La présente thèse, concernant l’ingénierie de la photosynthèse naturelle et notamment l’optimisation des procédés de production de microalgues, a été menée à l'Institut Pascal. L'approche suivie repose sur la construction de modèles de connaissance des photobioréacteurs, capables d'en prédire les performances quelle que soit leur géométrie, les conditions d'éclairement, ou le type de microalgues cultivées. Ces modèles de connaissance permettent de dégager des stratégies de conception et de conduite du procédé, qui sont utilisées pour développer et réaliser des démonstrateurs performants, à l'échelle pilote. Cette thèse a pour objet d'étude un photobioréacteur pilote de 24 litres utiles à agitation pneumatique dans lequel la lumière est apportée dans le volume réactionnel par 1000 fibres optiques à diffusion latérale. Sa conception repose sur le principe innovant de Dilution Contrôlée du Flux solaire en Volume (DiCoFluV) dont l'objectif est d'atteindre l'efficacité thermodynamique maximale de la photosynthèse. Au cours de cette thèse, le réacteur a été étudié en conditions d’éclairement parfaitement contrôlées, grâce à des lampes à décharges. Il a été rendu fonctionnel (en incluant sa régulation et son amélioration), puis caractérisé en termes d'hydrodynamique et de transfert radiatif. Notamment, le flux radiatif incident à la surface des fibres optiques a été déterminé par des expériences d'actinométrie (sel de Reinecke), grâce à un traitement original permettant l'analyse de situations avec absorption partielle du rayonnement et en géométrie complexe. Ensuite, une année de culture ininterrompue de la cyanobactérie Arthrospira platensis (dont six phases de fonctionnement continu) ont permis de mesurer la vitesse volumétrique moyenne de production de biomasse et l'efficacité thermodynamique du pilote. Pour les faibles densités de flux testées (dilution), les résultats expérimentaux ont montré l’apparition d’un phénomène de photorespiration qui a été intégré dans le modèle de couplage thermocinétique. De plus, ce manuscrit présente également l'utilisation de la méthode de Monte Carlo pour la résolution des modèles radiatifs dans la géométrie réelle du procédé, définie à partir d’une conception assistée par ordinateur, ce qui est une nouvelle avancée pour le traitement des géométries complexes. Après validation de l'adéquation entre les mesures expérimentales et l'estimation prédictive par le modèle, des premières simulations du pilote en fonctionnement solaire ont été menées, à partir de bases de données solaires (DNI). Les résultats obtenus donnent des premières indications quant aux paramètres d'ingénierie (en particulier le facteur de dilution) menant à une productivité surfacique moyenne annuelle maximale, en fonction de l'implantation géographique. / The present PhD dissertation deals with photobioreaction engineering for efficient microalgae production. The approach is based on the construction of knowledge models that permit predicting the performances of the process, whatever its design, the illumination conditions, or the microalgae species cultivated. These models are used to establish optimal design and control strategies that are implemented to construct and operate pilot-scale plants. Here, a 24 liters air-lift photobioreactor is studied, that is based on the principle of incident solar light-flux dilution for approaching the maximum thermodynamic efficiency of natural photosynthesis. For that purpose, the culture volume is internally illuminated by 1000 light-diffusing optical fibers. As a first step toward solar production, this PhD work focuses on perfectly controlled illumination conditions ensured by discharge lamps. First, the reactor hydrodynamics and radiative transfer are characterized. In particular, incident light-flux density at the fiber surfaces is measured by actinometry (with Reinecke salt), thanks to a novel treatment enabling analyses of situations with partial light absorption and complex geometries. Then, the mean volumetric rate of biomass production and the process efficiency are measured based on one year of continuous Arthrospira platensis culture. For the low radiative flux densities tested (dilution), photorespiration by the cyanobacterium is observed and included in the thermokinetic model. Moreover, this dissertation includes a presentation of the Monte Carlo method for solving the radiative transfer equation withinthe complex geometry of the computer aided design used for manufacturing the reactor. After validation against experimental results, the model is predictively used to simulate the pilot operating with natural solar light, based on solar DNI databases. These results indicate engineering parameters (in particular the dilution factor) for optimal yearly-averaged surface productivity, as a function of Earth location.

