Made available in DSpace on 2018-08-01T23:29:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_11692_RESUMO.pdf: 15874 bytes, checksum: d016ed660c0bcb7d4181244ab0276db1 (MD5) Previous issue date: 2018-02-23 / As pesquisas atuais têm demonstrado um grande interesse em microalgas pela sua capacidade de captura do CO2 da atmosfera, gás nocivo ao meio ambiente além de armazenar um óleo com alto valor agregado. Entretanto, a extração do óleo de microalgas representa uma etapa de alta demanda energética, sendo necessário o desenvolvimento de um processo viável sob este aspecto. Neste contexto, o presente trabalho objetiva a extração do bio-óleo a partir da microalga da espécie Nannochloropsis oculata via base úmida, a fim de retirar a etapa de secagem do processo de extração. Para isso foi utilizado um planejamento experimental do tipo fatorial (3²) com mais dois pontos centrais, totalizando 11 experimentos para cada solvente (etanol e hexano). As variáveis estudadas no planejamento foram o tempo de aplicação do ultrassom e o tempo de extração por Soxhlet. A extração com a aplicação de ultrassom por 60minseguida de Soxhlet por 8h com hexano mostrou-se melhor rendimento (20,29%) de bio-óleo. A produção de bio-óleo nas mesmas condições com etanol foi de 16,83%. O menor gasto energético em relação a produção de 1g de óleo se deu nas condições de aplicação de 60 min de ultrassom e 4h de extração sólido-líquido. Também comparou-se o gasto energético via base seca e úmida com os dois solventes. Na extração via base seca o rendimento foi inferior a via base úmida. Pela análise de GC-MS percebeu-se que secagem influencia no perfil dos ácidos graxos, diminuindo a porcentagem de ácidos graxos monoinsaturados e poliinsaturados. Conclui-se que a extração via base úmida é a melhor opção, pois secagem deteriora o bio-óleo e não influencia significativamente no rendimento do bio-óleo.

La producción de biodiesel ha crecido durante los últimos años a nivel mundial, en respuesta al paulatino agotamiento de los recursos fósiles y a los efectos ambientales causados por el uso de los combustibles convencionales. Este biocombustible se obtiene a nivel industrial casi en su totalidad a partir de aceites de semillas. Sin embargo, la gran demanda energética, el agotamiento de los suelos y la utilización de semillas para fines alimenticios plantean la necesidad de nuevas fuentes de materia prima alternativa y sustentable. Muchas especies de microalgas, comúnmente denominadas oleaginosas, pueden almacenar altos contenidos de aceites, lo cual las convierte en una fuente potencial para la producción de este biocombustible. Algunas especies del género Nannochloropsis han sido propuestas para tal fin debido a su capacidad de acumular altos contenidos de lípidos, particularmente lípidos neutros, los cuales son la materia prima ideal para la producción de biodiesel. En Argentina, a diferencia de otras energías renovables, las investigaciones en este campo se encuentran en una etapa incipiente. Sobre la base de estos antecedentes, el objetivo general de esta Tesis fue evaluar el potencial de una cepa marina nativa de Nannochloropsis, aislada de la costa atlántica sur, como materia prima para la producción de biodiesel. Particularmente, los objetivos específicos fueron: la identificación a nivel de especie de la cepa en estudio a través de su caracterización morfológica y molecular; la optimización de técnicas para la determinación de la densidad celular, la concentración de pigmentos fotosintéticos y el contenido de lípidos neutros en cultivos a escala de laboratorio; el análisis del efecto de distintas condiciones ambientales (temperatura [15ºC y 25ºC], intensidad de luz [100 y 300 μmol fotón m-2 s-1] y fotoperiodo [12:12 h y 16:8 h de luz y oscuridad) y de la carencia de nitrógeno sobre parámetros de crecimiento, producción de biomasa y cantidad, productividad y calidad lipídica, con especial énfasis sobre la fracción de los lípidos neutros. Además, se evaluó el crecimiento de la cepa en estudio en un fotobiorreactor columnar de 25L y con un medio de cultivo (SWES) de menor costo que el empleado en experiencias de laboratorio (f/2). Los estudios morfológicos y ultraestructurales con microscopios óptico y electrónico y el análisis de los genes nuclear y cloroplástico, 18s rADN y rbcL respectivamente, permitieron identificar a la cepa en estudio como Nannochloropsis oceanica. La cepa fue depositada en el cepario Culture Collection of Autotrophic Organism (CCALA), República Checa, bajo la denominación Nannochloropsis oceanica CCALA 978. Se elaboró un modelo estimador de la densidad celular a través de lecturas de densidad óptica, el cual permite monitorear el crecimiento de N. oceanica CCALA 978 en forma rápida. Con respecto a la optimización de métodos para la determinación de pigmentos, el metanol asistido con congelado y descongelado rápido fue el método más efectivo para la extracción de clorofila a y carotenoides totales. El pre-tratamiento de las células con dimetilsulfóxido 5% y la tinción con el fluorocromo rojo Nilo se presentó como una técnica adecuada para la detección in situ de los lípidos neutros por espectrofluorimetría. Asimismo, la