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

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

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Dentre as diversas etapas para a transformaÃÃo de microalgas em biodiesel, os processos de separaÃÃo e a ruptura celular dessa biomassa sÃo particularmente importantes, uma vez que as tecnologias disponÃveis para este fim apresentam elevados custos, comprometendo a viabilidade do aproveitamento energÃtico. Este trabalho teve como objetivo geral estudar os mecanismos envolvidos na separaÃÃo e ruptura simultÃneas de biomassa algal pelo uso da tecnologia de eletroflotaÃÃo por corrente alternada (EFCA), com objetivo principal de extrair o conteÃdo lipÃdico da biomassa algal, assim como verificar o potencial da tecnologia na remoÃÃo de nutrientes de efluentes de lagoas de estabilizaÃÃo. Foram realizados ensaios de coagulaÃÃo/floculaÃÃo em jar test com coagulantes sintÃticos (FeCl3 e Al2(SO4)3) e orgÃnicos (Tanfloc SG e SL) com o objetivo de avaliar a decantaÃÃo quimicamente assistida na separaÃÃo de biomassa algal. Foi desenvolvido um reator de EFCA para operar em batelada, utilizando-se eletrodos nÃo consumÃveis e baixa potÃncia elÃtrica. Foi avaliado o seu potencial de separaÃÃo com e sem o auxÃlio dos mesmos coagulantes utilizados nos testes de jarro e, em seguida, buscou-se variar as frequÃncias de operaÃÃo do conjunto de eletrodos com o objetivo de verificar a condiÃÃo Ãtima para separaÃÃo e rompimento celular das microalgas. Foi tambÃm avaliada a capacidade desta metodologia na remoÃÃo de nutrientes presentes nos efluentes e elucidar os mecanismos envolvidos. Foi possÃvel a remoÃÃo de biomassa algal tanto por meio da decantaÃÃo quimicamente assistida quanto pela EFCA, sendo que a segunda à mais atrativa nÃo somente pelas eficiÃncias de remoÃÃo de turbidez e clorofila-a encontradas, como tambÃm pela nÃo necessidade aparente de utilizaÃÃo de coagulantes, o que traz economia ao processo e facilita a reutilizaÃÃo da biomassa algal. A EFCA mostrou-se ainda capaz de promover com eficiÃncia o rompimento celular das microalgas e fazer com que os lipÃdeos liberados se aderissem à biomassa algal separada pelo processo. Foi possÃvel alcanÃar um rendimento lipÃdico de atà 14% em peso de massa seca, mesmo os estudos tendo sido realizados com uma matriz diversa de microalgas proveniente das lagoas de estabilizaÃÃo. O estudo dos mecanismos envolvidos revelou a boa capacidade do sistema em gerar gÃs hidrogÃnio, o qual alÃm de ajudar na separaÃÃo das microalgal pode tornar futuramente o processo energeticamente sustentÃvel. AlÃm disso, foi verificada a geraÃÃo de espÃcies oxidantes que ajudam tanto o processo de separaÃÃo quanto possivelmente de ruptura celular. O efeito de diferentes frequÃncias de vibraÃÃo nos rendimentos lipÃdicos encontrados nÃo foi aparente. Buscou-se ainda a elucidaÃÃo dos mecanismos de remoÃÃo de fÃsforo total, o que provavelmente se deu pela formaÃÃo de ferro durante o processo, cujos valores ficaram na ordem de 2,5 mg/L depois de 70 minutos de batelada. Jà para a remoÃÃo de amÃnia, possivelmente o mecanismo foi de oxidaÃÃo indireta da amÃnia atravÃs do excesso de Ãcido hipocloroso como a forma predominante de conversÃo da mesma em nitrogÃnio gasoso, o qual ajuda no processo de separaÃÃo. A utilizaÃÃo de microalgas diretamente de lagoas de estabilizaÃÃo mostrou-se uma potencial alternativa aos processos de obtenÃÃo de biomassa tradicionalmente utilizados (fotobiorreator e lagoas do tipo raceway), sendo que a tecnologia proposta se mostrou atrativa para todos processos que demandem separaÃÃo algal. / Among the various steps for microalgae transformation in biodiesel, the harvesting and cell disruption processes are particularly important, since technologies available for this purpose have usually high costs, undermining the energy recovery viability. This work studied the mechanisms involved in the simultaneous harvesting and cell disruption of microalgae using electroflotation by alternating current (EFCA), as well as to investigate the system capacity on nutrients removal from waste stabilization ponds effluents. Coagulation/flocculation tests were performed using synthetic (FeCl3 e Al2(SO4)3) and organic (Tanfloc SG e SL) coagulants to evaluate the chemically assisted sedimentation of the algal biomass. The EFCA reactor was designed to operate in batch, using non-consumable electrodes and low electrical power, and