Optimising illumination is essential for optimising the growth of phototrophic cells and their production of desired metabolites and/or biomass. This requires appropriate modulation of light and other key inputs and continuous online monitoring of their metabolic activities. Powerful non-invasive systems for cultivating heterotrophic organisms include shake flasks in online monitoring units, but they are rarely used for phototrophs because they lack the appropriate illumination design and necessary illuminatory power. This study presents the design and characterisation of a photosynthetic shake flask unit, illuminated from below by warm white light-emitting diodes with variable light intensities up to 2300 μmol m-2 s-1. The photosynthetic unit was successfully used, in combination with online monitoring of oxygen production, to cultivate Arthrospira platensis. In phototrophic growth under continuous light and a 16 h light/8 h dark cycle (light intensity: 180 μmol m-2 s-1), the oxygen transfer rate and biomass-related oxygen production were - 1.5 mmol L-1 h-1 and 0.18 mmol O2 gx-1 h-1, respectively. The maximum specific growth rate was 0.058 h-1, during the exponential growth phase, after which the biomass concentration reached 0.75 g L-1.

Notre thèse vise la conception d'un biocapteur ultra-sensible à base d'Arthrospira platensis pour la détection des substances toxiques (métaux lourds et pesticides) pour un contrôle environnemental. Cette étude concerne, dans un premier lieu, le développement de systèmes impédimétriques et à ondes acoustiques de Love, associés à des puces en Polydimethylsiloxane (PDMS) et fonctionnalisés par des cellules d'Arthrospira platensis immobilisées sur une multicouche de polyélectrolytes déposés par la méthode « Layer by Layer ». L'étude fondamentale des interactions physiques-chimiques-biologiques mises en jeu lors des étapes de fonctionnalisation du capteur, et son application à la détection de cadmium et de mercure, est également abordée, à travers une étude acoustique (suivi en temps réel), électrochimique et microscopique (microscopie à force atomique (AFM) en milieu sec ou liquide et microscopique électronique à balayage (MEB)). Dans un deuxième lieu, cette étude présente les systèmes conductimétriques basés sur l'inhibition des activités enzymatiques de la cyanobactérie par les polluants. Différents modes d'immobilisation sur des microcapteurs interdigités (IDF) en or, ont été étudiés : immobilisation via les monocouches auto-assemblées « Self Assembled Monolayers », immobilisation via les nanoparticules d'or revêtues par du PAH et co-réticulées à l'albumine à l'albumine de sérum bovin sous vapeur saturée de glutaraldéhyde. Ce principe de détection consiste à inhiber l'Activité Phophatase Alcaline (APA) par les métaux lourds et l'Activité Estérase (AChE) par les pesticides. Des limites de détection excellente (10-20 M) ont été obtenues. Un biocapteur bi-enzymatique a été élaboré avec le même biorécepteur (Arthrospira platensis) pour une multi-détection des polluants. Ce capteur a été testé sur des échantillons d'eaux prélevés sur des effluents hospitaliers et urbains (eaux brutes et traitées) / This thesis focuses on the design of an ultra-sensitive biosensor based on Arthrospira platensis for the detection of toxic substances (heavy metals and pesticides) for environmental monitoring. This study deals with, first, the development of impedimetric and Love acoustic wave systems, associated with Polydimethylsiloxane (PDMS) chips and functionalized with Arthrospira platensis cells immobilized on polyelectrolyte multilayers deposited by the “Layer and Layer” method. Electrochemical, acoustic and microscopic interactions with cadmium and mercury (atomic force microscopy (AFM) in dry or liquid medium and studies of scanning electron microscopy (SEM)) have been performed. This work focuses also on conductometric system based on the inhibition of enzymatic activities of cyanobacteria by pollutants. Different modes of immobilization on gold interdigitated microsensors (IDTs) were studied: immobilization via self-assembled monolayers, immobilization with gold nanoparticles coated with PAH and co-reticulated with bovine serum albumin under saturated vapor of glutaraldehyde. They were based on the inhibition of Alkaline Phosphatase activity (APA) by heavy metals Esterase Activity (AChE) by pesticides. Excellent detection limits (10-20 M) were obtained. A bi-enzymatic biosensor was developed with the same bioreceptor (Arthrospira platensis) for polluants multi-detection. This sensor has been tested on water samples of urban and hospitals effluents (before and after treatment)

