Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2019-03-11T22:27:03Z No. of bitstreams: 1 Camila_Hinterholz_2018.pdf: 6217665 bytes, checksum: a00620aa466c15bb7a0ac5126e8c3614 (MD5) / Made available in DSpace on 2019-03-11T22:27:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Camila_Hinterholz_2018.pdf: 6217665 bytes, checksum: a00620aa466c15bb7a0ac5126e8c3614 (MD5) Previous issue date: 2018-11-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The objective of this study was to develop a laboratory-scale photobioreactor (PBR) capable of obtaining microalgae cultures with high cell density. For this, the cultivation of Poterioochromonas malhamensis was evaluated in a flat-plate PBR, built with a useful volume of 10 L. The microalga strain was isolated from an artificial lake from Toledo – PR. The whole study was based on the System Analysis Theory, in which the research was divided into four hierarchical levels. In the first level, the mass transfer (MT) parameters were evaluated by means of a fractionated factorial design (FFD) considering four factors: gas inlet flow (Qgas), CO2 in the inlet gas (φCO2), antifoam concentration (CAE) and salinity of the medium (φsal), whose adjustable values may represent the MT for the responses K_L a_(O_2 ),〖 K〗_L a_(CO_2 ),O_2^eq e CO_2^eq. Thus, the parameters K_L a_(O_2 ) (14.88 to 79.32 h-1) and K_L a_(CO_2 ) (0 to 125.40 h-1) were verified experimentally, as well as the equilibrium concentration variations: O_2^eq (37.33 to 99.66%) and CO_2^eq (0 to 98.33%) respectively, relative to the equilibrium values of the species dissolved in pure water. Still in the first level, the Euler-Euler model was used for the study of the fluid dynamics inside the PBR, with the software Comsol®, being evaluated three configurations: PBRA – without disperser; PBRB – with simple bubble disperser; and PBRC – with perforated disperser, whose bubble dispersion proposal ensured a higher frequency of the light-dark cycles, according to the simulations of water and bubbles flows performed in mono and multiphase systems, respectively. The influence of the bubble dispersion module on cell growth was verified experimentally with PBRA and PBRC runs, which showed a 175% increase in biomass production (15.7 g L-1) with use of PBRC. In the second hierarchical level, the tolerance of the strain to the adjustable conditions of the system was studied: Qgas, φCO2, in addition to temperature, lighting conditions, nutrient concentrations and organic carbon, using the pulse technique. Within the evaluated ranges, the results did not show inhibition of growth, but was accentuated in values above 30 °C. Also, at this level, assuming the production of 1 g L-1 biomass, M-8 and BG-11 media were optimized by linear mathematical programming, whose objective function subjected to constraints based elemental composition of the biomass. Therefore, the original and optimized media were evaluated regarding biomass production, as well as protein, carbohydrate, lipid and pigment chlorophyll-a, chlorophyll-b and carotenoids content of cells. ANOVA indicated the best medium for the production of biomass (M-8), whose optimized values were prepared in the nitrogen source evaluation cultures. In these, three inorganic sources – NH4NO3, NaNO3 and KNO3; and an organic – urea were compared, and it was verified by ANOVA that the most appropriate source for the production of biomass was urea. In the third hierarchical level, a growth model was proposed based on mass balances and the definitions of specific transformation velocity, conversion definition, CO2 and O2 dissociation reactions in water and Henry's Law. After applying the phenomenological modeling of unstructured and non-segregated models, a set of stoichiometric equations was built, which were used to evaluate kinetic models obtained from the literature, by which the influence of light, dissolved CO2 and O2, pH and temperature on cell growth. Using the results obtained at previous levels, the fourth-level study indicated that the simplified model proposed to describe the experimental data of Poterioochromonas malhamensis culture in closed PBR (cell growth, CO2 consumption in the gas phase, and variation in the pH of the medium) was adequate, whose simulations were also satisfactory for the consumption of the inorganic dissolved carbon species, as well as for the mass transfer between the phases. In this step, 32 kinetic and stoichiometric parameters were estimated in the fit of the proposed model to the experimental data, through an algorithm based on the Genetic Algorithms implemented in the software Maple®. Therefore, this study presented the use of the perforated bubble disperser module coupled to the proposed PBR, which allowed the achievement of what is characterized by ultra-high density culture, since ≈ 15 g L-1 of biomass were produced by the culture of P. malhamensis. It was also highlighted the possibility of optimizing important conditions for biomass cultivation, as well as for the design of PBRs, through the collection of experimental data, associated to appropriate statistical methodologies