relación entre las intensidades de fluorescencia de la clorofila a y del rojo Nilo se propone como un índice para la estimación del tiempo de acumulación máxima de los lípidos neutros y consecuentemente, para la determinación del tiempo de cosecha de la biomasa. El efecto de las variables ambientales sobre los parámetros de crecimiento indicó que a mayor temperatura (25º C), mayor intensidad de luz (300 μmol fotón m-2 s-1) y con un fotoperíodo de 16:8 h L:O, la especie mostró un aumento de la velocidad de crecimiento (0,85 div d-1) a escala de laboratorio. Sin embargo, la producción de biomasa (680 mg L-1) no se incrementó en respuesta a la intensidad de luz más alta. Bajo las condiciones ambientales testeadas en este estudio, el contenido de lípidos totales (LT) de N. oceanica CCALA 978 fue en general alto (24-34%), y esto se debió a una alta proporción de los lípidos neutros (LN), los cuales representaron entre un 82% y 91% de los LT. No obstante, los mayores contenidos lipídicos se obtuvieron, cuando las células crecieron en un medio de cultivo carente de nitrógeno, a ambas intensidades de luz y un fotoperíodo de 16:8 h L:O (LT: 36% peso seco de biomasa [ps] y LN: 32% ps). Bajo estas condiciones, se alcanzaron productividades de LT y LN de 48 mg L-1 d-1 y 43 mg L-1 d-1, respectivamente. Con respecto a la calidad de los lípidos, los ácidos grasos saturados (AGS) y monoinsaturados (AGM) fueron las clases predominantes dentro de los LN, bajo todas las condiciones testeadas, representando conjuntamente entre el 90-96% de los ácidos grasos totales. Los AGS-LN aumentaron a 25°C, 16:8 h L:O y 300 μmol fotón m-2 s-1, mientras que los AGM-LN disminuyeron en respuesta a estas variables. Los ácidos grasos poliinsaturados (AGP) fueron la fracción minoritaria en todas las condiciones de cultivo testeadas. La composición de los ácidos grasos fue similar en todas las condiciones de cultivo probadas, tanto en los lípidos totales como en los lípidos neutros, siendo los principales ácidos grasos el ác. palmítico (C16:0), el ác. palmitoleico (C16:1), el ác. oleico (C18:1n9c) y el ác. eicosapentaenoico (C20:5n3). El ácido palmítico fue el componente mayoritario de los AGS, tanto en los LT como en los LN, e incrementó de manera significativa en función de la mayor temperatura, la mayor intensidad lumínica y la mayor duración de las horas de luz empleados. Dentro de los AGM, el ácido palmitoleico fue el más abundante en todas las condiciones de cultivo en los LT y LN. Se observó un disminución significativa con la temperatura más alta empleada (25°C) y la mayor duración de las horas de luz (16:8 h L:O). El ácido eicosapentaenoico fue el principal componente de los AGP en los LT y LN. Sin embargo, sus valores no superaron el 5%. En relación a los parámetros de calidad del aceite, el índice de Yodo, el número de cetano y el contenido de ácido linolénico estuvieron dentro de los límites establecidos por el estándar de calidad europeo EN14214. Estas características permiten inferir que los aceites de N. oceanica CCALA 978 se presentan como una materia prima adecuada para la producción de biodiesel. En la experiencia de cultivo de N. oceanica CCALA 978 en el fotobiorreactor columnar, se obtuvo un crecimiento sostenido de la cepa con el medio SWES, alcanzando 1,11 g L-1 de biomasa. Sin embargo, la intensidad de luz empleada y el diseño del fotobiorreactor constituyeron un impedimento para maximizar la producción de biomasa. De acuerdo con los resultados obtenidos, se concluye que la cepa nativa Nannochloropsis oceanica CCALA 978 es una microalga oleaginosa y robusta, y por lo tanto se la puede proponer como una fuente microalgal potencialmente útil de aceites para procesos de producción de biodiesel. Además, la información derivada de este trabajo representa una base para la implementación de nuevas estrategias de cultivos con fines bioenergéticos, tendientes a incrementar la biomasa, los contenidos de lípidos y las productividades lipídicas, condiciones indispensables para lograr un proceso potencialmente rentable. / In recent years, biodiesel production has grown worldwide in response to the gradual depletion of fossil resources and the environmental disturbances caused by the use of conventional fuels. Biodiesel is industrially obtained almost entirely from seed oils. However, the high energy demand, the depletion of soils and the use of seeds for food purposes raise the need for new sources of alternative sustainable feedstocks. Many species of microalgae, called oleaginous, can store high oils contents that turn them into a potential source for the production of biodiesel. Some species of Nannochloropsis genus have been proposed for this purpose due to ability to accumulate high lipid contents, in particular neutral lipids, which are considered the ideal feedstock for biodiesel production. Unlike other renewable energies in Argentina, research in this field is at early stage. Based on this background, the overall objective of this Thesis was to evaluate the potential of a native marine Nannochloropsis strain, isolated from the south Atlantic coast, as feedstock for biodiesel production. The specific objectives were followings: identification