O cultivo dos micro-organismos fotossintetizantes depende de alguns fatores primordiais, como a intensidade luminosa a ser empregada, a temperatura e a quantidade de nitrogênio fornecida ao reator. Extratos de micro-organismos, devido à ampla possibilidade que estes possuem de produzir compostos orgânicos, podem conter substâncias possíveis de serem utilizadas em formulações cosméticas capazes de proteger a pele contra os eventuais efeitos danosos das radiações UVA e UVB, as quais estão crescentes devido ao aumento na depleção da camada de ozônio atmosférico. Assim, esta pesquisa teve como objetivo o estudo de dois micro-organismos fotossintetizantes, Arthrospira (Spirulina) platensis e Chlorella vulgaris, como fonte de moléculas com ação fotoprotetora. Incialmente foram avaliadas fontes de nitrogênio (sulfato de amônio, nitrato de sódio e ureia) e suas concentrações em cultivos de C. vulgaris, utilizando-se erlenmeyers, e para ambos os micro-organismos foram realizados experimentos em reatores tubulares. As condições correspondentes aos maiores crescimentos celulares foram utilizadas para produção de biomassas, estas avaliadas quanto à ação fotoprotetora. Nos cultivos, foram avaliados a concentração celular máxima (Xm), produtividade em células (Px), teor proteico da biomassa seca (Tprot) e teor lipídico da biomassa seca (Tlip). Foi avaliada a ação fotoprotetora dos extratos desses micro-organismos, obtidos com solventes de diferentes polaridades, e verificando-se o potencial destes na elaboração do fotoprotetor. Em cultivos em erlenmeyers, utilizando-se meio Bold modificado, a associação de sulfato de amônio e nitrato de sódio nas concentrações de 5 mM, para ambas as fontes de nitrogênio, direcionou-se para maiores resultados de crescimentos de C. vulgaris, obtendo-se: Xm= 538 mg.L-1; Px= 28,9 mg.L-1.d-1; Tprot= 40,9 %; Tlip= 18,8 %. Nos cultivos em reatores tubulares de C. vulgaris, utilizando-se condições otimizadas em frascos Erlenmeyers (meio Bold e 5 mM de (NH4)2SO4 e 5 mM de NaNO3), os resultados obtidos foram: Xm= 3011 mg.L-1; Px= 373 mg.L-1.d-1; Tprot= 42,2 %; Tlip= 19,5 %. Nos cultivos em reatores tubulares de A. (Spirulina) platensis (meio Schlösser enriquecido com 30 mM de NaNO3), obtiveram-se: Xm= 2925 mg.L-1; Px= 370,3 mg.L-1.d-1; Tprot= 40,1 %; Tlip= 19,4 %. Dentre os extratos desses micro-organismos fotossintetizantes, o de Chlorella vulgaris foi o que apresentou o melhor FPS, revelando ser esta a que possuiu o melhor desempenho de ação fotoprotetora, cujo fator de proteção solar (FPS) foi de 38, após a formulação ser irradiada com UV. / The cultivation of the photosynthetic microorganisms relies on some key factors, such as the light intensity to be employed, the temperature and the amount of nitrogen supplied to the reactor. The extracts of microorganisms, due to the large possibility that these have to produce organic compounds, may contain substances that can be used in cosmetic formulations that protect the skin from any harmful effects of UVA and UVB radiation, which are increasing due to the increase in depletion of atmospheric ozone. Thus, this research aimed to study two photosynthetic microorganisms, Arthrospira (Spirulina) platensis and Chlorella vulgaris, as a source of molecules with sunscreen action. Initially, were evaluated sources of nitrogen (ammonium sulfate, sodium nitrate and urea) and different concentrations theirs in C. vulgaris cultures, using Erlenmeyer flasks, and for both microorganisms were carried out experiments in tubular reactors. The corresponding conditions to the larger cell growths were used for the production of biomasses, which were evaluated for theirs photoprotective action. In the medium were evaluated: the maximum cell concentration (Xm), productivity in cells (Px), protein content of the dry biomass (Tprot) and lipid content of dry biomass (Tlip). It was evaluated the photoprotective action of extracts from these microorganisms, obtained using solvents of different polarity, and verifying the potential of these in the preparation of sunscreen. In cultures in Erlenmeyer flasks, using modified medium Bold, the combination of ammonium sulfate and sodium nitrate in concentration 5 mM for both nitrogen source led to a higher growth of the C. vulgaris, getting: Xm= 538 mg.L-1; Px= 28.9 mg.L-1.d-1; Tprot= 40.9 %; Tlip= 18.8 %. In cultivation in tubular reactors of C. vulgaris, using the optimized conditions in Erlenmeyer flasks (medium Bold and 5 mM of (NH4)2SO4nd 5 mM of NaNO3), the obtained results were: Xm= 3011 mg.L-1; Px= 373 mg.L-1.d-1; Tprot= 42.2 %; Tlip= 19.5 %. In cultivation in tubular reactors of A. (Spirulina) platensis (medium Schlösser supplemented with 30 mM of NaNO3), the results were: Xm= 2925 mg.L-1; Px= 370.3 mg.L-1.d-1; Tprot= 40.1 %; Tlip= 19.4 %. Among the extracts of these photosynthetic microorganisms, Chlorella vulgaris showed the best SPF, revealing that this is what possessed the best sunscreen action performance, whose sun protection factor (SPF) was 38, after the formulation irradiated with UV.