of evaluation and to kinetic and fluid dynamics modeling, according to the General Theory of Systems applied. / Este estudo teve por objetivo o desenvolvimento de um fotobiorreator (PBR) em escala laboratorial capaz de obter culturas de microalgas com alta densidade celular. Para isto, avaliou-se o cultivo de Poterioochromonas malhamensis em um PBR de placas planas, construído com volume útil de 10 L. A cepa desta microalga foi isolada de um lago artificial de Toledo – PR. Todo o estudo foi baseado na Teoria Geral de Sistemas em que se dividiu a pesquisa em quatro níveis hierárquicos. No primeiro nível avaliaram-se os parâmetros da transferência de massa, por meio de um planejamento fatorial fracionado (PFF) considerando-se quatro fatores: vazão de entrada de gás (Qgás), CO2 no gás de entrada (ϕCO2), concentração de antiespuma (CAE) e salinidade do meio (ϕsal), cujos valores ajustáveis podem representar a TM para as respostas K_L a_(O_2 ),〖 K〗_L a_(CO_2 ),O_2^eq e CO_2^eq. Com isso, foram verificados experimentalmente os parâmetros: K_L a_(O_2 ) (14,88 a 79,32 h-1) e K_L a_(CO_2 ) (0 a 125,40 h-1), bem como as variações de concentração das espécies dissolvidas no equilíbrio: O_2^eq (37,33 a 99,66%) e CO_2^eq (0 a 98,33%), respectivamente relativo aos valores de equilíbrio das espécies dissolvidas em água pura. Ainda no primeiro nível, o modelo de Euler-Euler foi utilizado para o estudo da fluidodinâmica dentro do PBR, por meio do software Comsol®, sendo avaliadas três configurações: PBRA – sem dispersor; PBRB – com dispersor de bolhas simples; e PBRC – com dispersor perfurado, cuja proposta de dispersão de bolhas garantiu maior frequência dos ciclos claro-escuro, de acordo com as simulações de fluxos de água e de bolhas realizadas em sistema mono e multifásico, respectivamente. A influência do módulo dispersor de bolhas sobre o crescimento celular foi verificada experimentalmente por ensaios feitos com o PBRA e o PBRC, a partir dos quais se verificou o aumento de 175% na produção de biomassa (15,7 g L-1) com a utilização do PBRC. No segundo nível hierárquico, foi estudada a tolerância da cepa frente às condições ajustáveis do sistema: Qgás, ϕCO2, CAE, além de temperatura, condições de iluminação, e concentrações de nutrientes e carbono orgânico, utilizando-se a técnica de pulsos. Dentro das faixas avaliadas, os resultados não mostraram inibição do crescimento, porém este foi acentuado em valores acima de 30°C. Também, neste nível, admitindo-se a produção de 1 g L-1 de biomassa, os meios M-8 e BG-11 foram otimizados por programação matemática linear cuja função objetivo sujeita a restrições baseadas na composição elementar da biomassa. Com isso, os meios originais e otimizados foram avaliados quanto à produção de biomassa, e ao teor de proteínas, carboidratos, lipídeos e pigmentos clorofila-a, clorofila-b e carotenoides. A ANOVA indicou o melhor meio para a produção de biomassa (M-8), cujos valores otimizados foram preparados nos cultivos de avaliação da fonte de nitrogênio. Nestes, três fontes inorgânicas – NH4NO3, NaNO3 e KNO3; e uma orgânica – ureia foram comparadas, verificando-se pela ANOVA que a fonte mais indicada para a produção de biomassa foi a ureia. No terceiro nível hierárquico, foi proposto um modelo de crescimento com base em balanços de massa e nas definições de velocidade específica de transformação, definição de conversão, reações de dissociação do CO2 e O2 em água e a Lei de Henry. Após a aplicação da modelagem fenomenológica de modelos não estruturados e não segregados, obteve-se um conjunto de equações estequiométricas, que foram utilizadas para avaliar modelos cinéticos obtidos da literatura, pelos quais se avaliaram a influência da luz, CO2 e O2 dissolvidos, pH e temperatura sobre o crescimento celular. Utilizando-se os resultados alcançados nos níveis anteriores, o estudo do quarto nível indicou que o modelo simplificado proposto para descrever os dados experimentais de cultivo de Poterioochromonas malhamensis em PBR fechado (crescimento celular, consumo de CO2 na fase gasosa, e variação no pH do meio) foi adequado, cujas simulações mostraram-se satisfatórias também para o consumo das espécies de carbono inorgânico dissolvido, bem como para a transferência de massa entre as fases. Nesta etapa, 32 parâmetros cinéticos e estequiométricos foram estimados no ajuste do modelo proposto aos dados experimentais, por meio de um algoritmo baseado nos Algoritmos Genéticos implementado no software Maple®. Portanto, o presente estudo apresentou a utilização do módulo dissipador de bolhas perfurado acoplado ao PBR proposto, o que permitiu a obtenção do que se caracteriza por cultura de densidade ultra alta, uma vez que ≈15 g L-1 de biomassa foram fornecidos pelo cultivo de P. malhamensis. Destacou-se, também, a possibilidade da otimização de condições importantes para o cultivo de biomassa, bem como para o projeto de PBRs, por meio do levantamento de dados experimentais, associado às adequadas metodologias estatísticas de avaliação e à modelagem cinética e fluidodinâmica, conforme se verificou pela Teoria Geral de Sistemas aplicada.