evaluated the harvesting potential in the presence and absence of coagulants. After this, experiments were performed varying the electrode frequency to verify the optima condition for simultaneous harvesting and cell disruption of microalgae. The system capacity in terms of nutrients removal was also investigated as well as the mechanisms involved. It was possible to remove algae biomass both using chemically assisted sedimentation and EFCA. However, the electrolytic technology is more attractive, not only for the turbidity and chlorophyll-a efficiencies founded, but also because there is no apparent need of coagulants, which makes the process cheaper and facilitates the microalgae biomass reuse. The EFCA was even able to promote the cell disruption of microalgae and the liberated lipids were able to attach to the algal biomass separated by the process. A lipid yield of 14 % in terms of dry matter was found, even when a complex matrix from waste stabilization ponds was used. The study of the mechanisms involved in EFCA revealed the good system ability to generate hydrogen gas, which contributes to microalgae harvesting and can make the process even more sustainable under an energetic perspective. Furthermore, the generation of oxidant species was found which helps the harvesting and cell disruption process. The effect of different vibration frequencies in the lipid yield was not apparent. We sought to elucidate the mechanisms involved on total phosphorus removal, and probably the removal was due to iron formation in the process, in which the concentrations were close to 2.5 mg/L after 70 minutes batch time. In terms of ammonia removal, possibly the mechanism was an indirect oxidation by excess of hypochlorous acid to form nitrogen gas, which helps the separation process. The use of microalgae from stabilization ponds showed a potential alternative for the processes traditionally used nowadays for microalgae production (photobioreactor and raceway ponds), and showed to be attractive to all processes that demand microalgae harvesting.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Tambaqui, Colossoma macropomum, is one of the most important fishery resources in the Amazon region and is the most cultivated native fish in Brazil due to omnivorous and its rusticity. Alternative ingredients for feed formulation are needed to maximize strength and weight gain of the animals when cultured at high stocking densities. The cyanophyceae Spirulina platensis is a microalgae with high nutritional, value rich in protein and vitamins, which has been used as an additive in diets for various species of fish. The aim of this study was to monitor the livestock development and the quality of the steak fry tambaqui fed diets with high inclusion levels of S. platensis. The study was divided into two phases. In the first phase, which lasted 60 days, we adopted a stocking density of 40 fish.m-2, while in the second phase, lasting 105 days, this value was halved. The feeding of animals was given four times a day with commercial diet with added 20% Spirulina (T1), with feed added Spirulina 40% (T2) and as a control (C) a commercial ration containing 50% was used crude protein (CP). At the end of the first phase, no statistically significant difference in survival or final biomass was observed, while the highest average final weight was observed in the control group (15.18  0.57 g) was significantly higher than obtained in T1 (12 , 00  1.40 g) and T2 (12.09  1.22 g). In the second step also no statistically significant differences between treatments for the survival and final biomass was observed. As for the final average weight the highest value was again observed in the control, with 84.86  8.44 g, significantly higher than those in T1 (75.87  6.00) and T2 (70.68  6.16). Quality analysis of fillet showed that fish which fed the diet containing 20% Spirulina (T2) presented protein level (17.78  0.04%), lipid (1.23  0.04) and energy (82.13  0.18 Kcal/100g), significantly higher than the others treatments. We conclude that feeding tambaqui with Spirulina does not affect survival neither final biomass, in addition to increasing the nutritional value of fillet. / O tambaqui, Colossoma macropomum, à um dos mais importantes recursos pesqueiros da regiÃo amazÃnica alÃm de ser o peixe nativo mais cultivado no Brasil graÃas ao hÃbito alimentar onÃvoro e sua rusticidade. Ingredientes alternativos para a formulaÃÃo de