Arthrospira (Spirulina) platensis vem sendo cultivada para a produção de biomassa pelos altos conteúdos de proteína, ácidos graxos poliinsaturados e vitaminas. O nitrogênio é um nutriente que exerce influência em seu metabolismo, e o uso de fontes nitrogenadas de baixo custo pode contribuir para a viabilização da produção de A. platensis. Foi verificado o crescimento do microrganismo empregando uréia como fonte de nitrogênio por meio de processo contínuo, visando evitar níveis inibitórios de amônia no meio. Verificou-se a influência da vazão específica de alimentação (D, 0,04 a 0,44 dia-1) utilizando duas concentrações de uréia (N0) de 0,5 e 5 mM no meio de alimentação. Para N0=0,5mM, a maior produtividade em células (PX) obtida foi 201,5 mg.L-1.dia-1com D=0,44d-1; nessas condições a concentração celular em regime permanente (XP) foi 458 mg.L-1, obtendo-se uma biomassa com um teor de proteínas de 27,2%. Para N0=5mM, o máximo valor de PX encontrado foi 148,2 mg.L-1.dia-1, com D=0,12d-1; nessa vazão de alimentação, o XP foi 1235 mg.L-1 e o teor protéico na biomassa (71,9%) o mais alto encontrado. / Arthrospira platensis is being cultivated for biomass production because of its high content of proteins, polyunsaturated fatty acids and vitamins. Nitrogen is a nutrient which has a big influence in its metabolism, and the use of low cost sources of this element could contribute for the feasibility of A. platensis production. It was verified the growth of the microorganism using urea as a nitrogen source by a continuous process, to avoid ammonia inhibitory levels into the culture. It was evaluated the influence of the specific dilution rate (D, 0.04 to 0.44 day-1) in the culture applying two urea concentrations (N0) 0.5 and 5mM in the feeding medium. For N0=0,5mM, the highest cell productivity (PX) obtained was 201.5 mg.L-1.day-1using D=0.44d-1; under these conditions the cell concentration in steady state (XP) was 458 mg.L-1, obtaining a biomass with a protein content of 27.2%. For N0=5mM, the highest PX value was 148.2 mg.L-1.day-1, with D=0.12 day-1; under this dilution rate, the XP was 1235 mg.L-1 and its protein content (71.9%) was the highest achieved.

A microalga Spirulina platensis, que possui alto de teor de proteínas, vem sendo cultivada fotoautotroficamente para a produção de biomassa microbiana. Embora as fontes convencionais de nitrogênio utilizadas para a produção de Spirulina sejam os nitratos, há a possibilidade do emprego de fontes alternativas, como a uréia, utilizando o processo descontínuo alimentado, com diminuição do custo de produção. No entanto, o uso exclusivo de uréia, em função de sua hidrólise no meio de cultivo e conseqüente perda de amônia, pode levar as células a crescerem por determinados períodos sob carência da fonte de nitrogênio, uma vez que esta fonte não pode ser adicionada em grandes quantidades devido à toxicidade da amônia proveniente de sua hidrólise. Este trabalho teve como objetivo verificar se a adição de nitrato de potássio em cultivos realizados com uréia podem levar a processos com maior produtividade e/ou aumento na quantidade de biomassa produzida. Foram verificadas várias proporções entre as concentrações iniciais de nitrato de potássio e uréia, utilizando planejamento experimental e a metodologia de superfície de resposta. As variáveis dependentes foram concentração celular máxima (Xm), produtividade em células (Px) e fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N), bem como, os teores de clorofila, proteínas e lipídios na biomassa obtida. Os resultados obtidos permitiram concluir que a associação de nitrato de potássio e uréia aumentaram a concentração celular máxima. A condição ótima obtida pela análise de regressão multivariável para Xm foi 17,3 mM de KNO3 e 8,90 mM de uréia, nessas condições foram obtidos 6077 ±199 mg/L. / The cyanobacterium Spirulina platensis, that have high protein content, has been cultivated photoautrophically for microbial biomass production. However nitrates are the conventional nitrogen sources for Spirulina, there is the possibility of use alternative source, as urea by fed batch process, decreasing the costs of production. So, the exclusive use of urea, due to urea hydrolysis in culture medium and consequently loss of ammonia, can cause the cell to growing for specific moments without nitrogen source, because urea can not be added in huge quantity due to the ammonia toxicity provide by its hydrolysis. This work have as objectives verify if the potassium nitrate addition in the culture carried out with urea can lead a process with more productivity and/or increase in the biomass quantity. It was verified many proportion between initial concentration of potassium nitrate and urea, using experimental planning and surface response methodology. The dependent variables were maximum cell concentration (Xm), cell productivity (Px) and nitrogen-cell conversion factor (YX/N), as well as biomass contents of chlorophyll, protein and lipids. The results allowed us concluded that the association of KNO3 and urea was good and improved the maximum cell concentration. The optimal condition otained by statistic analysis for Xm was 17,3 mM of KNO3 and 8,90 mM of urea. In this condition the maximum cell concentration was 6077 ±199 mg L-1.