at specific level of the strain under study by both morphological and molecular characterization; optimization of techniques to determine the cell density, photosynthetic pigments concentration and neutral lipid content at laboratory scale; analysis of the effect of different environmental conditions (temperature [15ºC and 25ºC], light intensity [100 y 300 μmol photon m-2 s-1] and photoperiod [12:12 h and 16:8 h of light:darkness]) and the nitrogen deprivation on growth, biomass production, lipid quantity, lipid productivity and lipid quality, with special emphasis on the neutral lipids fraction. In addition, the growth of the strain under study was evaluated in a 25L columnar photobioreactor, with a culture medium (SWES) cheaper than the one used in laboratory experiments (f/2). Both morphological and ultrastructural studies of light and electron microscopes and the analysis of nuclear and chloroplast genes, 18S rDNA and rbcL respectively, allowed identifying the strain under study as Nannochloropsis oceanica. The strain was deposited in the Culture Collection of Autotrophic Organism, Czech Republic (CCALA) as Nannochloropsis oceanica CCALA 978. An estimation model for cell density was developed through optical density readings. In this way, the growth of N. oceanica 978 CCALA could quickly be monitored. Regarding methods to determine pigment concentration, methanol assisted with rapid freezing and unfreezing was the most effective method for the extraction of chlorophyll a and total carotenoids. Pre-treatment of the cells with 5% dimethyl sulphoxide and the staining with Nile red proved to be a suitable technique for in situ detection of the neutral lipids by espectrofluorimetry. Besides, the ratio between the fluorescence intensities of Chlorophyll a and Nile red was proposed as an index for the estimation of the maximum neutral lipid accumulation period and, consequently, for the determination of the biomass harvesting time. The effect of environmental variables on growth parameters indicated that under higher temperature (25°C), higher light intensity (300 μmol photon m-2 s-1) and a photoperiod of 16:8 h L:D, the species showed increased growth rate (0.85 div d-1) at laboratory scale. However, the biomass production (680 mg L-1) did not increase in response to higher light intensity. Under environmental conditions tested in this study, the content of total lipids (TL) in N. oceanica CCALA 978 was generally high (24-34%). This was due to a high proportion of neutral lipids (NL), which represented between 82% and 91% of TL. However, higher contents were obtained when the cells were grown in a culture medium devoid of nitrogen, at both light intensities and 16:8 h L:D photoperiod (TL: 36% dry weight of biomass [dw] and NL: 32% dw). Under these conditions, the highest productivities of 48 mg L-1 d-1 (TL) and 43 mg L-1 d-1 (NL) were obtained. Regarding the quality of lipids, under all conditions tested, saturated fatty acids (SFA) and monounsaturated fatty acids (MUFA) were the predominant classes within NL, representing both SFA-NL and MUFA-NL 90-96% of total fatty acids. The SFA-NL increased at 25°C, 16:8 h L:D and 300 μmol photon m-2 s-1, while the MUFA-NL decreased in response to these variables. Polyunsaturated fatty acids (PUFA) were the minority class in all tested culture conditions. For all these tests, the fatty acid composition was similar in both TL and NL, being the major fatty acids following: palmitic (C16:0), palmitoleic (C16:1), oleic (C18:1n9c) and eicosapentaenoic (C20:5n3). Palmitic acid was the major component of the SFA, in both TL and NL, and it significantly increased in response to higher temperature and light intensity and longer daylight hours employed. Within MUFA, palmitoleic acid was the most abundant in the TL and NL in all culture conditions. This fatty acid decresed significantly under the highest temperature (25°C) and the longest daylight hours (16:18 h L:D) employed. Eicosapentaenoic acid was the main component of PUFA on TL and NL. However, its values did not exceed 5% under all conditions probed. In regard to oil quality parameters, iodine index, cetane number and content of linolenic acid were within the limits set by European quality standard EN14214. These features allow us to infer that the oils of N. oceanica CCALA 978 constitute a suitable feedstock for the production of biodiesel. Respecting culture experience of N. oceanica CCALA 784 in the columnar photobioreactor, sustained growth of the strain was obtained with the SWES medium, reaching 1.11 g L-1 of biomass. However, both employed light intensity and photobioreactor design were an impediment to maximize biomass production. According to these results, it is concluded that the native strain of Nannochloropsis oceanica CCALA 978 is an oleaginous robust microalga. Therefore, it can be proposed as a potentially useful oil source for biodiesel production processes. In addition, the obtained information represents a basis for the implementation of new strategies for bioenergy cultures, aimed to increase biomass, lipid content and lipid productivities, which are requisites to achieve a potentially profitable process.