raÃÃes sÃo necessÃrios para maximizar a resistÃncia e o ganho de peso dos animais quando cultivados em altas densidades de estocagem. A cianofÃcea Spirulina platensis à uma microalga com elevado valor nutritivo, rica em proteÃnas e vitaminas, que jà foi utilizada como aditivo em raÃÃes para vÃrias espÃcies de peixes. O objetivo deste trabalho foi acompanhar o desenvolvimento zootÃcnico e a qualidade do filà de alevinos de tambaqui alimentados com raÃÃes contendo elevados nÃveis de inclusÃo de S. platensis. A pesquisa foi dividida em duas fases. Na primeira fase, que teve duraÃÃo de 60 dias, adotou-se uma densidade de estocagem de 40 peixes.m-2, enquanto na segunda fase, com duraÃÃo de 105 dias, esse valor foi reduzido pela metade. A alimentaÃÃo dos animais foi feita quatro vezes ao dia com raÃÃo comercial adicionada de 20% de Spirulina (T1), com raÃÃo adicionada de 40% de Spirulina (T2) e, como controle (C) foi utilizada uma raÃÃo comercial contendo 50% de proteÃna bruta (PB). Ao termino da primeira fase, nÃo foi observada diferenÃa estatÃstica significativa na sobrevivÃncia nem na biomassa final, enquanto o maior peso mÃdio final foi observado no grupo controle (15,18Â0,57 g), sendo significativamente superior aos obtidos em T1 (12,00Â1,40g) e T2 (12,09Â1,22g). Na segunda etapa tambÃm nÃo se observou diferenÃas estatÃsticas significativas entre os tratamentos quanto à sobrevivÃncia e a biomassa final. Quanto ao peso mÃdio final o maior valor foi, mais uma vez, observado no controle, com 84,86  8,44 g, significativamente superior aos encontrados em T1(75,87Â6,00) e T2(70,68Â6,16). A anÃlise da qualidade do filà revelou que os obtidos dos peixes alimentados com a raÃÃo contendo 20% de Spirulina (T2) apresentaram nÃvel proteico (17,78 0,04%), lipÃdico (1,23 0,04) e energÃtico (82,13 0,18 Kcal/100g), significativamente superior aos demais. Conclui-se que a suplementaÃÃo de Spirulina na raÃÃo do tambaqui nÃo afetou a sobrevivÃncia nem a biomassa final e ainda aumentou o valor nutricional do filÃ.

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

A vinhaça é o resíduo mais abundante gerado no processo de produção de etanol, sendo que a cada litro de etanol são gerados de 10 a 18 litros de vinhaça. Sua disposição é tema de grande preocupação, por sua elevada carga de matéria orgânica e o pH ácido. Embora seja um resíduo poluente, contém macronutrientes que podem ser usados para o cultivo de micro-organismos úteis aos seres humanos como é o caso apresentado neste trabalho, onde a vinhaça foi utilizada para cultivo da microalga Scenedesmus sp. As microalgas são apontadas como uma alternativa promissora para substituição dos combustíveis fósseis. Entretanto, seu custo ainda é elevado devido a vários fatores, dentre os quais os nutrientes que devem ser fornecidos para crescimento. Assim, o uso de rejeitos como fonte de nutrientes pode auxiliar a reduzir este balanço desfavorável. Este trabalho teve como objetivo avaliar a viabilidade técnica de produção da Scenedesmus sp. para tratar vinhaça de etanol de cana de açúcar. Inicialmente, testou-se a viabilidade de crescimento da microalga nesses meios. Uma vez corroborado que é possível seu crescimento, foram realizados planejamentos experimentais que avaliaram os fatores que influenciam no crescimento. O planejamento fatorial demonstrou que é possível cultivar microalgas em concentrações de até 40% de vinhaça. O planejamento composto central rotacional demonstrou o seguinte: a intensidade luminosa e a porcentagem de vinhaça influenciam na quantidade de biomassa a ser produzida, e a temperatura, entre 20 e 35°C, não tem um efeito significativo quando se trabalha com porcentagens menores que 40% de vinhaça. Foram analisados parâmetros como o DBO, conteúdo de nitrogênio e fósforo, que demonstraram que fotobiorreatores com até 32% geram vinhaça tratada com valores de DBO menores que 106 mg/L, conseguindo remover até 96% de nitrogênio e 99,9% de fósforo. Como dado adicional se avaliou os métodos de espectrofotometria e espectroscopia de fluorescência, que se mostraram métodos adequados para acompanhar o crescimento microalgal em fotobiorreatores. / Vinasse is one of the most polluting wastes generated in the process of ethanol production,with each liter of ethanol are generated between 10 to 18 liters os vinasse. Its suitable disposal is an issue of great concern due to its high load of organic matter and acidity. Although this is a polluting