A cianobactéria Arthrospira (Spirulina) platensis, é um dos micro-organismos fotossintetizantes mais estudados e cultivados, e atualmente tem sido utilizado para a produção de biomassa, com elevado conteúdo de proteínas, vitaminas, minerais, aminoácidos essenciais, ácidos graxos poli-insaturados e pigmentos, com potencial uso como complemento alimentar para humanos, bem como em alimentação de animais. No entanto, o cultivo de micro-organismos fotossintetizantes tem uma demanda hídrica bastante alta. Dessa forma, é importante a realização de trabalhos que avaliem a possibilidade de reuso de meio de cultivo de Arthrospira, que, além de reduzir os custos com nutrientes, contemplam o aspecto ambiental, evitando salinização do solo e eutrofização de corpos hídricos. Este trabalho avaliou a reutilização de meios do cultivo de Arthrospira (Spirulina) platensis tratados com carvão ativado em pó e diferentes agentes coagulantes. Os efluentes foram obtidos dos cultivos de A. platensis com nitrato de sódio como fonte de nitrogênio em processo descontínuo, em minitanques. Os efluentes passaram por tratamentos físico-químicos com diferentes concentrações de carvão ativado em pó (30, 40 e 50 mg.L-1) e cloreto férrico (6, 10 e 14 mg.L-1) ou sulfato férrico (15, 25 e 35 mg.L-1) para serem reaproveitados em cultivos desse micro-organismo. O reuso de meio no cultivo de A. platensis mostrou resultados aceitáveis, observando-se que o crescimento desta cianobactéria foi satisfatório, com obtenção de concentração celular máxima (Xm) obtida de 1093 mg.L-1 em frasco Erlenmeyer, correspondente ao ensaio com meio tratado com 30 mg.L-1 de carvão ativado em pó (CAP) e 6 mg.L-1 de cloreto férrico. Esses resultados de crescimento celular foram da mesma ordem de grandeza que os resultados de Xm obtidos com meio novo e maiores que aqueles oriundos de crescimentos em meios tratados com sulfato férrico como agente coagulante, cujos valores de concentração celulares máximas não excederam 806 mg.L-1. Os cultivos em meios provenientes de tratamento com cloreto férrico não alteraram a composição da biomassa, chegando a valores de teor protéico da ordem de 47%. Conclui-se que o reuso de meio pode ser viável para a produção de biomassa de A. platensis, reduzindo o custo de produção pelo reuso dos nutrientes. / The cyanobacterium Arthrospira (Spirulina) platensis, one of the most studied and cultivated photosynthetic microorganisms and, currently has been used for biomass production of biomass, with high contents of protein, vitamins, minerals, amino acids, polyunsaturated fatty acids, and pigments, with potential use as a dietary supplement for human food supplement and animal feed. However, the cultivation of photosynthetic microorganisms have a very high water demand. Thus, is important to carry out studies evaluating the possibility of reuse of Arthrospira culture medium, which, in addition to reducing the costs of nutrients, include the environmental aspect, preventing soil salinization and eutrophication of water bodies. This work has evaluated the reuse of effluent medium from Arthrospira (Spirulina) platensis cultivation treated with powdered activated carbon and different coagulants. The effluent, obtained from A. platensis batch cultivation in bench-scale open ponds, using sodium nitrate as a nitrogen source. The effluent went through physico-chemical treatments employing different concentrations of powdered activated carbon (30, 40, and 50 mg.L-1) and ferric chloride (6, 10, and 14 mg.L-1) or ferric sulphate (15, 25, and 35 mg.L-1) for them to be reused in cultured microorganism. The reuse through the cultivation of A. platensis showed acceptable results, observing that the growth of this cyanobacterium was satisfactory, obtaining maximum cell concentration (Xm) obtained 1093 mg.L-1 in Erlenmeyer flask, corresponding to the assay medium treated with 30 mg.L-1 of powdered activated carbon (PAC) and 6 mg.L-1 ferric chloride. The results of cell growth were the same order of magnitude as the results of Xm obtained with new culture medium and larger than those from growth in media treated with ferric sulfate as a coagulant agent, whose maximum values of cell concentration did not exceed 806 mg.L-1. The cultures in media from treatment with ferric chloride did not alter the composition of the biomass, reaching values of protein content of around 47%. It is concluded that the reuse of cultures medium may be feasible to produce biomass of A. platensis, reducing the production cost by recycling of nutrients.