Arthrospira (Spirulina) platensis, cianobactéria fotoautotrófica, é importante comercialmente devido ao seu valor nutricional (elevado teor de proteínas, lipídios, vitaminas e minerais), além da presença do ácido graxo γ-linolênico e pigmentos, os quais agregam valor a esta biomassa. Este micro-organismo foi cultivado em fotobiorreator tubular, e os seguintes parâmetros foram avaliados: aplicação de diferentes sistemas de circulação de células, intensidades luminosas, adição simultânea de diferentes proporções de sulfato de amônio e nitrato de sódio como fontes de nitrogênio, adição de dióxido de carbono proveniente de fermentação alcoólica e, finalmente, a aplicação desta biomassa para remoção de metais pesados. Para a avaliação do sistema de circulação de células e da intensidade luminosa foram utilizadas as variáveis dependentes: concentração celular máxima (Xm), produtividade em células (Px), fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N), eficiência fotossintética (EF) e teores de proteínas e lipídios da biomassa. Os protocolos de alimentação de nitrogênio e o uso de CO2 proveniente de cilindro ou de fermentação alcoólica foram avaliados com uso das mesmas variáveis já citadas, exceto EF; e, para remoção de Ni2+, Zn2+ e Pb2+ em solução aquosa foram estudados o tempo de adsorção e a influência da concentração inicial de metal em solução; com posterior cálculo da eficiência e capacidade de adsorção, e apresentação de modelos cinéticos e isotermas de equilíbrio. A melhor combinação de resultados em valores médios (Xm = 4055 mg L-1, Px = 406 mg L-1 d-1, YX/N = 5,07 mg mg-1, lipídios totais = 8,94%, proteínas totais = 30,3%, EF = 2,04%) foi obtida nos cultivos realizados com intensidade luminosa = 120 µ mol fótons m-2 s-1. O tipo de sistema de circulação de células utilizado não influenciou estatisticamente quase nenhuma das respostas estudadas e isto indica a possibilidade de substituição do sistema tradicional airlift pelos outros testados neste trabalho. A mistura da menor quantidade de nitrato em relação à de amônio (protocolo I) resultou na melhor combinação de resultados das variáveis dependentes analisadas(Xm = 4,543 g L-1; Px = 0,460 g L-1 d-1; YX/N = 15,6 g g-1; lipídios totais = 8,39% e proteínas totais = 18,7 %). O tipo da fonte de CO2 não exerceu nenhuma influência estatística no crescimento de A. platensis, o que indica a possibilidade do uso do resíduo (CO2) proveniente de fermentação alcoólica nos cultivos desta cianobactéria. A adsorção dos metais pela biomassa seca de A. platensis reduziu à medida que houve aumento da concentração inicial de metal, e a maior eficiência de adsorção foi para o metal Pb2+ (78%). Chlorella quando comparada à Arthrospira foi considerada melhor adsorvente, devido ao maior valor de eficiência de remoção (86,5%). O modelo, cinético de Ho e Mckay e os modelos de equilíbrio de Langmuir e Freundlich se adequaram bem ao processo de adsorção desta célula. / Arthrospira (Spirulina) platensis, photoautotrophic cyanobacterium, is commercially important due its high nutritional value (high content of proteins, lipids, vitamins, and minerals), besides of the presence of γ-linolenic fatty acids and pigments, which add value to this biomass. This microorganism was cultivated in tubular photobioreactor and the following parameters were evaluated: application of different cell circulation systems, light intensities, different protocols of simultaneous ammonium sulfate and sodium nitrate feeding, addition of CO2 from ethanol fermentation and, finally, the application of this biomass to the heavy metal removal. The dependent variables [maximum cell concentration (Xm), cell productivity (Px), nitrogen-to-cell conversion factor (YX/N), photosynthetic efficiency (EF) and proteins and lipids contents] were used to evaluate the influence of cell circulation systems and the light intensities. The nitrogen feeding protocols and the use of CO2 from cylinder or ethanol fermentation were evaluated using the same parameters aforementioned, except EF; and to analyze Ni2+, Zn2+ and Pb2+ removal, the adsorption time and the influence of initial metal concentration were evaluated with subsequent calculation of the efficiency and capacity adsorption. The kinetic models and equilibrium isotherms were also presented. The best combination of responses\' mean values (Xm = 4055 mg L-1, Px = 406 mg L-1 d-1, YX/N = 5.07 mg mg-1, total lipids = 8.94%, total proteins = 30.3%, EF = 2.04%) was obtained at light intensity = 120 µ mol photons m-2 s-1. The cell circulation system did not exert statistical