Photobioreactor Design for Improved Energy Efficiency of Microalgae Production

ABSTRACT Photobioreactor Design for Improved Energy Efficiency of Microalgae Production Alexander Burns The objective of this research was to investigate a new photobioreactor (PBR) design for microalgae production that retains the typical advantages of existing tubular PBRs while reducing power consumption by providing simultaneous culture circulation and gas exchange with airlift alone and no centrifugal recirculating pump. Traditional tubular PBR designs feature a compressed air supply and a centrifugal pump for culture circulation and gas exchange. Circulation and gas exchange in a closed-system PBR is necessary to keep the algae suspended and to provide sufficient mass transfer (mainly for the exchange of oxygen and carbon dioxide). In a traditional tubular PBR sparged air keeps the culture well mixed and strips out excess dissolved oxygen in an airlift-column unit, while the centrifugal pump circulates the culture in the tubular stage and decreases the amount of air bubbles traveling into this stage; where most of the photosynthesis occurs. The PBR design proposed herein does away with the usual centrifugal pump. The air blower performs both gas exchange in the airlift columns and system-wide circulation. This builds on a previous tubular PBR design that provides circulation and gas exchange by airlift alone, which was patented by Cathcart in 2011. However, the Cathcart patent does not provide data on mixing, gas exchange, energy consumption, flow regime or biomass productivity. The new design described here builds on the Cathcart design, but includes several unique design features, such as larger diffuser columns which provide airlift-induced flow for a series of vertical PBR tubes. To perform a power consumption v analysis, a pilot-scale prototype of the new PBR design was built and operated. The prototype PBR consisted of two airlift columns attached to 9 m of vertical serpentine tubing connected to the top and bottom by standard 90-degree PVC elbows in a U-bend fashion to each column to make a total working volume of 235 L. The airlift columns were about 1.5 m tall and 30.5 cm ID, while the serpentine tubes were about 0.9 m tall and 7.6 cm ID to make a total of five vertical tubes for every airlift column. Data collected for this prototype design suggest an average overall areal productivity (OAP) of 111 g m-2 d-1 (g biomass m-2 total land area with empty space day-1), an average illuminated surface productivity (ISP) of 14.3 g m-2 d-1 (g biomass m-2 reactor photo-stage day-1), an average volumetric productivity (VP) of 0.55 g L-1 d-1 (g biomass L-1 reactor working volume day-1), a specific power input in the range of 330 to 360 W m-3 (W power needed for culture circulation and gas exchange m-3 reactor working volume) and a specific biomass productivity (SBP) in the range of 17.6 to 19.1 mg kJ-1 (mg biomass kJ-1 energy needed for culture circulation and gas exchange) with Chlorella vulgaris as the model algae. The biomass productivity per energy input (SBP) of the new PBR design appears to be higher than that of similar designs currently described in the literature. Elimination of the centrifugal pump in a tubular PBR design is a concept worth further study for potential energy savings

Producción de biodiesel a partir de microalgas nativas cultivadas en un fotobiorreactor a escala laboratorio

Biofuel production has expanded in the last decade and the demand for biodiesel has increased worldwide. Biodiesel can be produced from lipids found in microalgae cells due to its high photosynthetic metabolism. This process of biodiesel production represents the third-generation fuels, which have a great potential for renewable energy production in a sustainable way. Thus, the goal of this research was to produce biodiesel from native microalgae Chlorella sp cultivated on a laboratory scale photobioreactor to maximize the lipid content. A 10 L tubular bench-scale photobioreactor (T PBR) was installed with an upward airflow of 3 L min-1. Lightning was provided by five white fluorescent cold 20 W lamps with 12 hours of light and darkness, respectively. The highest lipid content of 38% with an optimal cellular concentration of 4.5 ×〖10〗^6 cells mL-1 was observed when a deprived N-concentration medium was supplied to the culture. A neutral pH of 7 ensured an ammonium’s removal rate of -5.2 mg L-1 d-1 and a nitrate’s production rate of 9.9 mg L-1 d-1. The lipids from microalgae were converted into biodiesel by a transesterification process utilizing a homogeneous catalyst KOH