waste, contains nutrients which can be used for cultivation of micro-organisms that may be useful to humans as is the case presented in this work, where vinasse was used for cultivation of the microalgae Scenedesmus sp. Microalgae are currently reported in the literature as a promising alternative to replace fossil fuels. However, its cost is still high due to several factors, such as the nutrients that must be supplied for growth. Thus, the use of waste as a source of nutrients may assist in reducing this unfavorable balance. This study aimed to evaluate the technical feasibility of production of microalgae Scenedesmus sp. to treat ethanol stillage. First, cultivations with different percentages of vinasse were done aiming to verify wether they are able to grow in medium supplemented with vinasse. The factorial design has shown that it is possible to cultivate microalgae at concentrations up to 40% of vinasse in the culture medium. The central composite design showed that light intensity and percentage of vinasse influence the amount of biomass to be produced. Additionally, the temperature between 20 and 35°C has not a significant effect when working with percentages smaller than 40% of vinasse. The analyzed parameters were BOD, nitrogen and phosphorus content demonstrated that photobioreactors with up to 32% vinasse generate vinasse treated with BOD values lower than 106 mg/L achieving a remotion of 96% nitrogen and 99.9% phosphorus. Finally, it was also shown that spectrophotometry and 2D fluorescence spectroscopy are suitable methods for monitoring the microalgae growth.

Dissertação(mestrado)- Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência de Alimentos, Escola de Química e Alimentos, 2010. / Submitted by Caroline Silva (krol_bilhar@hotmail.com) on 2012-08-30T16:18:53Z No. of bitstreams: 1 dissertao adriano arruda henrard.pdf: 1485086 bytes, checksum: f5665b2804865ca150fc4f99a546ffe6 (MD5) / Approved for entry into archive by Bruna Vieira(bruninha_vieira@ibest.com.br) on 2012-09-03T19:18:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 dissertao adriano arruda henrard.pdf: 1485086 bytes, checksum: f5665b2804865ca150fc4f99a546ffe6 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-09-03T19:18:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertao adriano arruda henrard.pdf: 1485086 bytes, checksum: f5665b2804865ca150fc4f99a546ffe6 (MD5) Previous issue date: 2009 / As microalgas se destacam por apresentarem diversas potencialidades, como fonte de alimento, obtenção de bioprodutos, produção de biocombustíveis e também podem contribuir na redução do efeito estufa, fixando CO2. As microalgas apresentam em sua composição alto teor de proteínas, ácidos graxos, minerais e pigmentos e, além disso, a microalga Chlorella possui certificado GRAS (Generally Recognized As Safe), podendo ser utilizada como alimento sem oferecer risco à saúde humana. Industrialmente, o cultivo semicontínuo de microalgas é muito empregado, pois com esse tipo de cultivo é possível a manutenção da cultura em crescimento por períodos mais prolongados, procedendo-se apenas a alimentação periódica do meio novo. O objetivo deste trabalho foi estudar o crescimento das microalgas Cyanobium sp. e Chlorella sp. cultivadas em modo semicontínuo e diferentes condições nutricionais e de processo. Assim, este trabalho foi dividido em 3 etapas: na primeira, objetivou-se estudar os cultivos das microalgas Cyanobium sp. e Chlorella sp. em diferentes condições nutricionais e de processo; na segunda etapa, avaliou-se o cultivo semicontínuo da microalga Cyanobium sp. em fotobiorreator tubular vertical de 2 L e na terceira, estudou-se o cultivo da microalga Chlorella sp. em modo semicontínuo em fotobiorreator aberto tipo raceway de 6 L. Para avaliar o melhor meio nutriente e agitação, os cultivos foram realizados em fotobiorreatores tipo erlenmeyer e raceway de 0,5 L e 6 L, respectivamente. Os cultivos foram realizados em condições controladas, estufa climatizada a 30ºC, 3200 Lux e fotoperíodo 12 h claro/escuro. O melhor meio de cultivo para as microalgas Cyanobium sp. e Chlorella sp. foi o meio BG11 com adição de bicarbonato de sódio, onde foram obtidas as maiores concentrações celulares (0,56 e 0,66 g.L-1), velocidades específicas de crescimento (0,303 e 0,166 d-1) e produtividades (0,120 e 0,089 g.L-1.d-1), respectivamente. Quando cultivadas sob diferentes agitações, as melhores respostas foram obtidas nos ensaios