significant influence on almost all the responses, which suggests that the traditional airlift system could successfully be substituted by the others tested in this work. The mixture of the lower amount of nitrate in relation to ammonium (protocol I) (Xm = 4,543 g L-1; Px = 0,460 g L-1 d-1; YX/N = 15,6 g g-1; total lipids = 8,39% and total proteins = 18,7 %) resulted in the best combination of responses\' mean values. The kind of CO2 source did not exerted any statistical influence on A. platensis growth, which suggests the possibility of using the ethanol fermentation residue (CO2) in the cyanobacterium cultivation. The metal adsorption by A. platensis biomass reduced with increasing initial metal concentration and the adsorption efficiency was higher for metal Pb2+ (78%). Chlorella was considered a better biosorbent when compared to Arthrospira because of the higher values of removal efficiency (86.5%). The kinetic (Ho and McKay) and equilibrium (Langmuir and Freundlich) models are well suited to the adsorption process of this cell.

Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-06-11T23:43:24Z No. of bitstreams: 1 JOSÉ FRANCIRALDO DE LIMA – TESE (PPGEP) 2016.pdf: 11638647 bytes, checksum: edab69542eea5017c7786eea5cef2ded (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-11T23:43:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSÉ FRANCIRALDO DE LIMA – TESE (PPGEP) 2016.pdf: 11638647 bytes, checksum: edab69542eea5017c7786eea5cef2ded (MD5) Previous issue date: 2016-08 / As microalgas produzem quantidades elevadas de compostos, principalmente lipídeos e açúcares. Quando essas são submetidas a variações de nutrientes podem elevar consideravelmente a concentração desses compostos, os quais são empregados para a produção de alimentos, biocombustíveis, cosméticos e componentes farmacêuticos. Esta pesquisa objetivou realizar o cultivo da microalga Chlorella sp., em fotobiorreator aberto de campo com diferentes concentrações de nutrientes, em seis tratamentos distintos (TC, T1, T2, T3, T4 e T5), secar as biomassas dos diferentes tratamentos e caracterizá-las quanto aos parâmetros físicos, químicos e físicos-químicos, como também construir suas isotermas de adsorção de umidade a 25ºC. A estirpe utilizada neste trabalho foi isolada da barragem da Conceição, localizada na Fazenda Tamanduá, Santa Teresinha, PB, e o meio utilizado foi meio MC. (Medium Chlorella ellipsodea). As características da microalga durante 16 dias de cultivo foram avaliadas com relação ao crescimento celular (peso úmido e peso seco), teor de lipídeos e açúcares totais. De acordo com os resultados verificou-se que a maior produção de biomassa daChlorella sp. em termos de peso seco, foi alcançada nos tratamentos TC, T1, T2 e T5 no 10º dia de cultivo e que com a redução nos tratamentos das concentrações de nitrogênio, fósforo, potássio e ferro houve aumento da síntese de lipídeos; para os tratamentos T3 e T4 o maior peso seco foi atingido no 12º e 16º dias de cultivo, respectivamente. A redução nas concentrações dos elementos nitrogênio, fósforo, potássio e ferro não favoreceru o aumento da produção dos minerais, proteínas, clorofila e feofitina. Os modelos de GAB, Peleg e Oswin podem ser usados para estimar as isotermas de adsorção de umidade, a 25ºC, da Chlorella sp. secas de todos os tratamentos,e foram classificadas como tipo II (TC, T1 e T5) e tipo III (T2, T3 e T4). Diante dos resultados constatou-se que a produção da biomassa da Chlorella sp. apresenta grande potencial de aplicação industrial para a produção de lipídeos e carboidratos com menores concentrações de NPK e ferro, que são os elementos de maior custo na produção de biomassa para aplicações nas áreas de alimentos e energia. / Microalgae produce high amounts of the compounds, mainly lipids and sugars. When these are subjected to nutrient variations can greatly increase the concentration of these compounds, which are used for food production, biofuel, cosmetic and pharmaceutical components. This research aimed to carry out the cultivation of icroalgae Chlorella sp.,Open photobioreactor field with different concentrations of nutrients in six different treatments (TC, T1, T2, T3, T4 and T5), dry biomasses of different treatments and character- them as to the physical, chemical and physical-chemical parameters, but also build their moisture adsorption isotherms at 25 ° C. The strain used in this study was isolated from the Conception dam, located in Tamanduá Farm, Santa Teresinha, PB, and the medium was medium MC. (Medium Chlorella ellipsodea). The microalgae features