoforms of hyaluronidase in its active form, evidencing the capacity of this system to produce biopharmaceuticals. Therefore, in this thesis the heterologous protein expression system based on microalgae was explored, reaching the proposed objectives. The developed photobioreator has sterilization capabilityin laboratorial scale (1) and in culture with recombinant strain had high productivity (3). The red fluorescent proteins was found as the most suitable proteins for studies of secretion in C. reinhardtii with lower interference levels(2). In addition, the predicted SP5 peptide showed the best performance in protein secretion (4) and the expression vector employed allowed the identification of strains producing biopharmaceutical hyaluronidase (5). Therefore, the system of heterologous proteins production by microalgae is promising and will allow, using secretion systems, to obtain proteins of high commercial value at low costs, using secretion and cultivation techniques such as extractive fermentation.

Au cours des dernières années, la culture de microalgues est largement étudiée pour produire des biocarburants et d’autres produits de valeur en fixant le dioxyde de carbone de l’atmosphère, afin d’atténuer simultanément les effets du changement climatique et de réduire la dépendance à l’égard des carburants fossiles. En comparaison avec les systèmes ouverts, les photobioréacteurs fermés sont davantage utilisés en laboratoire, car ils permettent de contrôler avec précision les facteurs environnementaux tels que le pH, la concentration en éléments nutritifs, etc. Le principe de fonctionnement d’un photobioréacteur repose sur l’injection de bulles dans le milieu de culture pour (i) apporter du dioxyde de carbone aux cellules (ii)agiter le liquide. Par l’apport d’énergie lumineuse les cellules transforment le carbone inorganique en carbone organique par photosynthèse. Ainsi, les phénomènes physiques - l’écoulement, transfert de matière, transfert radiatif - et les phénomènes biologiques - photosynthèse, croissance cellulaire et mort - coexistent dans un photobioréacteur. Plus important encore, tous les phénomènes de base ne sont pas complètement indépendants les uns des autres. Des recherches récentes ont révélé que le comportement des bulles avait également une incidence directe sur le processus biologique. En raison du comportement significatif des bulles sur la productivité d'un photobioréacteur, la génération de bulles a été étudiée dans cette thèse au moyen de méthodes expérimentales et numériques.Dans l'étude expérimentale, nous avons conçu puis fabriqué un nouveau photobioréacteur afin d'étudier le bullage in situ. L’emploi d’une technique d’ombroscopie couplée à une caméra vidéo a permis l’enregistrement de séries de bulles. Les images traitées ont permis de mesurer des caractéristiques de bulles (fréquence, volume, facteur de forme). Le volume moyen de bulle et la fréquence de formation de bulles augmentent avec le débit de gaz. De plus, la distribution volumique monodisperse à faible débit devient de plus en plus polydisperse par l’accroissement de celui-ci. L’évolution de la forme des bulles lors de leur remontée dans le liquide a été évaluée par l’emploi de facteurs de forme. Ces facteurs diminuent avec la remontée des bulles et traduisent une déformation horizontalement. A débit élevé, les formes des bulles oscillent et coalescent plus fréquemment.La simulation du bullage a été réalisé par l’emploi d’une méthode Volume of Fluid (VOF) et d’une bibliothèque open source de mécanique numérique des fluides OpenFOAM. Ces choix de méthodes sont motivés en raison de la robustesse d'OpenFOAM en matière de simulation d'écoulements diphasiques rapportée dans la littérature. Une première étude numérique de simulation 2D a permis de déterminer les valeurs appropriées des paramètres numériques (nombre de Courant et la taille du maillage) tout en minimisant le temps de calcul par rapport à une pré-étude 3D. Sans surprise, nous avons déterminé que la taille des mailles devait être inférieure au diamètre de la buse pour obtenir