and methanol. The presence of methyl esters (biodiesel) was confirmed by Thin Layer Chromatography (TLC) utilizing a solvent mixture composed of petroleum ether, diethyl ether and acetic acid (80:19:1) and an iodine chamber for reveling TLC plates. Soja biodiesel from a commercial soja oil was produced as a positive biodiesel control for microalgae biodiesel. From a total lipid content of 27.4 % (v/v), 6 mL of microalgae biodiesel was obtained. The relative retardation factor (Rf) was calculated 0.76 for biodiesel produced from microalgae and indicated how close is this value from the values reported in the literatures. Hence, native strain Chlorella sp. could be a potential source for biodiesel production.La producción de biocombustibles se ha expandido en la última década y la demanda de biodiesel ha aumentado en todo el mundo. El biodiesel puede ser producido a partir de lípidos que se encuentran en las células de microalgas debido a su alto metabolismo fotosintético. Este proceso de producción de biodiesel representa los biocombustibles de tercera generación, que tienen un gran potencial para la producción de energía renovable de manera sostenible. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación es producir biodiesel a partir de microalgas Chlorella sp. nativa cultivada en un fotobiorreactor a escala de laboratorio para maximizar el contenido de lípidos. Un tubular fotobiorreactor de 10 L (FBR) se instaló con un flujo de aire ascendente de 3 L min-1. Luz artificial fue proporcionada por cinco lámparas blancas fluorescentes frías de 20 W con 12 horas de luz y oscuridad, respectivamente. Se observó que el contenido de lípidos más alto fue de 38% con una concentración celular óptima de 4,5 × 10^6 células ml-1,cuando se limitó las fuentes de nitrógeno. Un pH neutro de 7 aseguró una tasa de remoción de amonio de -5,2 mg L-1 d-1 y la tasa de producción de nitrato de 9,9 mg L-1 d-1. Los lípidos a partir de microalgas fueron convertidos en biodiesel por un proceso de transesterificación, utilizando un catalizador homogéneo KOH y metanol. La presencia de ésteres metílicos (biodiesel) fue confirmada por Cromatografía de Capa Fina (CCF) utilizando un solvente mezcla compuesto de éter de petróleo, éter dietílico y ácido acético (80: 19: 1) y una cámara de yodo para revelar las placas de CCF. Biodiesel de soya fue elaborado a partir de aceite de soya comercial como un control positivo para el biodiesel de microalgas. A partir de un contenido total de lípidos de 27,4% (v / v), se obtuvo 6 ml de biodiesel de microalgas. El factor de retardo relativo (Rf) obtenido fue 0.76 para biodiesel producido a partir de microalgas e indica lo cercano que es este valor en comparación a otros expuestos en la literatura. De esta manera, la cepa nativa Chlorella sp. podría ser una fuente potencial para la producción de biodiesel

Assessment of the flat-pannel membrane photobioreactor technology for wastewater treatment: Outdoor application to treat the effluent of an anaerobic membrane bioreactor

Tesis por compendio[ES] La combinación de reactores anaerobios de membranas (AnMBRs) con el cultivo de microalgas en un fotobiorreactor de membranas (MPBR) aparece como una opción ideal dentro del marco de tecnologías sostenibles para la depuración de aguas residuales. Con esta combinación de tecnologías, se puede obtener biogás a partir de la materia orgánica presente en el agua residual, mientras que los nutrientes del efluente de AnMBR se recuperan con la biomasa algal. Además, la tecnología de membranas permite obtener un efluente limpio y apto para su reutilización. Estudios previos han demostrado la capacidad de un cultivo de microalgas para recuperar los nutrientes presentes en el efluente de un sistema AnMBR a escala laboratorio. Sin embargo, el traslado de esta tecnología a condiciones controladas de laboratorio a condiciones ambientales variables puede suponer una limitación en su aplicación industrial. Este trabajo consiste en la evaluación del proceso de cultivo de microalgas en una planta piloto MPBR alimentada con el efluente de un sistema AnMBR. Para ello se han evaluado las condiciones óptimas de operación de la planta, teniendo en cuenta tanto el proceso biológico de microalgas como la velocidad de ensuciamiento de las membranas. También se ha estudiado el efecto de otros parámetros que influyen en el proceso, como la intensidad de luz aplicada a los fotobiorreactores (PBRs), temperatura, concentración de materia orgánica, presencia de otros organismos, etc.; así como el peso específico de cada parámetro dentro del proceso. Otro objetivo consiste en la