for 16 days of culture were evaluated with respect to cell growth (wet weight, dry weight), lipid content and total sugars. According to the results it was found that the higher biomass Chlorella sp. in terms of dry weight was achieved in the TC treatment, T1, T2 and T5 on the 10th day of culture and treatments with the reduction in the concentrations of nitrogen, phosphorus, potassium and iron was increased lipid synthesis; for treatments T3 and T4 the highest dry weight was achieved in the 12th and 16th day of cultivation, respectively. The reduction in the concentrations of the elements nitrogen, phosphorus, potassium and iron did not favor increased production of minerals, proteins, chlorophyll and pheophytin. The models of GAB, Oswin Peleg and can be used to estimate the moisture adsorption isotherms at 25 ° C, the Chlorella sp. dry all treatments and were classified as Type II(CT, T1 and T5) and type III (T2, T3 and T4). From the results it was found that the production of biomass Chlorella sp. It has great potential forindustrial application for the production of lipids and carbohydrates with lower NPK and ironconcentrations, which are the largest cost component in the production of biomass for applications in the areas of food and energy.

A produção da cianobactéria Arthrospira (Spirulina) platensis é considerada de interesse nas indústrias de alimentos, farmacêuticas e químicas. Diferentes fontes de nitrogênio alternativas têm sido sugeridas na literatura para seu cultivo, incluindo uréia e sais de amônio, visando à diminuição no custo do meio de cultivo. A perda de amônia por degasificação ocorre quando utilizados tanques abertos, justificando dessa forma o uso da associação de fontes de nitrato e de amônia em fotobiorreatores fechados. O nitrato de amônio (NH4NO3) contorna estas condições, proporcionando ao cultivo uma fonte de nitrogênio prontamente assimilável (amônio) e outra de reserva (nitrato), no mesmo composto. Neste trabalho verificou-se, pelo uso de um planejamento fatorial 22 com configuração de estrela, a influência da intensidade luminosa (I) e da adição de diferentes concentrações de NH4NO3 (mM), no crescimento e composição da biomassa de A. platensis em cultivos realizados em fotobiorreator tubular por processo descontínuo alimentado, utilizando um tempo de 6 dias alimentação para a fonte de nitrogênio. Parâmetros cinéticos de crescimento, como concentração celular máxima (Xm), produtividade em células (PX) e o fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N), bem como o teor de proteínas e lipídios na biomassa foram avaliados. Através do uso da regressão multivariável para a otimização das condições experimentais, foram obtidos valores de Xm e de PX correspondentes a 4710 mg L-1 e 478,9 mg L-1d-1, respectivamente, pelo emprego de I = 148 µmol fótons m-2 s-1 e a adição de 9,7 mM de NH4NO3. O maior valor de YX/N registrado foi 8,1 mg mg-1, sendo superior aos obtidos com nitrato de sódio (0,80 mg mg-1). Os teores de proteína e de lipídios alcançaram valores de até 63,2 e 17,3 %, respectivamente. O emprego de NH4NO3 conduziu à redução dos custos de produção, sendo gastos em média R$ 15,97 da fonte de nitrogênio por quilograma de células, valor inferior se comparado com outras fontes usadas no cultivo de A. platensis como NaNO3 (R$ 59,10 por quilograma de células). O uso do NH4NO3 em fotobiorreator tubular mostrou-se promissor para o cultivo de A. platensis, ao proporcionar um aumento na produção de biomassa e diminuir a perda de amônia por degasificação. / The production of the cyanobacterium Arthrospira (Spirulina) platensis is considered of interest to the food, pharmaceutical and chemical industries. Alternative nitrogen sources have been suggested in literature, including urea and ammonium salts, in order to reduce the cost of cultivation medium. Ammonia off-gassing occurs when open ponds are used, thus justifying the utilization of nitrate and ammonia sources association. Ammonium nitrate (NH4NO3) attend this condition, providing the cultivation with a nitrogen source readily assimilated (ammonium) and with one of reserve (nitrate), in the same molecule. In this work, it was verified, using a 22 factorial design with star configuration, the influence of light intensity (I) and the addition of different concentrations of NH4NO3 (mM) on the growth and biomass composition of S. platensis in cultures carried out in tubular photobioreactor by fed-batch process, using a 6-day feeding time of the nitrogen source. Kinetic growth parameters, such as maximum cell concentration (Xm), cell productivity (Px) and yield of nitrogen to biomass (YX/N), as well the biomass content of protein and lipids, were evaluated. Through the use of regression analysis for the optimization of experimental conditions, values of Xm and PX such as 4710 mg L-1 and 478.9 mg L-1d-1, respectively, were obtained by the use of I = 148 µmol photons m-2 s-1 and the addition of 9.7 mM of NH4NO3. The highest value of YX/N obtained was 8.1 mg mg-1, higher than that provided by the use of sodium nitrate (0.80 mg mg-1). The levels of protein and lipid achieved up to 63.2 and 17.3 %, respectively. The use of NH4NO3 led to the reduction of culture medium costs, in which R$ 15.97 (Real/Brazil) were spent on nitrogen source per kilogram of cells, value that is lower if compared to other common sources used for A. platensis growth, such as NaNO3 (R$ 59.10 per kilogram of cells, Real/Brazil). The use of NH4NO3 in tubular photobioreactor proved to be promising for the cultivation of A. platensis, leading to an increase in biomass production and diminishing the ammonia lost by off-gassing.

Microalgae, photosynthetic microorganisms, are rich in lipids, polyunsaturated fatty acids, carbohydrates, proteins, vitamins, as well as carotenoids, which are antioxidants that may protect human body from various diseases including obesity, cardiovascular disease, vision-related diseases such as macular degeneration and certain types of cancer. These natural pigments have applications in the pharmaceutical (nutraceutical), food (coloring, functional food, and supplements), and cosmetics industries (e.g. sunscreen), as well as in aquaculture (animal feed). The Dunaliella salina microalga can synthesize 10% of dry weight in &#946;-carotene (orange pigment, pro-vitamin A activity) under high light intensity and nitrogen and phosphorus limitation, among other stress conditions. The first chapter of this thesis presents a review focused on microalgae carotenoids: culture systems, mode of operation, and applications. In this bibliographic survey, the advantages of microalgae cultivation in relation to traditional sources (higher plants) were discussed, as well as a discussion of the main cultivation systems and their importance in cell growth. This review presented a critical analysis of the different operational regimes like batch, fed-batch, semi-continuous and continuous. Relevant information on the most important world producers of microalgae carotenoids were presented. Chapter II presents the development of a modified method of dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME) for rapid extraction of &#946;-carotene from Dunaliella salina cultivated in tubular photobioreactor, with subsequent development of a rapid chromatographic screening method using a C4 column for separation of geometric isomer of &#946;-carotene. The use of benzene as extraction solvent and water with 50% acetone as dispersant provided the best condition for the extraction of this carotenoid. In HPLC (High Performance Liquid Chromatography), employing mobile phase composed of methanol and water (95:5, v/v), it was possible to detect/quantify &#946;-carotene at 14 min (retention time). Besides the short analysis time (<20 min), by the miniaturized extraction (< 10 mL organic waste) this method abide by green chemistry analytical principles. It is known that nitrogen, phosphorus, as well as carbon and vitamins are vital elements for the growth of microalgae, also determining the biochemical composition of biomass. In this sense, Chapter III presents the study of the influence of different amounts of sodium nitrate (1N = 75 mg L-1; 1.5N = 112.5 mg L-1, and 3N = 225 mg L-1) and phosphate monobasic dehydrate (1P = 5.65 mg L-1, 1.5P = 8.47 mg L-1, and 3P = 16.95 mg L-1) in seawater-based f/2 medium on the growth of Dunaliella salina and &#946;-carotene biosynthesis, by continuous process with different replenishment proportions (R = 20% and 80%). Best results of cell productivity were obtained by semicontinuous process (mean values of Px up to 6.7 x 104 cells mL-1 d-1 with medium 1N:1P; R =20%) in comparison with batch process cultivation. Maximum cell density (Xm) obtained in this work was not dependent of R, but the best results were obtained when using medium 1.5N:1.5P (mean values up to 5.6 x 105 cells mL-1 with R =80%) instead of 1N:1P. The content of &#946;-carotene in the cells, in general, was higher in cells grown in medium 1N:1P (mean yield values up to 57.5 mg g-1 with R =80%) in comparison with medium 1.5N:1.5P. The cultivation of D. salina with media 