des résultats significatifs. De façon plus surprenante, nous avons observé que le nombre maximum de Courant n’a pas d’importance particulière pour ces simulations (dans une limite raisonnable : 0 à 1). Les simulations 3D ont été menées sur un supercalculateur. Elles ont montré que le volume des bulles et l’évolution de leur forme calculées numériquement étaient en accord avec les résultats expérimentaux. Cependant, les simulations 3D n’ont pas permis de représenter la polydispersité de la distribution volumique des bulles en raison d’un temps de calcul nécessaire trop important pour générer une population de bulles suffisamment nombreuse. Au final, l'outil numérique a aussi été utilisé avec succès pour explorer plusieurs caractéristiques hydrodynamiques de mélange dans le liquide. / The working principle of a typical photobioreactor is to inject gas bubbles into the culture medium, providing CO2 to the cells and also stirring the liquid. Subsequently, the cells convert inorganic carbon into organic carbon through photosynthesis under illumination. Therefore, physical phenomena, e.g. bubbly flow, mass transfer, radiative transfer, and biological phenomena, e.g. photosynthesis, cell growth and death, coexist in a photobioreactor. More importantly, all the basic phenomena are not completely independent to each other. For example, bubble volume and bubble shape can influence gas-liquid mass transfer according to Young-Laplace equation and Henry's law. Moreover, some recent research revealed that bubble behaviors also directly affect the biological process. In view of the important impact of bubble behaviors on productivity of a phototbioreactor, the bubbly flow was investigated in this thesis by both experimental and numerical methods.In the experimental study, we first manufactured a new photobioreactor in order to study the bubbles and other phenomena. Subsequently, the bubbles were captured by high speed camera by virtue of a shadowgraphy technique and bubble behaviors were obtained by processing and analyzing the images. From the experimental results, we found that both averaged bubble volume and bubbling frequency increased with gas flow rate. Furthermore, we also discovered that the distribution of bubble volume was almost monodisperse at low flow rate, and it became more and more polydisperse with increasing flow rate. Regarding bubble shape evolution, we used two shape factors, viz. aspect ration and circularity, to quantitatively study it. We found that both shape factors dropped rapidly during bubble rising (within the limit of the field of view of our video camera), which implied that bubbles were flattened in the course of rising. Nonetheless, bubbles became more vertically elongated at higher flow rate, partially due to the more frequent bubble coalescence at higher flow rate.In the numerical study, we adopted VOF method and OpenFOAM, an open source CFD library, as our numerical tool to represent bubbly flow. First of all, the robustness of OpenFOAM in simulating two-phase flow was validated by literature survey. Subsequently, 2D simulations were carried out for seeking the appropriate and not very time-consuming numerical parameters, i.e. maximum Courant number and mesh size. We found that mesh size should somehow be smaller than the nozzle diameter to have meaningful results. On the other hand, maximum Courant number had no particular importance in the simulations (as long as between 0 and 1). Furthermore, 3D simulations were in good agreement with the experiments in terms of bubble volume and bubble shape evolution. However, 3D simulations were not able to represent the polydispersity of bubble volume due to the limited computing power. In addition, several hydrodynamic characteristics were also explored by the proposed numerical tool, which gave reasonable results.To conclude, bubble behaviors were successfully captured by experimental methods and represented by numerical methods in this thesis, which will help us go further in understanding the complicated physical-biological phenomena of a photobioreactor.