realizados com agitação por 2 bombas submersas, com concentrações máximas de biomassa 1,21 e 0,93 g.L-1 para Cyanobium sp. e Chlorella sp, respectivamente. Para o cultivo em modo semicontínuo da microalga Cyanobium sp., a máxima velocidade específica de crescimento foi 0,127 d-1 quando o cultivo foi realizado com concentração de corte 1,0 g.L-1, taxa de renovação 50% e concentração de bicarbonato de sódio 1,0 g L-1. Os máximos valores de produtividade (0,071 g.L-1.d-1) e número de ciclo (10) foram observados em concentração de corte 1,0 g.L-1, taxa de renovação 30% e concentração de bicarbonato 1,0 g.L-1. No cultivo semicontínuo com Chlorella sp., a maior velocidade específica de crescimento (0,149 d-1) foi obtida quando cultivada com 1,6 g.L-1 de bicarbonato de sódio e concentração de corte 0,6 g.L-1. A maior produtividade (0,091 g.L-1.d-1) foi obtida quando utilizado no cultivo concentração de corte 0,8 g.L-1, taxa de renovação de meio 40% e concentração de bicarbonato de sódio 1,6 g.L-1. Os resultados mostraram que o cultivo em modo semicontínuo é uma alternativa para maximizar a produção de microalgas, além disso, o sistema de cultivo deve ser escolhido não apenas pela maior produtividade, mas também de acordo com as características desejadas do produto. / Microalgae had gain attention for presenting diverse potentialities, as source of food, attainment of bioproducts, produce biofuels and also can contribute in the greenhouse effect reduction, fixing CO2. Microalgae presents in its composition high contents of protein, fatty acids, minerals and pigments, moreover, microalgae Chlorella possess the GRAS (Generally Recognized As Safe) certificate, being able to be used as food without offering any risk to the human health. The semicontinuous microalgae cultivation is very used, because of the long period cells maintenance, being necessary the periodic feeding of new cultivation medium. The objective of this work was to study the growth of the microalgae Cyanobium sp. and Chlorella sp. cultivated in semicontinuous mode and different nutritional and process conditions. This work was divided in three stages: in the first, the aim was to study the cultivation of the microalgae Cyanobium sp. and Chlorella sp. in different nutritional and process conditions; in the second stage, the semicontinuous cultivation of the microalgae Cyanobium sp. in vertical tubular photobioreactor of 2 L was evaluated; in the third, the culture of the microalgae Chlorella sp. was studied in semicontinuous mode in open photobioreactor type raceway of 6 L. To evaluate the best medium nutrient and agitation conditions, cultures were carried out under in photobioreactors type erlenmeyer and raceway of 0,5 L and 6 L, respectively. Cultures were carried out under controlled conditions, climatized greenhouse at 30ºC, 3200 Lux and 12 h photoperiod light/dark. The best culture medium for the microalgae Cyanobium sp. and Chlorella sp. was the BG11 medium with sodium bicarbonate addition, where were obtained the highest cell concentrations (0,56 and 0,66 g.L-1), specific growth rate (0,303 and 0,166 d-1) and productivity (0,120 and 0,089 g.L- 1.d-1), respectively. When cultivated under different agitation conditions, the best answers were obtained with agitation given by 2 submerged pumps, with maximum biomass concentrations 1,21 g.L-1 for Cyanobium sp. and 0,93 g.L-1 for Chlorella sp. For the culture in semicontinuous mode of the microalga Cyanobium sp., the maximum specific growth rate was 0,127 d-1 in the culture with cell concentration 1,0 g.L-1, renewal rate 50% and sodium bicarbonate concentration 1,0 g.L-1. The maximum productivity values (0.071 g.L-1.d-1) and cycle number (10) had been observed in cell concentration 1,0 g.L-1, renewal rate 30% and 1,0 g.L-1 bicarbonate concentration. In the semicontinuous culture with Chlorella sp., the highest specific growth rate (0,149 d-1) was gotten when cultivated with 1,6 g.L-1.d-1 of sodium bicarbonate and cell concentration 0,6 g.L-1). The highest productivity (0,091 g.L-1.d-1) was gotten when cell concentration 0,8 g.L-1, medium renewal rate 40% and sodium bicarbonate concentration 1,6 g.L-1 were used in the culture. Results had shown that semicontinuous mode culture is an alternative to maximize the microalgae production, moreover, the culture system must not only be chosen by the highest productivity, but also in accordance with the desired characteristics of the product.