3N:3P led to a long lag phase, followed by decrease in cell density and cell lysis. The use of a tubular photobioreactor contributed to successfully cultivate this microalga without contamination by protozoa. The cultivation of Dunaliella salina in tubular photobioreactor with the use of 12:12 photoperiod was appropriate, as well as to induce carotenogenesis, in the second stage, by increasing the light intensity and absence of pH control / As microalgas, micro-organismos fotossintetizantes, são ricas em lipídios, ácidos graxos poli-insaturados, carboidratos, proteínas, vitaminas, além de carotenoides que são antioxidantes com potencial de proteger o organismo humano de várias doenças incluindo a obesidade, doenças cardiovasculares, doenças relacionadas à visão como a degeneração macular e certos tipos de câncer, entre outras. Esses pigmentos naturais têm aplicações em indústrias farmacêuticas (nutracêuticos), alimentícias (colorantes, alimentos funcionais e suplementos) e de cosméticos (exemplo: filtro solar) e na aquacultura (ração animal). A microalga Dunaliella salina é capaz de sintetizar, sob alta intensidade luminosa e limitação de nutrientes como fontes de fósforo e nitrogênio, dentre outras condições de estresse, 10 % do peso seco em &#946;-caroteno (pigmento laranja com atividade pró-vitamina A). Assim, neste trabalho, numa primeira etapa, foi feita uma revisão da literatura abordando a produção de carotenoides por microalgas, bem como sua aplicação. Nesse levantamento bibliográfico abordou-se, dentre outros assuntos, as vantagens do cultivo de microalgas em relação as fontes tradicionais (plantas superiores), assim como uma discussão dos diferentes sistemas de cultivos e sua importância no crescimento celular. Esse review apresentou uma análise crítica dos principais regimes operacionais como batch, fed-batch, semicontínuo e contínuo. Apresentou-se também informações relevantes sobre os mais importantes produtores mundiais de carotenoides de microalgas. Numa segunda etapa, foi desenvolvido um método modificado de microextração líquido-líquido dispersivo modificado (DLLME) para a rápida extração de &#946;-caroteno de Dunaliella salina cultivada em fotobiorreatores tubulares, com subsequente desenvolvimento de método cromatográfico em uma coluna C4 para a separação do isômero geométrico de &#946;-caroteno. A extração ótima de &#946;-caroteno foi obtida com benzeno como solvente extrator e água com 50% de acetona como dispersante. Empregando uma fase móvel composta por metanol e água (95:5, v/v) em HPLC, foi possível a detecção/quantificação de &#946;-caroteno com 14 minutos de tempo de retenção. Além dos tempos curtos de análises (<20 min), pela extração em volume reduzido (< 10 mL resíduos orgânicos) este método obedece aos princípios da química verde. Sabe-se que nitrogênio, fósforo, assim como carbono e vitaminas são elementos vitais para o crescimento das microalgas e também exercem influência na composição bioquímica da biomassa. Assim, na terceira etapa deste trabalho, estudou-se a influência das quantidades de nitrato de sódio (75 mg L-1, denominado 1N; 112,5 mg L-1, denominado 1,5N; 225 mg L-1, denominado 3N) e de fosfato monobásico dihidratado (5,65 mg L-1, denominado 1P; 8,47 mg L-1, denominado 1,5P; 16,95 mg L-1, denominado 3P) em meio f/2, que tem como base a água do mar, no crescimento e na síntese de &#946;-caroteno da Dunaliella salina por processo semicontínuo, com uso de frações de corte (R) de 20% e 80%. Foram obtidas produtividades celulares mais elevadas em processos semicontínuos do que em processo descontínuo, com produtividades médias de até 6,7 x 104 células mL-1 d-1 (meio 1N:1P; R =20%). A máxima concentração celular (Xm) obtida neste trabalho não foi dependente de R. Os melhores resultados de Xm foram obtidos quando se usou meio 1,5N:1,5P em vez de meio, com 1N:1P, com valores médios de até 5,6 x 105 células m L-1 (R =80%). O conteúdo de &#946;-caroteno nas células, de maneira geral, foi maior nas células cultivadas em meio 1N:1P do que no meio 1,5N:1,5P, com valores até 57,5 mg g-1 (R =80%). O cultivo de D. salina com o meio 3N:3P levou a uma longa fase lag, seguida por uma diminuição na concentração celular e sua lise. O cultivo de células em um fotobiorreator tubular contribuiu para um crescimento celular sem contaminação por protozoários. O cultivo de Dunaliella salina em fotobiorreator tubular com o uso de fotoperíodo 12:12 foi apropriado, assim como induzir a carotenogênese, no segundo estágio, por meio do aumento da intensidade luminosa e ausência de controle de pH.