As underdeveloped nations continue to industrialize and the world population continues to increase, the need for energy, natural resources, and goods will lead to ever increasing heavy metal concentrations in various waste streams that can have damaging effects on plant life, wildlife, and human health. The focus of this study is to understand the impact of individual heavy metals on Nannocholoropsis salina microalgae growth and understand the potential of microalgae to be used as a bioremediation tool for contaminated water systems. Individual metals (As, Cd, Cr, Co, Cu, Pb, Ni, Hg, Se, and Zn) were introduced into growth media. For each metal a baseline concentration was determined based on reported concentrations at various municipal and industrial wastewater sites. In addition to the baseline concentrations, experimentation was conducted at 10X and 40X the baseline to evaluate the potential for severely contaminated systems. Biological growth experimentation was performed in triplicate at the various contaminant concentrations and at 3 different light intensities. Results show nickel significantly reduced growth, while the other metal contaminated systems showed growth between 89% and 99% of the control. Increased heavy metal concentrations resulted in progressively lower growth rates. Lipid analysis shows most baseline metal concentrations slightly decrease or have minimal effects in lipid content. Metals analysis on the biomass showed the majority of the metals in the systems containing Cd, Co, Cu, and Pb were sorbed by the microalgae with minimal metals remaining in the growth media illustrating the effectiveness of microalgae to effectively bioremediate contaminated systems when contamination levels are sufficiently low to not detrimentally impact productivity. Microalgal biomass in the systems containing As, Cr, Ni, and Se showed decreased ability to sorb metal ions. Results show at moderate contamination levels, microalgae can be an effective tool for bioremediation.

O presente trabalho avaliou a influência de quatro fatores no processo de extração dos lipídios da biomassa de três microalgas marinhas: Chlorella minutíssima, Dunaliella salina e Nannochloropsis gaditana. Estes fatores foram: a umidade da biomassa, a proporção entre os solventes, o volume total de solventes e o tempo de ultrassom, estabelecidos em três diferentes níveis e verificados simultaneamente em diferentes combinações, em um arranjo ortogonal de Taguchi. O objetivo primeiro deste estudo simultâneo foi encontrar o ajuste fornecedor da maior porcentagem de lipídios. Três diferentes níveis de umidade foram investigados na biomassa: 64%, 72% e 80%. A extração de lipídios da biomassa microalgal com elevado teor de umidade permite grande economia de tempo e energia, que seriam consumidos no processo de secagem, caso o processo de extração exigisse somente biomassa seca. Quanto à proporção entre os solventes e ao volume total de solventes, buscou-se encontrar as quantidades ideais de cada um dos solventes empregados: clorofórmio, metanol e água, que contribuem para a lise celular e o sequestro mais eficiente dos lipídios. A quarta variável, o tempo de ultrassom, foi verificado por ser um catalisador do processo de lise celular. O estudo dessas variáveis visou não somente melhorar a eficácia da extração, mas economizar tempo de processo e energia. O processo compreendeu a hidratação controlada da biomassa, seguido da extração propriamente dita, onde um sistema ternário formou-se com a separação posterior em duas fases distintas, com os lipídios dissolvidos na fase orgânica. Além de determinar a melhor condição de extração, este trabalho verificou o potencial do material lipídico das três espécies à conversão em ésteres de etila, visando a produção de biodiesel e a composição em ácidos graxos, avaliando seu potencial à aplicação nutracêutica, como fonte de ácidos graxos essenciais. A melhor condição de extração resultou de uma biomassa com 64% de umidade, proporção de 5,7 de clorofórmio para 3,0 de metanol e 1,0 de água em um volume total de 33 mL de solventes por grama de biomassa; tempos de ultrassom de 50 ou 70 minutos mostraram-se adequados para obtenção dos maiores teores lipídicos. O material lipídico extraído das três espécies revelou-se promissor como matéria-prima para a produção de biodiesel, com conversões de até 94,5%, via catálise ácida, após um tempo de reação de 5 horas a 80ºC e também rico em ácidos graxos essenciais, principalmente os ácidos linoleico e ?-linolênico. A composição em ácidos graxos das três espécies foi comparada com outras espécies do mesmo gênero, e diferentes meios de cultivo, mostrando a influência do cultivo sem injeção de dióxido de carbono, que favorece a síntese de ácidos graxos poli-insaturados. O método de Taguchi foi o diferencial por permitir a avaliação conjunta de todas as variáveis, contribuindo para encontrar os melhores ajustes em menor tempo, ressaltando o ineditismo deste trabalho de pesquisa. / This work aimed to study four factors that influence in the process of lipids extraction in the biomass from three marine microalgae species: Chlorella minutíssima, Dunaliella salina and Nannochloropsis gaditana. These factors were: biomass\' moisture, solvents\' ratio, solvents\' total volume and ultrasonic time, which were set at three different levels and observed simultaneously in a Taguchi orthogonal arrangement. The first objective of this study was to find the simultaneous adjustment provider of higher percentage of lipids. Three different humidity levels were investigated in biomass: 64%, 72% and 80%. The extraction of lipids of microalgal biomass with high moisture content allows great savings of time and energy that would be consumed in the drying process before the extraction if only dry biomass was demanded. Regarding the proportion between solvents and the total volume of solvents, we looked for to find the optimal amounts of each of the employed solvent: chloroform, methanol and water, which contribute to cell lysis and more efficient lipids sequestration. The fourth variable as a catalyst cellular lysis process, ultrasound time was checked. The method comprised controlled hydration of the biomass followed by extraction, where a ternary system formed with subsequent separation into two phases, with lipids dissolved in the organic phase. Besides determining the best extraction condition, this work had as objective verifying the potential of the lipid material to conversion into ethyl esters, aiming at the production of biodiesel and the composition of fatty acids, evaluating its potential for nutraceutical application as a source of essential fatty acids. The best extraction condition employed 64% humidity biomass, ratio of 5,7/3/1 chloroform/methanol/water, 33 mL solvents/gram, ultrasound times of 50 or 70 minutes were adequate to obtain the highest lipid contents. The lipid material extracted from the three species proved promising as raw material for biodiesel production, with conversions up to 94.5%, via acid catalysis, after a reaction time of 5 hours at 80ºC and also rich in essential fatty acids, especially linoleic and ?-linolenic acids. The fatty acid composition of the three species was compared to other species of the same genus and different culture media, showing the influence of the culture without injection of carbon dioxide, which favors the synthesis of polyunsaturated fatty acids. Taguchi method was the differential for allowing the joint evaluation of all the variables, contributing to find the best adjustments in a shorter time, highlighting the novelty of this research work.