Orientador: Telma Teixeira Franco / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T04:10:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lacerda_LucyMaraCaciaFerreira_D.pdf: 5787877 bytes, checksum: 81afde238358667a3fdefa912b6c3725 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O uso de microalgas em processos de mitigação ambiental e produção de energia renovável vêm ganhando destaque, mas a otimização das etapas de "upstream" e "downstream" são essenciais para que a viabilidade técnica e econômica seja alcançada e o processo implementado em escala industrial. As condições que maximizam o crescimento celular, a mitigação de CO2, o acúmulo de lipídios e proporcionam um perfil de ácidos graxos, compatível com a produção de biodiesel de elevada qualidade, foram avaliados em função de diferentes temperaturas (18-42 ºC), disponibilidade de carbono na forma de CO2 (ar-40%), disponibilidade de luz (4-192 ?mol.m-2.s-1) e disponibilidade de nitrogênio na forma de NaNO3 (0,25-1,00 g.L-1). A recuperação da biomassa a partir do processo de floculação foi avaliada em função do tipo de floculante (orgânico e inorgânico), dose do floculante (0,005-0,300 g.L-1), pH (4-11) e concentração celular (0,1-1,0 g.L-1). As condições de cultivo selecionadas foram: 108 ?mol.m-2.s-1, 26,5 ºC, 0,25 g.L-1 de NaNO3 e 8,05 % de CO2, sendo obtidos os seguintes resultados: Xmax/X0=14,78 (razão da concentração celular máxima pela concentração inicial); ?max=1,02 d-1 (máxima velocidade específica de crescimento); ?=0,50 d (duração da fase lag); Pmax=0,58 g.L-1.d-1 (produtividade máxima); Pmean=0,31 g.L-1.d-1 (produtividade média); CBmax=1,06 g.L-1.d-1 (Máxima taxa de incorporação de carbono); CBmean=0,55 g.L-1.d-1 (média da taxa de incorporação de carbono); 50% de lipídios e 90% dos FAMES (ésteres metílicos de ácidos graxos) correspondendo aos principais FAMES do biodiesel (C16:0, C18:0, C18:1, C18:2 e C18:3). A predição da qualidade do biodiesel produzido a partir do óleo de microalga forneceu os seguintes resultados: CN=56 (número de cetano), CFPP = 0,8 °C (ponto de entupimento de filtro a frio), ? = 863 kg/m³ (densidade), II = 97 gI2/100g (índice de iodo), ?HC = 39,2 kJ/g (calor de combustão), OSI = 13,8 h (índice de estabilidade oxidativa), e ? = 3,93 mm².s (viscosidade) estando dentro dos valores especificados pelas normas ANP255/2003, EN14213-14214 e ASTM6751. As condições para eficiências de recuperação (RE) da biomassa superiores a 95% foram: intervalos de pH 4,0 a 11,0 (floculante orgânico); 5,0 a 7,0 (FeCl3) e de 7,0 a 8,0 (Al2(SO4)3; razão de gfloculante/gbiomassa de: 0,08 gorgânico/gbiomassa, 0,40gAl2(SO4)3/gbiomassa. O impacto da disponibilidade de luz no interior de fotobiorreatores foi estimada para diferentes disponibilidades de luz (108-700 ?mol.m-2.s-1) e a partir de dados de concentração celular, concentração de pigmentos e geometria do reator, sendo verificada a perda de aproximadamente 85% da luz disponível na superfície para cultivos com concentração celular de até 2 g.L-1 em fotobiorreatores de 8 cm de diâmetro. A produção de biomassa e bicombustíveis em software comercial SuperPro designer v8.5 fomos simuladas e associadas à análise econômica / Abstract: The use of microalgae in environmental carbon dioxide mitigation processes and renewable energy production are gaining attention, but the optimization of "upstream" and "downstream" process is essential to promote technical and economic feasibility and make with the industrial scale became true. The conditions that maximize biomass growth, carbon dioxide mitigation, lipid content, and produce a fatty acid profile suitable for a high quality biodiesel was evaluated as function of different temperatures (18-42 ºC), carbon availability as CO2 (air-40%), light intensity (4-192 ?mol.m-2.s-1), and nitrogen availability as NaNO3 (0.25-1.00 g.L-1). Biomass harvesting using flocculation process was evaluated as function of flocculant type (organic and inorganic), flocculant dosage (0.005-0.3 g.L-1), pH (4-11), and biomass concentration (0.1-1.0 g.L-1). The selected conditions were: 108 ?mol.m-2.s-1, 26.5 ºC and 8.05% de CO2, with the following results: Xmax/X0=14.78 (maximum and initial cell concentration ratio); ?max=1.02 d-1 (maximum specific growth rate), ?