búsqueda de nuevos parámetros de control del proceso que faciliten la operación en continuo del sistema. El sistema MPBR utilizado en este estudio se mostró capaz de tratar un efluente de AnMBR, cumpliendo con los límites legales de vertido. Sin embargo, esta operación se consiguió únicamente cuando se cumplían una serie de condiciones: i) El espesor de los fotobiorreactores era estrecho (10 cm). ii) Las condiciones de operación (BRT y HRT) se mantenían dentro del rango adecuado. iii) Temperatura se mantenía habitualmente debajo del límite máximo de 30 ºC. iv) No existía acumulación de nitrito. v) La fuente principal de nitrógeno era amonio. vi) La materia orgánica presente en el cultivo no era excesiva.[CA] La combinació de reactors anaerobis de membranes (AnMBRs) amb el cultiu de microalgues en un fotobioreactor de membranes (MPBR) apareix com una opció ideal dins el marc de tecnologies sostenibles per a la depuració d'aigües residuals. Amb aquesta combinació de tecnologies, es pot obtenir biogàs a partir de la matèria orgànica present en l'aigua residual, mentre que els nutrients de l'efluent de AnMBR es recuperen amb la biomassa algal. A més, la tecnologia de membranes permet obtenir un efluent net i apte per a la seua reutilització. Estudis previs han demostrat la capacitat d'un cultiu de microalgues per recuperar els nutrients presents en l'efluent d'un sistema AnMBR a escala laboratori. No obstant això, el trasllat d'aquesta tecnologia de condicions controlades de laboratori a condicions ambientals variables pot suposar una limitació en la seua aplicació industrial. Aquest treball consisteix en l'avaluació del procés de cultiu de microalgues en una planta pilot MPBR alimentada amb l'efluent d'un sistema AnMBR. Per a això s'han avaluat les condicions òptimes d'operació de la planta, tenint en compte tant el procés biològic de microalgues com la velocitat d'embrutiment de les membranes. També s'ha estudiat l'efecte d'altres paràmetres que influeixen en el procés, com la intensitat de llum aplicada als fotobioreactors (PBRs), temperatura, concentració de matèria orgànica, presència d'altres organismes, etc .; així com el pes específic de cada paràmetre dins del procés. Un altre objectiu consisteix en la recerca de nous paràmetres de control del procés que facilitin l'operació en continu del sistema. El sistema MPBR utilitzat en aquest estudi es va mostrar capaç de tractar un efluent de AnMBR, complint amb els límits legals d'abocament. No obstant això, aquesta operació es va aconseguir únicament quan es complien una sèrie de condicions: i) El gruix dels fotobioreactors era estret (10 cm). ii) Les condicions d'operació (BRT i HRT) es mantenien dins del rang adequat. iii) La temperatura es mantenia habitualment baix del límit màxim de 30 ºC. iv) No existia acumulació de nitrit. v) La font principal de nitrogen era amoni. vi) La matèria orgànica present en el cultiu no era excessiva.[EN] The combination of anaerobic membrane reactors (AnMBRs) and microalgae membrane photobioreactor (MPBR) appears as an ideal option within the framework of sustainable technologies for wastewater treatment. This combination enables to produce biogas from the organic matter present in wastewater, while the nutrient content of the AnMBR effluent can be recovered from microalgae biomass. In addition, membrane technology allows obtaining a water effluent which can be suitable for reclamation. Previous studies have proved the capability of a microalgae culture to recover the nutrients present in AnMBR effluent at lab scale. However, up-scaling from controlled lab conditions to varying outdoor conditions could limit the industrial applications of this technology. This study consists of the assessment of a microalgae culture in an MPBR pilot plant fed by effluent of an AnMBR system. For this, optimal operating conditions of the MPBR plant were evaluated, considering both the microalgae biological process and the membrane fouling rate. The effect of other parameters that have an influence on the process such as light intensity applied to the photobioreactors (PBRs), temperature, organic matter concentration, presence of other organisms, etc., was also studied; as well as the specific weight of each parameter on the process. Another goal consisted of finding new controlling parameters that ease the continuous operation of the system. The MPBR system used in this study showed appeared to be capable of treating AnMBR effluent, successfully accomplishing legal discharge limits. However, this was only achieved when the following conditions were reached: i) PBR light path was as narrow as 10 cm. ii) Operating conditions (BRT and HRT) were in the appropriate range. iii) Temperature was under the máximum limit of around 30 ºC. iv) Nitrite was not accumulated. v) Ammonium was the main nitrogen source. vi) Organic matter concentration in the culture was not high.González Camejo, J. (2019). Assessment of the flat-pannel membrane photobioreactor technology for wastewater treatment: Outdoor application to treat the effluent of an anaerobic membrane bioreactor [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133056TESISCompendi