Spirulina (Arthrospira) platensis (Cyanophyceae) é uma cianobactéria de grande potencial econômico para a produção de proteínas, principalmente. A utilização simultânea de duas fontes de nitrogênio no cultivo deste microrganismo pode aumentar a quantidade final de biomassa produzida e possibilitar resultados interessantes do ponto de vista de processo de produção. Esta pesquisa teve como principal objetivo verificar o efeito da adição de nitrato de potássio (KNO3) em cultivos de S. platensis realizados com cloreto de amônio (NH4Cl). Através da utilização de planejamento fatorial completo (22 mais configuração estrela), foram verificadas proporções de concentrações iniciais de KNO3 e totais de NH4Cl que variaram de 5,10 a 24,9 mmol · L-1. Foram realizados oito cultivos experimentais e seis cultivos de ponto central, com a utilização de processo descontínuo alimentado e vazões exponencialmente crescentes de adição do sal de amônio. As variáveis independentes (quantidade das fontes de nitrogênio) foram avaliadas simultaneamente através de metodologia de superfície de resposta (regressão multivariável) quanto a sua influência nas variáveis dependentes: concentração celular máxima (Xm), expressa em massa seca por litro de meio, produtividade em células (PX) e fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N). A otimização dos cultivos em relação à concentração celular resultou nos seguintes valores: KNO3 = 15,4 mmol · L-1 e NH4Cl = 14,1 mmol · L-1, com Xm esperado de 4450 mg · L-1. O maior valor de concentração celular obtido sob essas condições foi de 4327 mg · L-1, valor este equivalente ao obtido em cultivo de referência para KNO3 (KNO3 = 25,4 mmol · L-1; 4318 mg · L-1) e superior ao obtido em cultivo de referência para NH4Cl (NH4Cl = 21,5 mmol · L-1; 2125 mg · L-1). Concluiu-se que a adição de KNO3 em cultivos com NH4Cl contribuiu para que não houvesse deficiência de nitrogênio no decorrer dos cultivos, proporcionando maiores valores finais de biomassa, com maior conteúdo de clorofila, lipídios e proteínas. A utilização de NH4Cl permitiu a redução dos custos com o meio de cultura, tornando cultivos com associação de tais fontes de nitrogênio uma alternativa vantajosa para a produção desta cianobactéria. / Spirulina (Arthrospira) platensis (Cyanophyceae) is a cyanobacterium which has a great economic potential to protein production, particularly. The simultaneous use of two nitrogen sources can increase the final amount of produced biomass and provide interesting results from the production process point of view. This research had as main goal to evaluate the effect of potassium nitrate (KNO3) addition to S. platensis cultures performed with ammonium chloride (NH4Cl). Through the use of full factorial design (22 plus star configuration), proportions of initial KNO3 and total NH4Cl concentrations, which varied from 5.10 to 24.9 mmol · L-1, were validated. Eight experimental cultures and six central point cultures were carried out using fed-batch process and exponentially-increasing ammonium salt feeding rates. The independent variables (nitrogen sources amount) were simultaneously assessed by response surface methodology (multivariable regression) as to their influence on dependent variables: maximum cell concentration (Xm), expressed in dry mass per liter of medium, cell productivity (PX) and conversion yield of nitrogen to biomass (YX/N). The cultures optimization regarding cell concentration resulted in the following values: KNO3 = 15.4 mmol · L-1 and NH4Cl = 14.1 mmol · L-1, with an expected Xm of 4450 mg · L-1. The highest cell concentration value obtained under these conditions was 4327 mg · L-1, which is comparable to the cell concentration obtained in KNO3 reference culture (KNO3 = 25.4 mmol · L-1; 4318 mg · L-1) and superior to the one obtained in NH4Cl reference culture (NH4Cl = 21.5 mmol · L-1; 2125 mg · L-1). It was drawn that the addition of KNO3 to NH4Cl cultures contributed to avoid nitrogen deficiency during cultivation, providing higher final biomass values with higher chlorophyll, lipid and protein contents. The utilization of NH4Cl allowed the reduction of culture medium costs, turning cultures developed with such nitrogen sources association into an advantageous alternative to the production of this cyanobacterium.