O presente trabalho avaliou a influência de quatro fatores no processo de extração dos lipídios da biomassa de três microalgas marinhas: Chlorella minutíssima, Dunaliella salina e Nannochloropsis gaditana. Estes fatores foram: a umidade da biomassa, a proporção entre os solventes, o volume total de solventes e o tempo de ultrassom, estabelecidos em três diferentes níveis e verificados simultaneamente em diferentes combinações, em um arranjo ortogonal de Taguchi. O objetivo primeiro deste estudo simultâneo foi encontrar o ajuste fornecedor da maior porcentagem de lipídios. Três diferentes níveis de umidade foram investigados na biomassa: 64%, 72% e 80%. A extração de lipídios da biomassa microalgal com elevado teor de umidade permite grande economia de tempo e energia, que seriam consumidos no processo de secagem, caso o processo de extração exigisse somente biomassa seca. Quanto à proporção entre os solventes e ao volume total de solventes, buscou-se encontrar as quantidades ideais de cada um dos solventes empregados: clorofórmio, metanol e água, que contribuem para a lise celular e o sequestro mais eficiente dos lipídios. A quarta variável, o tempo de ultrassom, foi verificado por ser um catalisador do processo de lise celular. O estudo dessas variáveis visou não somente melhorar a eficácia da extração, mas economizar tempo de processo e energia. O processo compreendeu a hidratação controlada da biomassa, seguido da extração propriamente dita, onde um sistema ternário formou-se com a separação posterior em duas fases distintas, com os lipídios dissolvidos na fase orgânica. Além de determinar a melhor condição de extração, este trabalho verificou o potencial do material lipídico das três espécies à conversão em ésteres de etila, visando a produção de biodiesel e a composição em ácidos graxos, avaliando seu potencial à aplicação nutracêutica, como fonte de ácidos graxos essenciais. A melhor condição de extração resultou de uma biomassa com 64% de umidade, proporção de 5,7 de clorofórmio para 3,0 de metanol e 1,0 de água em um volume total de 33 mL de solventes por grama de biomassa; tempos de ultrassom de 50 ou 70 minutos mostraram-se adequados para obtenção dos maiores teores lipídicos. O material lipídico extraído das três espécies revelou-se promissor como matéria-prima para a produção de biodiesel, com conversões de até 94,5%, via catálise ácida, após um tempo de reação de 5 horas a 80ºC e também rico em ácidos graxos essenciais, principalmente os ácidos linoleico e ?-linolênico. A composição em ácidos graxos das três espécies foi comparada com outras espécies do mesmo gênero, e diferentes meios de cultivo, mostrando a influência do cultivo sem injeção de dióxido de carbono, que favorece a síntese de ácidos graxos poli-insaturados. O método de Taguchi foi o diferencial por permitir a avaliação conjunta de todas as variáveis, contribuindo para encontrar os melhores ajustes em menor tempo, ressaltando o ineditismo deste trabalho de pesquisa. / This work aimed to study four factors that influence in the process of lipids extraction in the biomass from three marine microalgae species: Chlorella minutíssima, Dunaliella salina and Nannochloropsis gaditana. These factors were: biomass\' moisture, solvents\' ratio, solvents\' total volume and ultrasonic time, which were set at three different levels and observed simultaneously in a Taguchi orthogonal arrangement. The first objective of this study was to find the simultaneous adjustment provider of higher percentage of lipids. Three different humidity levels were investigated in biomass: 64%, 72% and 80%. The extraction of lipids of microalgal biomass with high moisture content allows great savings of time and energy that would be consumed in the drying process before the extraction if only dry biomass was demanded. Regarding the proportion between solvents and the total volume of solvents, we looked for to find the optimal amounts of each of the employed solvent: chloroform, methanol and water, which contribute to cell lysis and more efficient lipids sequestration. The fourth variable as a catalyst cellular lysis process, ultrasound time was checked. The method comprised controlled hydration of the biomass followed by extraction, where a ternary system formed with subsequent separation into two phases, with lipids dissolved in the organic phase. Besides determining the best extraction condition, this work had as objective verifying the potential of the lipid material to conversion into ethyl esters, aiming at the production of biodiesel and the composition of fatty acids, evaluating its potential for nutraceutical application as a source of essential fatty acids. The best extraction condition employed 64% humidity biomass, ratio of 5,7/3/1 chloroform/methanol/water, 33 mL solvents/gram, ultrasound times of 50 or 70 minutes were adequate to obtain the highest lipid contents. The lipid material extracted from the three species proved promising as raw material for biodiesel production, with conversions up to 94.5%, via acid catalysis, after a reaction time of 5 hours at 80ºC and also rich in essential fatty acids, especially linoleic and ?-linolenic acids. The fatty acid composition of the three species was compared to other species of the same genus and different culture media, showing the influence of the culture without injection of carbon dioxide, which favors the synthesis of polyunsaturated fatty acids. Taguchi method was the differential for allowing the joint evaluation of all the variables, contributing to find the best adjustments in a shorter time, highlighting the novelty of this research work.