Development and optimization of microalgae cultivation systems: microalgal composition, photobioreactor design and characterization

Tese de doutoramento em Biological and Chemical EngineeringThis work aimed at the development and optimization of systems and techniques for microalgae cultivation, in order to make the process economically and environmentally sustainable. Three different strategies were adopted: i) maximize productivity through the optimization of culture conditions, ii) maximize productivity and decrease costs by the use of agro-industrial waste as cultivation medium; iii) development of a new, low cost and highly productive microalgae cultivation system. Carbon dioxide (CO2) is the most widely used carbon source for photoautotrophic growth of microalgae. The rate of CO2 fixation (RCO2) by Chlorella vulgaris was maximized by defining the values of CO2 concentration in air feed and aeration rate. The results revealed that the maximum RCO2 (2.22 g L-1 d-1) was obtained using 6.5% (v/v) CO2 and 0.5 vvm. Although biomass concentration and mass productivity were affected by growth conditions, no differences were obtained in the biochemical composition of cells. The optimization of specific productivity (starch and lipids for the production of bioethanol and biodiesel, respectively) was performed using strategies of nutrient limitation. Starch accumulation in C. vulgaris cells was evaluated under different initial concentrations of urea (nitrogen source) and FeNa-EDTA (iron source) in the medium. Based on the results, a two-stage process for obtaining culture cells with high concentrations of starch (> 40%) was proposed: a first stage of cultivation with initial urea and FeNa-EDTA concentrations of 1 and 0.08 g L-1, respectively, which aims at maximizing biomass productivity, followed by a second stage of cultivation in the absence of these nutrients to induce starch accumulation. The increase of lipid content in Parachlorella kessleri cells was induced using a culture medium dilution strategy. Photosynthetic carbon partitioning into starch and neutral lipid, as well as the influence of nutrient depletion and repletion on growth and pigment content in the green microalga P. kessleri were studied. The study revealed that P. kessleri used starch as a primary carbon and energy storage, but the stress caused by the decrease of nutrients concentration made the microalgae to shift the fixed carbon into reserve lipids as a secondary storage product. These findings indicate that nutritional limitation can be used in P. kessleri cultivation as a very effective and cheap strategy to increase lipid productivity, for biofuel production. Growth parameters and biochemical composition of the green microalga C. vulgaris cultivated under different mixotrophic conditions were determined and compared to those obtained from a photoautotrophic control culture. Supplementation of the inorganic culture medium with hydrolysed cheese whey powder solution, when compared photoautotrophic growth, led to a significant improvement in microalgal biomass production (from 0.10 ± 0.01 to 0.75 ± 0.01 g L d-1) and an increase in carbohydrate utilization when compared with the culture enriched with a mixture of pure glucose and galactose (from 80.5 and 49.5% of glucose and galactose utilization, respectively, to an utilization of 100% of these carbohydrates), possibly due to the presence of growth promoting nutrients in cheese whey. Mixotrophic cultivation of C. vulgaris using the main dairy industry by-product could be considered a feasible alternative to reduce the costs of microalgal biomass production, since it does not require the addition of expensive carbohydrates to the culture medium. A characterization of liquid and gas phases was performed, the mass transfer coefficient was determined, together with the light distribution profiles and flow patterns of three different photobioreactors (PBRs), namely bubble column (BC), split cylinder airlift photobioreactor (SCAPBR) 75 and SCAPBR 50. The effect of these parameters on biomass