A produção da cianobactéria Arthrospira (Spirulina) platensis é considerada de interesse nas indústrias de alimentos, farmacêuticas e químicas. Diferentes fontes de nitrogênio alternativas têm sido sugeridas na literatura para seu cultivo, incluindo uréia e sais de amônio, visando à diminuição no custo do meio de cultivo. A perda de amônia por degasificação ocorre quando utilizados tanques abertos, justificando dessa forma o uso da associação de fontes de nitrato e de amônia em fotobiorreatores fechados. O nitrato de amônio (NH4NO3) contorna estas condições, proporcionando ao cultivo uma fonte de nitrogênio prontamente assimilável (amônio) e outra de reserva (nitrato), no mesmo composto. Neste trabalho verificou-se, pelo uso de um planejamento fatorial 22 com configuração de estrela, a influência da intensidade luminosa (I) e da adição de diferentes concentrações de NH4NO3 (mM), no crescimento e composição da biomassa de A. platensis em cultivos realizados em fotobiorreator tubular por processo descontínuo alimentado, utilizando um tempo de 6 dias alimentação para a fonte de nitrogênio. Parâmetros cinéticos de crescimento, como concentração celular máxima (Xm), produtividade em células (PX) e o fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N), bem como o teor de proteínas e lipídios na biomassa foram avaliados. Através do uso da regressão multivariável para a otimização das condições experimentais, foram obtidos valores de Xm e de PX correspondentes a 4710 mg L-1 e 478,9 mg L-1d-1, respectivamente, pelo emprego de I = 148 &#181;mol fótons m-2 s-1 e a adição de 9,7 mM de NH4NO3. O maior valor de YX/N registrado foi 8,1 mg mg-1, sendo superior aos obtidos com nitrato de sódio (0,80 mg mg-1). Os teores de proteína e de lipídios alcançaram valores de até 63,2 e 17,3 %, respectivamente. O emprego de NH4NO3 conduziu à redução dos custos de produção, sendo gastos em média R$ 15,97 da fonte de nitrogênio por quilograma de células, valor inferior se comparado com outras fontes usadas no cultivo de A. platensis como NaNO3 (R$ 59,10 por quilograma de células). O uso do NH4NO3 em fotobiorreator tubular mostrou-se promissor para o cultivo de A. platensis, ao proporcionar um aumento na produção de biomassa e diminuir a perda de amônia por degasificação. / The production of the cyanobacterium Arthrospira (Spirulina) platensis is considered of interest to the food, pharmaceutical and chemical industries. Alternative nitrogen sources have been suggested in literature, including urea and ammonium salts, in order to reduce the cost of cultivation medium. Ammonia off-gassing occurs when open ponds are used, thus justifying the utilization of nitrate and ammonia sources association. Ammonium nitrate (NH4NO3) attend this condition, providing the cultivation with a nitrogen source readily assimilated (ammonium) and with one of reserve (nitrate), in the same molecule. In this work, it was verified, using a 22 factorial design with star configuration, the influence of light intensity (I) and the addition of different concentrations of NH4NO3 (mM) on the growth and biomass composition of S. platensis in cultures carried out in tubular photobioreactor by fed-batch process, using a 6-day feeding time of the nitrogen source. Kinetic growth parameters, such as maximum cell concentration (Xm), cell productivity (Px) and yield of nitrogen to biomass (YX/N), as well the biomass content of protein and lipids, were evaluated. Through the use of regression analysis for the optimization of experimental conditions, values of Xm and PX such as 4710 mg L-1 and 478.9 mg L-1d-1, respectively, were obtained by the use of I = 148 &#181;mol photons m-2 s-1 and the addition of 9.7 mM of NH4NO3. The highest value of YX/N obtained was 8.1 mg mg-1, higher than that provided by the use of sodium nitrate (0.80 mg mg-1). The levels of protein and lipid achieved up to 63.2 and 17.3 %, respectively. The use of NH4NO3 led to the reduction of culture medium costs, in which R$ 15.97 (Real/Brazil) were spent on nitrogen source per kilogram of cells, value that is lower if compared to other common sources used for A. platensis growth, such as NaNO3 (R$ 59.10 per kilogram of cells, Real/Brazil). The use of NH4NO3 in tubular photobioreactor proved to be promising for the cultivation of A. platensis, leading to an increase in biomass production and diminishing the ammonia lost by off-gassing.