O objetivo desta tese foi explorar o sistema de produção de proteínas heterólogas em microalga com ênfase em Chlamydomonas reinhardtii por meio de: (1) desenvolvimento de um fotobiorreator tubular fechado de escala laboratorial, utilizando técnicas de manufatura digital; (2) avaliação de 7 diferentes proteínas fluorescentes (mTagBFP, Cerulean, Emerald, crGFP, cOFP, tdTomato e mCherry), como sistema reporter de secreção de proteínas em microalga; (3) avaliação do fotobiorreator desenvolvido utilizando cultivo de cepas recombinantes; (4) desenvolvimento de novos peptídeos sinais para secreção de proteínas em C. reinhardtii; (5) avaliação da produção de um biofármaco (hialuronidase) em microalgas, por meio da expressão de duas isoenzimas codificadas pelos genes HYA1 e SPAM1 em C. reinhardtii. O fotobiorreator tubular foi avaliado quanto a sua capacidade de resistir ao processo de esterilização por autoclavação e seu desempenho por meio do cultivo de cepa recombinante secretando mCherry. A fluorescência das proteínas fluorescentes foi medida por leitor de placas de fluorescência e visualizada intracelularmente por microscopia confocal de fluorescência. A atividade de hialuronidase foi determinada através de um ensaio enzimático turbidimétrico. O desenvolvimento do fotobiorreator resultou em um sistema fechado resistente a autoclavação, com capacidade de cultivo de cepas recombinantes de C. reinhardtii. Esse fotobiorreator proporcionou uma produtividade máxima de 10 mg/L.d de mCherry da cepa recombinante em sistema fechado, com velocidade específica de crescimento máxima de 1,27 d-1 para a cepa recombinante testada. Todas as proteínas fluorescentes avaliadas apresentaram capacidade de secreção por C. reinhardtii, com diferentes níveis de interferências em sua medição, permitindo a escolha da mCherry como proteína reporter. Entre os peptídeos sinais avaliados (quatro descritos na literatura - BiP, ARS1, CAH1 e IBP1 - e seis preditos), o peptídeo predito \"SP5\" foi o que apresentou maior capacidade de secreção, determinado por níveis de fluorescência no sobrenadante. A avaliação dos peptídeos sinais constatou a necessidade de explorar o desenvolvimento de sistemas de expressão (e.g. vetores de expressão) aliados a análises computacionais, como o SignalP 4.0. Por último, os dados desse estudo mostram que C. reinhardtii transformadas com o vetor de expressão foi capaz de produzir as duas isoformas de hialuronidase em sua forma ativa, evidenciando a capacidade desse sistema para a produção de biofármacos. Portanto, nesta tese o sistema de expressão de proteínas heterólogas baseado em microalgas foi explorado, atingindo os objetivos propostos. O fotobiorreator desenvolvido tem a capacidade de esterilização em escala laboratorial (1) e em cultivo com cepa recombinante propiciou elevada produtividade (3). As proteínas vermelhas fluorescentes apresentaram-se como as proteínas com menores interferências para estudos de secreção em C. reinhardtii (2). Além disso, o peptídeo predito SP5 apresentou o melhor desempenho na secreção de proteínas (4) e o vetor de expressão empregado permitiu a identificação de cepas produtoras de biofármaco hialuronidase (5). Portanto, o sistema de produção de proteínas heterólogas por microalgas é um sistema promissor e poderá permitir, utilizando sistemas de secreção, obter proteínas de alto valor comercial a baixos custos, empregando a secreção e técnicas de cultivo como a fermentação extrativa. / In this thesis, the heterologous protein production in microalgae with emphasis on Chlamydomonas reinhardtii was explored through: (1) development of a laboratory scale closed tubular photobioreactor using digital manufacturing techniques; (2) evaluation of different fluorescent proteins (mTagBFP, Cerulean, Emerald, crGFP, cOFP, tdTomato and mCherry) as a reporter system for protein secretion in microalgae (3) evaluation of photobioreactor developed using recombinant strains culture; (4) development of new signals peptides for protein secretion in C. reinhardtii (5) expression evaluation of a biopharmaceutical (Hyaluronidase) in microalgae, through the expression of two isoenzymes encoded by the HYA1 and SPAM1 genes in C. reinhardtii. The tubular photobioreactor was evaluated for its ability to resist sterilization process by autoclaving and its performance by culturing recombinant strain secreting mCherry. Fluorescence of fluorescent proteins was measured by fluorescence plate reader and observed intracellularly by confocal fluorescence microscopy. The hyaluronidase activity was determined by a turbidimetric enzymatic assay. The development of the photobioreactor resulted in a closed system resistant to autoclaving, capable of culturing recombinant strains of C. reinhardtii. This recombinant strain achieved a maximum productivity of 10 mg/L.day of mcherry in the closed system, with a maximum growth rate of 1.27 d-1 for the recombinant strain tested. All the fluorescent proteins evaluated had C. reinhardtii secretion capacity, with different interference levels in their measurement, allowing the selection of mCherry as a reporter protein. Among the evaluated peptides (four described in the literature - BiP, ARS1, CAH1 and IBP1 - and six predicted), the predicted peptide \"SP5\" was the one that presented greater capacity of secretion, determined by levels of fluorescence in the supernatant. The results of this study point out the need to explore the development of biological systems (i.e., expression vectors) allied to computational analysis. Finally, the data from this study showed that C. reinhardtii could produce the two isoforms of hyaluronidase in its active form, evidencing the capacity of this system to produce biopharmaceuticals. Therefore, in this thesis the heterologous protein expression system based on microalgae was explored, reaching the proposed objectives. The developed photobioreator has sterilization capabilityin laboratorial scale (1) and in culture with recombinant strain had high productivity (3). The red fluorescent proteins was found as the most suitable proteins for studies of secretion in C. reinhardtii with lower interference levels(2). In addition, the predicted SP5 peptide showed the best performance in protein secretion (4) and the expression vector employed allowed the identification of strains producing biopharmaceutical hyaluronidase (5). Therefore, the system of heterologous proteins production by microalgae is promising and will allow, using secretion systems, to obtain proteins of high commercial value at low costs, using secretion and cultivation techniques such as extractive fermentation.

Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores. / Considered a sustainable fuel, ethanol produced from sugar cane, leaves a major liability during its production process, which has been deposited in the own sugar cane fields. The vinasse is generated, on average, in the proportion of 12 liters per liter of produced ethanol, is rich in different nutrients, which can be used for many purposes, such as the microalgae cultivation. This study evaluated in the first step the vinasse clarification by coagulation with cationic polymer, followed by crossflow microfiltration on a hollow fibers filter, which enable a reduction over 77% for apparent color, 99%for turbidity and 20% for COD, facilitating the use of this effluent for microalgae cultivation. In a second step, was evaluated the microalgae Chlorella vulgaris cultivation in bench scale and batch operation, in a medium prepared from the vinasse dilution in water from a deep well, getting an increase in the biomass production, measure in terms of chlorophyll-a, for a vinasse concentration below 7.5%, and an inoculum of approximately 106 individuals. These data allowed the microalgae cultivation in a continuous flow pilot-scale photobioreactor, which produced biomass that was used in the next stages of the study, for the evaluation of the biomass separation by dissolved air flotation. The first DAF tests carried out in bench scale and batch operation allowed to identify the optimum operation conditions, which were then evaluated in a continuous flow pilot scale dissolved air flotation unit (DAF). The DAF unit produced a sludge with a solid content greater than 2%, which was submitted to a final dewatering by centrifuge. The dewatering tests allowed to check that the use of the same polymer used for the clarification step, permit to obtain a more stable sludge when compared with the sludge without chemical add, and in the best cationic polymer dosage of 6 g.kg-1. The conclusion of this work has shown the possibility of use vinasse as a grow medium for microalgae cultivation, reducing one of impacts caused by ethanol production. In addition, it was possible to observe the potential of FAD, for biomass thickening, produced in photobioreactors.