productivity was discussed. The developed SCAPBRs proved to be extremely suitable for microalgae cultivation. The design of photobioreactors (PBR), particularly the designed gas sparger, allowed meeting the needs of microalgae in terms of efficient mixing and good mass transfer coefficients (efficient supply and removal of CO2 and O2, respectively). SCAPBR 50 (at UGr = 0.0044 m s-1) showed, among the tested PBRs, the highest value of biomass productivity (0.75 g L-1 d-1). This result has been attributed to a higher efficiency of light distribution inside the PBR and to a regular and defined flow pattern, which allows exposing cells to regular light-dark periods, as demonstrated in the present workA realização deste trabalho visou o desenvolvimento e optimização de sistemas e técnicas de cultivo de microalgas de forma a tornar o processo económica e ambientalmente sustentável. Três estratégias distintas foram adoptadas: i) maximização da produtividade recorrendo à optimização das condições de cultivo; ii) maximização da produtividade e diminuição de custos recorrendo à utilização resíduos agroindustriais como meio de cultivo; iii) desenvolvimento de um novo sistema de cultivo de baixo custo e elevada produtividade. O dióxido de carbono (CO2) é a fonte de carbono mais utilizada no crescimento fotoautotrófico de microalgas. A taxa de fixação de CO2 (RCO2) por parte da Chlorella vulgaris, foi optimizada através da definição dos valores de concentração de CO2 e taxa de arejamento. Os resultados obtidos revelaram que a RCO2 máxima (2,22 g L-1 d-1) foi observada utilizando 6,5 % CO2 e 0,5 vvm. Apesar da concentração de biomassa e produtividade mássica terem sido afectadas pelas condições de cultivo, não foram obtidas diferenças na composição bioquímica das células. A optimização da produtividade específica (amido e lípidos destinados à produção de bioetanol e biodiesel, respectivamente) foi efectuada recorrendo a estratégias de limitação nutricional. A acumulação de amido em células de C. vulgaris foi avaliada sob diferentes concentrações iniciais de ureia (fonte de azoto) e FeNa-EDTA (fonte de ferro) no meio de cultivo. Com base nos resultados obtidos, foi proposto um processo de cultivo para a obtenção de células com elevadas concentrações de amido (> 40%), composto por duas fases: uma primeira fase de cultivo com concentrações iniciais de ureia e FeNa-EDTA de 1,1 e 0,08 g L-1, respectivamente, que tem como objectivo maximizar a produtividade em biomassa; seguida por uma segunda etapa de cultivo sem a presença destes nutrientes, induzindo a acumulação de amido nas células. O aumento do teor de lípidos em células Parachlorella kessleri foi induzida utilizando como estratégia a diluição do meio de cultura. A partição do carbono fotossintético em amido e lípidos neutros, bem como a influência da depleção e repleção de nutrientes no crescimento e teor de pigmentos na microalga P. kessleri foi estudada. O estudo revelou que a P. kessleri utiliza amido como fonte primária de armazenamento de carbono e energia, mas o stress causado pela diminuição da concentração de nutrientes faz a microalga direcionar o seu metabolismo para a acumulação de lípidos, sendo estes reserva energética secundária. Estes resultados indicam que a limitação nutricional pode ser usada na P. kessleri cultivo como uma estratégia muito eficaz e barata para aumentar a produtividade de lípidos. Foram determinados os parâmetros de crescimento e composição bioquímica da microalga C. vulgaris, cultivada em diferentes condições de mixotrofia, e comparados com os obtidos no cultivo padrão, efectuado em condições fotoautotróficas. A suplementação do meio de crescimento com soro de queijo hidrolisado levou a um aumento muito significativo da produtividade em termos de biomassa quando comparado com o crescimento fotoautotrófico (de 0,10 ± 0,01 para 0,75 ± 0,01 g L d-1) e a um aumento da utilização dos hidratos de carbono presentes no meio quando comparado com uma cultura enriquecida apenas com glucose e galactose (de 80,5 e 49,5% de consumo de glucose e galactose, respectivamente, para 100% de utilização destes hidratos de carbono), possivelmente devido à presença de nutrientes do soro de queijo que promovem o crescimento. O cultivo mixotrófico de C. vulgaris recorrendo ao principal subproduto da indústria dos lacticínios, pode ser considerada como uma alternativa bastante promissora para a redução de custos da produção de microalgas. A caracterização das fases líquida e gasosa, bem como a determinação do coeficiente de transferência de massa, a determinação do perfil de distribuição da luz e do padrão