Nannochloropsis oculata is one of promising oleaginous microalga, containing a plenty of fat which can be extracted and transformed into biodiesel. The purpose of this study is to develop a closed system, Outdoor Temperature Controllable Photobioreactor System (OTCPS), to cultivate the algae in pure and massive quantity. In this research, the seawater from Sizihwan is used as the cultivation liquid. Lambert-Beer¡¦s Law is adopted to calculate the attenuation coefficient of light intensity in a water column. By adjusting the water depth, not only the light intensity but also the water temperature could be controlled at the optimal situation and thus avoids unfavorable temperature changing in harsh weather. Therefore to establish the relationship of light intensity and water temperature is critical for the success of growing microalgae in outdoor conditions. The temperature variation of culture medium can be explained by the heat transfer theorem. In this study, the heat radiation mechanism and the first order of Fourier heat conductivity were adopted to simulate the liquid temperature change. The simulation results have shown good agreement with the filed data especially during daytime. The experimental results reveal that the winter grow rate of Nannochloroposis oculata is 0.33 d-1 , while the summer growth rate is only 0.20 d-1 . This may imply that the high temperature is an inhibition to the growth of Nannochloroposis oculata. Besides when the cell density of microalgae is getting higher, each individual alga may create mutual shading effect and thus reduce the photosynthetic efficiency. In conclusion, the proposed photobioreactor has been successfully tested in summer, autumn, and winter at Kaohsiung, in the south of Taiwan. This indicates that this device can be broadly used in the subtropic zone

This dissertation investigates harvesting of marine microalgae for bioenergy and production of two recombinant proteins for therapeutic applications in Chlamydomonas reinhardtii. The first study describes harvesting of marine microalgae by flocculation using aluminum chloride (AlCl_3), natural polymer chitosan, and synthetic cationic polymers. Harvesting and concentration process of low concentration microalgae cultures ranging from 1 to 2 g dry weight per liter was affected by algogenic organic matter (AOM), ionic strength, cell concentration, polymer charge density, and media pH. Marine microalgae flocculation was greatly affected by the presence of AOM independently of the flocculant chemistry. Presence of AOM demanded extra flocculant dosage i.e., 3-fold of AlCl3, 7-fold of highly charged synthetic cationic polymer, and 10-fold of chitosan. Flocculant dosage required for > 90 % flocculation efficiency in the presence of AOM was 160 mg/L, 50 mg/L, and 20 mg/L when using AlCl_3, chitosan, and best (more efficient) synthetic polymer respectively. The high-ionic strength of saline water did not have a significant effect on flocculation efficiency when using AlCl_3. However, to achieve efficient algal biomass removal, application of highly-charged synthetic polymers was required to overcome the presence of electrolytes. The best synthetic cationic polymer tested herein, which achieved greater than 90 % flocculation efficiency at 20 mg/L dosage, was a polymer with 99 % cationic charge density. Cell concentration also affected flocculant dosage requirement; low density cultures (10^6 cells/mL) required 6-fold greater dosages than cultures grown until early stationary phase (10^7 cells/mL). The second study addresses cultivation, extraction and purification challenges of two complex recombinant proteins, an immunotoxin molecule (MT51) and malaria vaccine antigen (Pfs25) produced in the chloroplast of C. reinhardtii. Main challenges identified were i) low transgene expression level, ii) proteolytic instability of MT51 immunotoxin, and iii) aggregation of Pfs25 antigen. Optimal expression and accumulation of Pfs25 antigen required growing C. reinhardtii cultures to late exponential phase (10^6 cells/mL) and inducing transgene expression for 24 h at a photon irradiance of 120 µmol/m^2s.