abstract: Microscopic algae have been investigated extensively by researchers for decades for their ability to bioremediate wastewater and flue gas while producing valuable biomass for use as feed, fuel, fertilizer, nutraceutical, and other specialty products. Reports of the exciting commercial potential of this diverse group of organisms started appearing in the literature as early as the 1940’s. However, nearly 80 years later, relatively few successful commercial microalgae installations exist and algae have not yet reached agricultural commodity status. This dissertation examines three major bottlenecks to commercial microalgae production including lack of an efficient and economical cultivation strategy, poor management of volatile waste nutrients, and costly harvesting and post processing strategies. A chapter is devoted to each of these three areas to gain a better understanding of each bottleneck as well as strategies for overcoming them. The first chapter demonstrates the capability of two strains of Scenedesmus acutus to grow in ultra-high-density (>10 g L-1 dry weight biomass) cultures in flat panel photobioreactors for year-round production in the desert Southwest with record volumetric biomass productivity. The advantages and efficiency of high-density cultivation are discussed. The second chapter focuses on uptake and utilization of the volatile components of wastewater: ammonia and carbon dioxide. Scenedesmus acutus was cultured on wastewater from both municipal and agricultural origin and was shown to perform significantly better on flue gas as compared to commercial grade CO2 and just as well on waste nutrients as the commonly used BG-11 laboratory culture media, all while producing up to 50% lipids of the dry weight biomass suitable for use in biodiesel. The third chapter evaluates the feasibility of using gravity sedimentation for the harvesting of the difficult-to-separate Scenedesmus acutus green algae biomass followed by microfluidization to disrupt the cells. Lipid-extracted biomass was then studied as a fertilizer for plants and shown to have similar performance to a commercially available 4-6-6 fertilizer. Based on the work from these three chapters, a summary of modifications are suggested to help current and future microalgae companies be more competitive in the marketplace with traditional agricultural commodities. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Molecular and Cellular Biology 2019

Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos / Resumo: O efeito de diferentes condições para a produção de biomassa a partir do cultivo de microalgas em um fotobiorreator com iluminação com luz de LED foi estudado nesta dissertação. Com o objetivo de avaliar a produtividade de biomassa da espécie de microalga Scenedesmus sp, foram testadas quatro condições de cultivo no fotobiorreator, a saber: cultivo sem controle do fotoperíodo (iluminação durante todo o período de cultivo); cultivo com controle do fotoperíodo por um sistema eletrônico desenvolvido (12 horas de luz e 12 horas de escuro); cultivo com monitoramento da temperatura do ambiente a 20 °C; e, finalmente, cultivo com injeção de CO2 produzido por meio de um sistema de fermentação desenvolvido. O sistema eletrônico implementado é controlado por uma placa Arduino Uno, com as seguintes principais funções programadas no microcontrolador: controlar o fotoperíodo; monitorar a temperatura; e facilitar o acesso remoto aos dados dos sensores utilizados. O cultivo de microalgas da espécie Scenedesmus sp em fotobiorreator, durante 10 dias, mostrou ter uma produtividade modesta de 10,2 mg/l.dia, com um fotoperíodo de 24 horas de luz; de 13,5 mg/l.dia, com o controle do fotoperíodo de 12 horas de luz e 12 horas de escuro; de 17,8 mg/l.dia, com o monitoramento de temperatura em um ambiente com a temperatura controlada a 20 °C e controle do fotoperíodo de 12 horas de luz e 12 horas de escuro; e, finalmente, uma produtividade dentro dos níveis normais de 36,2 mg/l.dia, com o controle do... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

A photobioreactor has been designed and developed to efficiently utilize solar irradiance through spatial dilution of sunlight. The concept of spatial light dilution is simple: incident sunlight is spread over a large surface area, thus reducing the photon flux density of the light. The implementation of this technique, however, is difficult. The reactor described within uses a new approach to spatial light dilution, utilizing recently-developed optical components to diffuse concentrated sunlight inside an algae culture. Preliminary productivity tests indicate a 2-3 fold increase in productivity per unit aperture (sunlight collection area) over a control reactor with direct-sunlight. Aperture productivity of up to 15 gm m-2 day-1 and total solar efficiency of 2% were achieved. A new parameter and yield coefficient are introduced. The parameter total light delivered is defined as the quantity of photons delivered per unit volume per day. The coefficient for yield of biomass on photons is also introduced. For the organism studied in this research, Neochloris oleoabundans, the yield of biomass on photons is approximately 1.09 gm mass per mol photons. The total light delivered to a culture over 24 hours, multiplied by the yield coefficient, provides an estimate of the volumetric productivity of the reactor in sequential-batch operation. In a series of laboratory studies, the total light delivered ranged from 0.097 to 0.945 mol photons L-1 day-1, and the volumetric productivity ranged from 0.11 to 0.945 gm L-1 day-1. A reactor productivity model, integrating reactor geometry and optics with the biomass yield coefficient and volumetric productivity model, predicts that the model organism in the proposed reactor can produce an annual average of 40 gm biomass per square meter of collector area. The model predicts an annual aperture yield of 14.6 kg m-2, at 3% efficiency. This predictive model can be applied to any location that solar data exists, and the techniques can be applied to other types of organisms and reactors to provide productivity estimates.