de fluxo foi efectuada em três fotobioreactores diferentes (BC, SCAPBR 75 e 50). Os SCAPBRs desenvolvidos revelaram-se extremamente adequados para o cultivo de microalgas. O design do SCAPBR, particularmente o sistema de arejamento desenvolvido, permitiu colmatar na totalidade as necessidades da microalga em termos de coeficientes de massa de mistura eficientes (fornecimento eficiente e remoção de CO2 e O2, respectivamente). SCAPBR 50 (com UGr = 0,0044 m s-1) apresentou o valor mais elevado de produtividade (0,75 g L-1 d-1). Este resultado deveu-se a uma maior eficiência da distribuição de luz no interior da PBR e um padrão de fluxo regular e definido, o que permite expor as células a ciclos regulares de luz e sombra

Microalgae Cultures

Microalgae have been intensively studied for CO2 capture, nutrient removal from wastewater, and biofuels production. These photosynthetic microorganisms use solar energy with efficiency ten times greater than terrestrial plants and are responsible for about 50% of the world’s oxygen production. Therefore, microalgae have been considered a sustainable solution for CO2 capture. Besides carbon, their growth also requires other macronutrients: nitrogen and phosphorus. To avoid the addition of fertilizers (increasing the production costs), these nutrients can be supplied if wastewater is used as the culture medium. The integration of biomass production with wastewater treatment enables a reduction in operational costs and the environmental impact. Microalgae are also known for their high lipid contents and high growth rates and are a promising oil source for biodiesel production. This Special Issue Book presents the recent research activities concerning the environmental applications of microalgae and their potential for biofuels production, focusing on the main challenges for their large-scale application. Since microalgal culturing can address different environmental and non-environmental issues, the achievements from the integration of multiple microalgal applications are also considered in this Special Issue Book

Industrial production of diatoms skeletonema costatum and chaetoceros calcitrans

Os oceanos são um bioma com um enorme potencial devido aos diversos recursos que provêm dos mesmos, cuja relevância económica é evidenciada por as várias indústrias que dependem e lucram dos oceanos. Uma indústria que tem emergido com contínua e crescente inovação é a biotecnologia marinha. Através desta indústria foi possível expandir a aplicabilidade dos recursos marinhos para diversas áreas, desde farmacêuticos, comidas saudáveis, energia renovável, cosméticos, biomateriais, entre outras. Fundamentalmente, a biotecnologia marinha permite a transformação de matérias-primas em productos de alto valor acrescentado, maioritariamente através do uso de microrganismos, entre eles as microalgas. As microalgas são organismos fotossintéticos unicelulares e/ou coloniais, capazes de converter luz em energia química através da fotossíntese. Este processo resulta também na produção de diversos compostos de interesse (ex: ácidos gordos polinsaturados, carotenoides, polissacáridos sulfatados), cujos principais mercados são a aquacultura, cosmética e a indústria alimentar. Para cada aplicação são escolhidas espécies específicas de microalgas, tendo em conta os seus perfis bioquímicos e características de interesse. Ao nível industrial, os sistemas de produção podem ser divididos em sistemas abertos (ex: raceways, tanques), ou em sistemas fechados (ex: fotobiorreactores tubulares, Flat panels), dependendo se, respetivamente, as culturas de microalgas estão diretamente expostas ao ambiente que as rodeia ou se existe uma barreira física que as separa. Tipicamente, espécies de microalgas mais robustas e resistentes a condições extremas são cultivadas em sistemas abertos. Os sistemas fechados permitem, então, uma maior variedade de microalgas que podem ser cultivadas, embora menos robustas e com um maior custo de produção associado. As diatomáceas são um grupo de microalgas castanhas cuja produção em larga escala é reportada em sistemas fechados e abertos, geralmente dependendo do produto final que se pretende obter. As diatomáceas têm um elevado interesse ao nível de produção industrial devido ao seu enorme potencial económico e biotecnológico. Este potencial deriva principalmente da sua composição em lípidos, pigmentos e sílica, assim como das suas capacidades de bioabsorção e biorremediação. Além disso, as elevadas taxas de duplicação, a plasticidade na alocação de carbono no interior de componentes celulares, a resiliência a alterações