Microalgas são micro-organismos fotossintetizantes que convertem CO2 majoritariamente em lipídios, proteínas e carboidratos. A produção de microalgas é indicada atualmente como alternativa para biomitigação de CO2 e para geração de biocombustíveis, a partir da conversão da biomassa através de processos químicos e biotecnológicos. As vantagens das microalgas estão na sua maior velocidade de crescimento em relação a vegetais oleaginosos superiores e em seu teor lipídico, que para algumas espécies pode chegar a valores maiores que 50%. Apesar do potencial envolvendo as microalgas, muitos desafios ainda precisam ser superados para tornar viável a aplicação desses micro-organismos para fins energéticos. São necessários desenvolvimentos nas mais diversas áreas, abordando os seguintes aspectos: seleção e melhoramento genético de espécies, alcance de maior eficiência fotossintética, desenvolvimento de sistemas de produção e de seu escalonamento, desenvolvimento de sistemas e processos de colheita, extração e processamento, aproveitamento de nutrientes provenientes de resíduos, otimização de condições operacionais, dentre outros. Este trabalho teve por objetivo determinar as melhores condições de crescimento da microalga marinha Nannochloropsis oculata em um fotobiorreator airlift. Os experimentos foram realizados seguindo um delineamento composto central rotacional com temperatura, (19 a 29 °C), concentração de nitrato no meio de cultivo (f/2) (25 a 125 mg.l-1) e intensidade luminosa (3636 a 10364 lux) como variáveis de estudo. Uma planta laboratorial com 12 fotobiorreatores foi construída, permitindo realizar os experimentos do referido planejamento em dois blocos. As variáveis de resposta estudadas e os respectivos melhores resultados experimentais obtidos foram de 482,7 mg.l-1 para a máxima concentração de biomassa, nas condições de 21 °C, 105 mg.l-1 de NaNO3 e 9000 lux, taxa instantânea de crescimento no período exponencial de 0,5624 d-1, nas condições de 24 °C, 75 mg.l-1 de NaNO3 e 7000 lux e percentual de lipídios em biomassa liofilizada de 30,36%, nas condições de 21 °C, 45 mg.l-1 de NaNO3 e 5000 lux. / Microalgae are photosynthetic microorganisms that convert CO2 mainly into lipids, proteins and carbohydrates. Microalgae production is currently pointed out as an alternative for CO2 biomitigation and generation of renewable biofuels, from biomass conversion by chemical and biotechnological processes. Microalgae advantages are fastest growth comparing with oil crops and their higher lipid content, which for some species can reach values above 50%. Despite the potential involving microalgae, many challenges remain to be overcome to make feasible the application of these microorganisms for energy purposes. We need to develop several areas, addressing the following issues: selection and genetic improvement of species, reaching higher photosynthetic efficiency, development of production systems and their scale up, development of systems and procedures for harvest, extraction and processing, use of nutrients from flue gases and wastewater, optimization of operating conditions, etc. This study aimed to determine the best conditions for growth of the marine microalgae Nannochloropsis oculata in airlift phootobioreactor. Experiments were carried out following a central composite design of the following variables: temperature (19 to 29 ° C), nitrate concentration in the culture medium (f/2) (25 to 125 mg.l-1) and irradiance (3636 to 10364 lux). A laboratory plant was built with 12 photobioreactors, allowing perform the central composite design in two blocks. The response variables studied and the best experimental results obtained were 482,7 mg.l-1 for maximum biomass concentration under conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 105 mg.l-1 and 9000 lux, instantaneous rate of increase in exponential period equal to 0.5624 d-1 under the conditions of 24 °C, NaNO3 concentration 75 mg.l-1 and 7000 lux and percentual lipid content in lyophilized biomass of 30.36% under the conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 45 mg.l-1 and 5000 lux.

Microalgas são micro-organismos fotossintetizantes que convertem CO2 majoritariamente em lipídios, proteínas e carboidratos. A produção de microalgas é indicada atualmente como alternativa para biomitigação de CO2 e para geração de biocombustíveis, a partir da conversão da biomassa através de processos químicos e biotecnológicos. As vantagens das microalgas estão na sua maior velocidade de crescimento em relação a vegetais oleaginosos superiores e em seu teor lipídico, que para algumas espécies pode chegar a valores maiores que 50%. Apesar do potencial envolvendo as microalgas, muitos desafios ainda precisam ser superados para tornar viável a aplicação desses micro-organismos para fins energéticos. São necessários desenvolvimentos nas mais diversas áreas, abordando os seguintes aspectos: seleção e melhoramento genético de espécies, alcance de maior eficiência fotossintética, desenvolvimento de sistemas de produção e de seu escalonamento, desenvolvimento de sistemas e processos de colheita, extração e processamento, aproveitamento de nutrientes provenientes de resíduos, otimização de condições operacionais, dentre outros. Este trabalho teve por objetivo determinar as melhores condições de crescimento da microalga marinha Nannochloropsis oculata em um fotobiorreator airlift. Os experimentos foram realizados seguindo um delineamento composto central rotacional com temperatura, (19 a 29 °C), concentração de nitrato no meio de cultivo (f/2) (25 a 125 mg.l-1) e intensidade luminosa (3636 a 10364 lux) como variáveis de estudo. Uma planta laboratorial com 12 fotobiorreatores foi construída, permitindo realizar os experimentos do referido planejamento em dois blocos. As variáveis de resposta estudadas e os respectivos melhores resultados experimentais obtidos foram de 482,7 mg.l-1 para a máxima concentração de biomassa, nas condições de 21 °C, 105 mg.l-1 de NaNO3 e 9000 lux, taxa instantânea de crescimento no período exponencial de 0,5624 d-1, nas condições de 24 °C, 75 mg.l-1 de NaNO3 e 7000 lux e percentual de lipídios em biomassa liofilizada de 30,36%, nas condições de 21 °C, 45 mg.l-1 de NaNO3 e 5000 lux. / Microalgae are photosynthetic microorganisms that convert CO2 mainly into lipids, proteins and carbohydrates. Microalgae production is currently pointed out as an alternative for CO2 biomitigation and generation of renewable biofuels, from biomass conversion by chemical and biotechnological processes. Microalgae advantages are fastest growth comparing with oil crops and their higher lipid content, which for some species can reach values above 50%. Despite the potential involving microalgae, many challenges remain to be overcome to make feasible the application of these microorganisms for energy purposes. We need to develop several areas, addressing the following issues: selection and genetic improvement of species, reaching higher photosynthetic efficiency, development of production systems and their scale up, development of systems and procedures for harvest, extraction and processing, use of nutrients from flue gases and wastewater, optimization of operating conditions, etc. This study aimed to determine the best conditions for growth of the marine microalgae Nannochloropsis oculata in airlift phootobioreactor. Experiments were carried out following a central composite design of the following variables: temperature (19 to 29 ° C), nitrate concentration in the culture medium (f/2) (25 to 125 mg.l-1) and irradiance (3636 to 10364 lux). A laboratory plant was built with 12 photobioreactors, allowing perform the central composite design in two blocks. The response variables studied and the best experimental results obtained were 482,7 mg.l-1 for maximum biomass concentration under conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 105 mg.l-1 and 9000 lux, instantaneous rate of increase in exponential period equal to 0.5624 d-1 under the conditions of 24 °C, NaNO3 concentration 75 mg.l-1 and 7000 lux and percentual lipid content in lyophilized biomass of 30.36% under the conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 45 mg.l-1 and 5000 lux.