Micro-organismos fotossintetizantes, incluído aqui o gênero Arthrospira, vêm sendo amplamente produzidos em larga escala em vários países, detendo um mercado que gera mais de 1 bilhão de dólares ao ano. A produção industrial utiliza grande volume de água com alta concentração salina para produzir milhares de toneladas de biomassa microalgal. É crescente a utilização de tratamento de águas por processo de separação por membranas, demonstrando ser uma técnica que gera água de ótima qualidade, de instalação compacta e de fácil automação. No presente trabalho, foi avaliada esta tecnologia para o reaproveitamento do meio de cultura em novos cultivos de micro-organismos fotossintetizantes, visando contribuir para a sustentabilidade deste processo produtivo. O efluente do cultivo de Arthrospira platensis oriundo de processo descontínuo em minitanques foi submetido a tratamento por membranas de filtração tangencial, incluindo microfiltração (MF) (porosidades de 0,65 µm e de 0,22 µm) e ultrafiltração (UF) (peso molecular de corte de 5.000 Da), em pressões transmembrana (TMP) de 22,5 a 90 kPa. Os processos de MF levaram a reduções médias de 53,9±1,3 % e 93,1±1,1 % de matéria orgânica natural (NOM) e pigmentos nos meios residuais, respectivamente. Com o uso de processos de UF, cujos meios foram previamente tratados por MF (0,22 µm e 22,5 kPa), as reduções médias de NOM e pigmentos foram de 57,2±0,5 % e 94,0±0,8 %, respectivamente. Os processos de MF com TMP de 22,5 kPa levaram a concentrações celulares máximas (Xm) equivalentes às obtidas com meio novo. O uso de membrana de 0,65 µm e TMP de 22,5 kPa levou a uma perda média de 2,9 %, 22,7 % e 16,4% dos nutrientes carbonato, fosfato e nitrato, respectivamente, mas a correção desses valores aos mesmos do meio padrão levou à obtenção dos mais altos valores de Xm (3586,6±80 mg L-1), produtividade em células (505,0±11,6 mg L-1 d-1) e fator de conversão de nitrogênio em células (29,6±0,7 mg mg-1). O teor protéico da biomassa foi estatisticamente igual ao da biomassa obtida de cultivo com meio padrão novo. Os dados deste trabalho evidenciam que processos de filtração por membrana são promissores para o reuso de meio de micro-organismos fotossintetizantes. / Photosynthetic microorganisms, including here the genus Arthrospira, have been produced worldwide in large scale, in a market which generates more than $ 1 billion a year. The industrial production uses huge volume of water with high salinity to produce thousands of tons of microalgal biomass. It is increasing the use of membrane separation process in water treatment, proving to be a technique that generates high quality water, compact and easy both installation and automation. In this study, it was evaluated this technology for the recycling of the culture medium to produce photosynthetic microorganisms, aiming to contribute to the sustainability of this production process. The effluent from Arthrospira platensis culture originating from batch process in laboratory-scale open raceway tanks was treated by tangential flow filtration with microfiltration (MF) (membrane pore size of 0.65 µm and 0.22 µm) and ultrafiltration (UF) (molecular weight cut-off of 5,000 Da), using transmembrane pressure (TMP) from 22.5 up to 90 kPa. MF processes led to average reductions of 53,9±1.3% and 93.1±1.1% of natural organic matter (NOM) and pigments in the exhausted media, respectively. With the use of UF process, whose media were pre-treated by MF (0.22 µm and 22.5 kPa), the average NOM and pigments reductions were 57.2±0.5% and 94.0±0.8%, respectively. The MF process with TMP of 22.5 kPa led to maximum cell concentrations (Xm) equivalent to those obtained with the new medium. The use of membrane of 0.65 µm under TMP of 22.5 kPa led to an average loss of 2.9%, 22.7% and 16.4% of the nutrients carbonate, phosphate and nitrate, respectively, but correcting the concentration of these nutrients to those values present in the standard medium led to obtain the highest Xm (3586.6±80 mg L-1), cell productivity (505.0±11.6 mg L-1 d-1) and nitrogen-to-cell conversion yield (29.6±0.7 cells mg mg-1). The protein content of this biomass was statistically equal to that one obtained from cultivation with standard new medium. Data from this study show that membrane filtration processes are promising for reuse media in cultivation of photosynthetic microorganisms.