=0.50 d (lag phase duration); Pmax=0.58 g.L-1.d-1 (maximum productivity); Pmean=0.31 g.L-1.d-1 (mean productivity); CBmax=1.06 g.L-1.d-1 (maximum carbon incorporation rate); CBmean=0.55 g.L-1.d-1 (mean carbon incorporation rate); 50% of lipid content, and 90% of samples FAMES (fatty acid methyl ester) corresponding to the mainly biodiesel FAMES (C16:0, C18:0, C18:1, C18:2 e C18:3). Biodiesel quality prediction using samples of microalgae oil show the following results: CN=56 (cetane number), CFPP = 0.8 °C (could filter plugging point), ? = 863 kg/m³ (density), II = 97 gI2/100g (iodine index), ?HC = 39.2 kJ/g (heat of combustion), OSI = 13.8 h (oil stability index), and ? = 3.93 mm².s (viscosity), and the values were compatible with different quality standards ASTM-D6751, EN14214/14213, and ANP 255/2003. Recovery efficiency (RE) of 95% or more can be obtained with pH 4,0 to 11,0 (organic flocculant); 5,0 to 7,0 (FeCl3), and 7,0 to 8,0 (Al2(SO4)3; gflocculant/gbiomass of: 0,08gorganic/gbiomass, 0,40gAl2(SO4)3/gbiomass). The impact of light availability in the center of photobioreactor was predicted as function of cell concentration, pigments concentration and photobioreactor design, being observed approximately 85% of loss in the incident light availability in cultures is less than 2 g.L-1. Biomass production process and biofuels production process were simulated using a commercial software SuperPro Designer v8.5 followed by economic analysis / Doutorado / Processos em Tecnologia Química / Doutora em Engenharia Quimica

The environmental conditions created in the Southwestern deserts of the United States are conducive to the production of green microalgae biomass, for use as a feedstock intended for conversion to carbon neutral liquid biodiesel. One promising heat-tolerant, rapidly-growing, high lipid content species is the chlorophyte, Chlorella sorokiniana (Shihira and Krauss, 1965) (isolate DOE 1412), which has been selected for pilot-scale production as part of a larger algal biofuels project to assess its potential for long-term productivity in open, outdoor monoculture production systems. Molecular analysis exposed the presence of the pathogenic bacterium, Vampirovibrio chlorellavorus (Gromov & Mamkaeva, 1972) causing infection and death of DOE 1412, which occurred most rapidly at air temperatures exceeding 34 °C. This Gram-negative bacterium has been reported to attach to and utilize the cellular contents of several Chlorella species, leading to yellowing and flocculation of algal cells, and death of the host. A quantitative PCR assay was developed to monitor pathogen accumulation using the 16S ribosomal RNA gene, in addition to the algal 18S ribosomal RNA gene for normalization. The assay is highly sensitive, with limits of quantification for the 16S and 18S gene targets calculated to be 19 and 131 copies, respectively. The qPCR assay was used to monitor several outdoor reactors inoculated with the DOE1412, throughout the warm season growth-to-harvest cycle to understand the disease cycle and inform disease management decisions. Further, the bacterium was monitored in paddlewheel DOE 1412 cultures treated with benzalkonium chloride (BAC), a biocide tested for the ability V. chlorellavorus attack of DOE 1412. The treatment resulted in a reduced growth rate for DOE 1412, but prolonged the duration of the production cycle resulting in increased total harvestable yield, compared to untreated control cultures.

Submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy: Biotechnology, Durban University of Technology, Durban, South Africa, 2017. / Fossil carbon dioxide emissions can be biologically fixed which could lead to the development of technologies that are both economically and environmentally friendly. Carbon dioxide, which is the basis for the formation of complex sugars by green plants and microalgae through photosynthesis, has been shown to significantly increase the growth rates of certain microalgal species. Microalgae possess a greater capacity to fix CO2 compared to terrestrial plants. Selection of appropriate microalgal strains is based on the CO2 fixation and tolerance capability, both of which are a function of biomass productivity. Microalgal biomass could thus represent a natural sink for carbon. Furthermore, such systems could minimise capital and operating costs, complexity, and energy required to transport CO2 to other places. Prior to the development of an effective CO2 mitigation process, an essential step should be to identify the most CO2-tolerant indigenous strains. The first phase of this study therefore focused on the isolation, identification and screening of carboxyphilic microalgal strains (indigenous to the KwaZulu-Natal province in South Africa). In order to identify a high carbon-sequestering microalgal strain, the physiological effect of different concentrations of carbon sources on microalgae growth was investigated. Five indigenous strains (I-1, I-2, I-3, I-4 and I-5) and a reference strain (I-0: Coccolithus pelagicus 913/3) were subjected to CO2 concentrations of 0.03 - 15% and NaHCO3 of 0.05 - 2 g/1. The logistic model was applied for data fitting, as well as for estimation of the maximum growth rate (µmax) and the biomass carrying capacity (Bmax). Amongst the five indigenous strains, I-3 was similar to the reference strain with regards to biomass production values. The Bmax of I-3 significantly increased from 0.214 to 0.828 g/l when the CO2 concentration was increased from 0.03 to 15% (r = 0.955, p = 0.012). Additionally, the Bmax of I-3 increased with increasing NaHCO3 concentrations (r = 0.885, p = 0.046) and was recorded at 0.153 g/l (at 0.05 g/l) and 0.774 g/l (at 2 g/l). Relative electron transport rate (rETR) and maximum quantum yield (Fv/Fm) were also applied to assess the impact of elevated carbon sources on the microalgal cells at the physiological level. Isolate I-3 displayed the highest rETR confirming its tolerance to higher quantities of carbon. Additionally, the decline in Fv/Fm with increasing carbon was similar for strains I-3 and the reference strain (I-0). Based on partial 28S ribosomal DNA gene sequencing, strain I-3 was found to be homologous to the ribosomal genes of Chlorella sp. The influence of abiotic parameters (light intensity and light:dark cycles) and varying nutrient concentrations on the growth of the highly CO2 tolerant Chlorella sp. was thereafter investigated. It was found that an increase in light intensity from 40 to 175 umol m2 s-1 resulted in an enhancement of Bmax from 0.594 to 1.762 g/l, respectively (r = 0.9921, p = 0.0079). Furthermore, the highest Bmax of 2.514 g/l was detected at a light:dark cycle of 16:8. Media components were optimised using fractional factorial experiments which eventually culminated in a central composite optimisation experiment. An eight-factor resolution IV fractional factorial had a biomass production of 2.99 g/l. The largest positive responses (favourable effects on biomass production) were observed for individual factors X2 (NaNO3), X3 (NaH2PO4) and X6 (Fe-EDTA). Thereafter, a three-factor (NaNO3, NaH2PO4 and Fe-EDTA) central composite experimental design predicted a maximum biomass production of 3.051 g/l, which was 134.65% higher when compared to cultivation using the original ASW medium (1.290 g/l). A pilot scale flat panel photobioreactor was designed and constructed to demonstrate the process viability of utilising a synthetic flue gas mixture for the growth of microalgae. The novelty of this aspect of the study lies in the fact that a very high CO2 concentration (30%) formed part of the synthetic flue gas mixture. Overall, results demonstrated that the Chlorella sp. was able to grow well in a closed flat panel reactor under conditions of flue gas aeration. Biomass yield, however, was greatly dependent on culture conditions and the mode of flue gas supply. In comparison to the other batch runs, run B yielded the highest biomass value (3.415 g/l) and CO2 uptake rate (0.7971 g/day). During this run, not only was the Chlorella strain grown under optimised nutrient and environmental conditions, but the culture was also intermittently exposed to the flue gas mixture. Results from this study demonstrate that flue gas from industrial sources could be directly introduced to the indigenous Chlorella strain to potentially produce algal biomass while efficiently capturing and utilising CO2 from the flue gas. / D