Microalgas são micro-organismos fotossintetizantes que convertem CO2 majoritariamente em lipídios, proteínas e carboidratos. A produção de microalgas é indicada atualmente como alternativa para biomitigação de CO2 e para geração de biocombustíveis, a partir da conversão da biomassa através de processos químicos e biotecnológicos. As vantagens das microalgas estão na sua maior velocidade de crescimento em relação a vegetais oleaginosos superiores e em seu teor lipídico, que para algumas espécies pode chegar a valores maiores que 50%. Apesar do potencial envolvendo as microalgas, muitos desafios ainda precisam ser superados para tornar viável a aplicação desses micro-organismos para fins energéticos. São necessários desenvolvimentos nas mais diversas áreas, abordando os seguintes aspectos: seleção e melhoramento genético de espécies, alcance de maior eficiência fotossintética, desenvolvimento de sistemas de produção e de seu escalonamento, desenvolvimento de sistemas e processos de colheita, extração e processamento, aproveitamento de nutrientes provenientes de resíduos, otimização de condições operacionais, dentre outros. Este trabalho teve por objetivo determinar as melhores condições de crescimento da microalga marinha Nannochloropsis oculata em um fotobiorreator airlift. Os experimentos foram realizados seguindo um delineamento composto central rotacional com temperatura, (19 a 29 °C), concentração de nitrato no meio de cultivo (f/2) (25 a 125 mg.l-1) e intensidade luminosa (3636 a 10364 lux) como variáveis de estudo. Uma planta laboratorial com 12 fotobiorreatores foi construída, permitindo realizar os experimentos do referido planejamento em dois blocos. As variáveis de resposta estudadas e os respectivos melhores resultados experimentais obtidos foram de 482,7 mg.l-1 para a máxima concentração de biomassa, nas condições de 21 °C, 105 mg.l-1 de NaNO3 e 9000 lux, taxa instantânea de crescimento no período exponencial de 0,5624 d-1, nas condições de 24 °C, 75 mg.l-1 de NaNO3 e 7000 lux e percentual de lipídios em biomassa liofilizada de 30,36%, nas condições de 21 °C, 45 mg.l-1 de NaNO3 e 5000 lux. / Microalgae are photosynthetic microorganisms that convert CO2 mainly into lipids, proteins and carbohydrates. Microalgae production is currently pointed out as an alternative for CO2 biomitigation and generation of renewable biofuels, from biomass conversion by chemical and biotechnological processes. Microalgae advantages are fastest growth comparing with oil crops and their higher lipid content, which for some species can reach values above 50%. Despite the potential involving microalgae, many challenges remain to be overcome to make feasible the application of these microorganisms for energy purposes. We need to develop several areas, addressing the following issues: selection and genetic improvement of species, reaching higher photosynthetic efficiency, development of production systems and their scale up, development of systems and procedures for harvest, extraction and processing, use of nutrients from flue gases and wastewater, optimization of operating conditions, etc. This study aimed to determine the best conditions for growth of the marine microalgae Nannochloropsis oculata in airlift phootobioreactor. Experiments were carried out following a central composite design of the following variables: temperature (19 to 29 ° C), nitrate concentration in the culture medium (f/2) (25 to 125 mg.l-1) and irradiance (3636 to 10364 lux). A laboratory plant was built with 12 photobioreactors, allowing perform the central composite design in two blocks. The response variables studied and the best experimental results obtained were 482,7 mg.l-1 for maximum biomass concentration under conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 105 mg.l-1 and 9000 lux, instantaneous rate of increase in exponential period equal to 0.5624 d-1 under the conditions of 24 °C, NaNO3 concentration 75 mg.l-1 and 7000 lux and percentual lipid content in lyophilized biomass of 30.36% under the conditions of 21 °C, NaNO3 concentration 45 mg.l-1 and 5000 lux.