O principal objetivo deste trabalho foi a avaliação do potencial da utilização do dióxido de carbono proveniente da fermentação alcoólica no cultivo Spirulina (Arthrospira) platensis, visando demonstrar a possibilidade do uso de um gás efluente na produção de biomassa microbiana de alto valor comercial. Para tanto, tal cianobactéria foi cultivada em tanques abertos, em escala laboratorial, em temperatura de 30 ± 1 °C e intensidade luminosa de 156 ± 20 µmol fótons m-2 s-1. O estudo de diversas variáveis de cultivo levou à fixação das seguintes condições: concentração do inóculo de 400 ± 20 mg L-1; pH de 9,0 ± 0,3, controlado por meio da adição de dióxido de carbono proveniente de cilindros; meio de cultura Schlösser, modificado de maneira a conter 0,497 e 16,4 g L-1 de carbonato e bicarbonato de sódio, respectivamente, e apenas 5,9 mM de nitrato de sódio; adição de 7,5 mM de sulfato de amônio no decorrer de 13 dias, em quantidades diárias exponencialmente crescentes, através do processo descontínuo alimentado de cultivo. Sob tais condições foram obtidos os seguintes resultados: concentração celular máxima (Xm) de 2990 mg L-1, produtividade celular (PX) de 185 mg L-1 d-1, velocidade específica máxima de crescimento (µm) de 0,42 d-1, fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N) de 8,85 mg mg-1, teor final de clorofila (CLf) de 4,3 mg g-1, e teores de proteínas (PTN) e lipídeos (LIP) de 35 e 21 %, respectivamente. Com a finalidade de estimular o crescimento celular de A. platensis, optou-se por aumentar o valor da intensidade luminosa de 156 para 192 ou 252 ± 20 µmol fótons m-2 s-1 no 5º, 8º ou 11º dia de cultivo. Os melhores resultados cinéticos (Xm = 3954 mg L-1, PX = 253 mg L-1 d-1) e de conteúdo da biomassa (CLf = 4,2 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 19 %) foram obtidos com aumento da intensidade luminosa para 192 ± 20 µmol fótons m-2 s-1 no 8º dia de cultivo. Os ensaios realizados sob tais condições otimizadas, porém com dióxido de carbono proveniente da fermentação alcoólica, levaram à obtenção dos seguintes resultados: Xm = 3298 mg L-1, PX = 206 mg L-1 d-1, CLf = 4,0 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 17 %. Por fim, conclui-se viável a utilização do gás carbônico resultante da fermentação alcoólica no cultivo de A. platensis. Sugere-se um estudo mais aprofundado da influência desse gás efluente industrial no metabolismo e crescimento de tal microrganismo fotossintetizante, a fim de possibilitar a obtenção de resultados de concentração e produtividade celulares tão altos quanto aqueles obtidos quando do uso de gás carbônico puro. / The main objective of this work was the evaluation of the potential of using carbon dioxide from alcoholic fermentation on Spirulina (Arthrospira) platensis cultivation, aiming to prove the feasibility of applying an effluent gas in the production of high added-value microbial biomass. In order to do so, the cyanobacterium was cultivated in laboratorial-scale open raceway tanks at temperature 30 ± 1 °C and light intensity 156 ± 20 µmol photons m-2 s-1. After the study of several cultivation variables, the following conditions were set: inoculum concentration 400 ± 20 mg L-1; pH 9,0 ± 0,3, controlled by the addition of carbon dioxide from cylinders; Schlösser medium, modified as to contain 0,497 and 16,4 g L-1 sodium carbonate and bicarbonate, respectively, and only 5,9 mM sodium nitrate; addition of 7,5 mM ammonium sulphate throughout 13 days, at exponentially increasing amounts, by the fed-batch cultivation process. Under such conditions, the following results were obtained: maximum cell concentration Xm = 2990 mg L-1, cell productivity PX = 185 mg L-1 d-1, maximum specific growth rate µm = 0,42 d-1, cell to nitrogen conversion factor YX/N = 8,85 mg mg-1, final chlorophyll content CLf = 4,3 mg g-1, and content of proteins (PTN) and lipids (LIP) of 35 and 21 %, respectively. Objectiving further optimized A. platensis growth, it was chosen to increase the light intensity from 156 to 192 or 252 ± 20 µmol photons m-2 s-1 on the 5th, 8th or 11th day of cultivation. The best results in terms of growth (Xm = 3954 mg L-1, PX = 253 mg L-1 d-1) and biomass content (CLf = 4,2 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 19 %) were reached with increasing the light intensity to 192 ± 20 µmol photons m-2 s-1 on the 8th day of cultivation. The runs carried out under such optimum conditions, but using carbon dioxide from alcoholic fermentation, led to the following results: Xm = 3298 mg L-1, PX = 206 mg L-1 d-1, CLf = 4,0 mg g-1, PTN = 28 %, LIP = 17 %. Conclusively, the use of carbonic acid gas from alcoholic fermentation on A. platensis cultivation was found viable. It would be valuable to further study the influence of this industrial effluent gas on the metabolism and growth of such photosynthetic microorganism, in order to make it possible reaching cell concentration and productivity results as high as those obtained using pure carbon dioxide.