ambientais, assim como as elevadas taxas de sedimentação das diatomáceas incrementam o interesse da produção industrial deste grupo de microalgas. Com o objetivo de reduzir os custos de produção em simultâneo, estas indústrias investem na otimização do cultivo das suas culturas. O cultivo de diatomáceas requer o fornecimento de H2O, CO2, energia e nutrientes. Considerando o papel fulcral dos nutrientes, a adição e manipulação do meio de cultura fornecido às diatomáceas é uma das principais estratégias de otimização da sua produção. Geralmente, o meio de cultura é composto por macro-, micronutrientes e vitaminas, sendo que estas últimas são principalmente fornecidas apenas à escala laboratorial. Considerando a relevância de cada nutriente no metabolismo das diatomáceas, nitratos, fósforo e sílica são considerados macronutrientes, enquanto outros elementos como ferro, magnésio e zinco são definidos como micronutrientes. As vitaminas são tendencialmente compostas por biotina, tiamina e vitamina B12. Skeletonema costatum e Chaetoceros calcitrans são duas espécies de diatomáceas cêntricas de alto valor, cosmopolitas e formadoras de colónias, cujos principais mercados são as indústrias de aquacultura e cosméticos. Com base nas publicações existentes, a produção industrial destas diatomáceas é realizada maioritariamente em sistemas abertos; contudo, é sugerido que o seu cultivo seja realizado em fotobiorreactores. Com o contínuo interesse na obtenção de bioprodutos provenientes de diatomáceas em paralelo com o crescente potencial do mercado da biotecnologia marinha, o futuro da industrialização destas espécies aparenta ser promissor. Como tal, os objetivos deste trabalho são otimizar a produção de biomassa e avaliar a consequente composição bioquímica de duas espécies de diatomáceas de alto valor: S. costatum e C. calcitrans. De forma a cumprir estes objetivos: (1) foi realizado um processo gradual de otimização no qual as concentrações ótimas dos principais nutrientes do meio de cultura Nutribloom plus® foram determinadas ao nível laboratorial para cada espécie; (2) a validação deste processo foi realizada à escala piloto em Flat Panels no exterior, para a espécie S. costatum; (3) os efeitos do meio de cultura otimizado na composição bioquímica foram determinados para ambas as diatomáceas. O sucesso deste trabalho irá fornecer as ferramentas base para a empresa Necton S.A. aperfeiçoar vários produtos de aquafeed que já se encontram no mercado. No Capítulo 2, o processo de otimização do meio de cultura Nutribloom plus foi realizado num sistema de 12 colunas de bolhas de 1 L, separadamente para cada espécie. Neste sistema, as culturas foram sujeitas a um regime constante de luz durante um período de 7 dias. O processo gradual de otimização teve início com sílica, seguido de nitratos, fósforo, ferro e, por fim, micronutrientes. Com o uso de triplicados, foram avaliadas 4 concentrações de cada nutriente, sendo que a ótima foi selecionada previamente ao início do ensaio seguinte. Para a espécie S. costatum, o meio de cultura otimizado foi validado à escala piloto pela inoculação de 6 Flat Panels de 100 L no exterior, 3 com o meio de cultura Nutribloom plus® otimizado e 3 com o meio de cultura Nutribloom plus® controlo. Diariamente, para os ensaios realizados ao nível laboratorial e no exterior, foram avaliados o peso seco (g L-1), o pH e a temperatura das culturas, sendo que a cada 2 dias foram medidos os nitratos, sílica e fosfatos e foi readicionado o meio de cultura. Para cada ensaio, foi guardada biomassa no último dia, através da qual a análise bioquímica foi realizada, onde se obteve a composição de proteínas, lípidos, glícidos, cinzas e ácidos gordos. Para ambas as diatomáceas, os resultados obtidos salientam a relevância da otimização do meio de cultura para o aumento da biomassa produzida. Para S. costatum e C. calcitrans, as condições controlo resultaram em menor crescimento, onde os pesos secos obtidos foram 2,00 ± 0,03 gL-1 e 0,76 ± 0,03 gL-1, respetivamente. Frequentes indícios de stress ao nível morfológico foram observados em ambas as espécies cultivadas sob condições controlo, principalmente ao nível de aumento do comprimento celular e distrofia celular. A otimização da concentração de sílica resultou numa elevada melhoria de ambas as culturas, com um aumento significativo de crescimento e melhoria da performance celular, onde as concentrações deste nutriente consideradas como ótimas foram 2,4 e 1,2 mM para S. costatum e C. calcitrans, respetivamente. Este aumento do fornecimento de sílica em 6 e 3 vezes resultou em pesos secos de 3,51 ± 0,17 gL-1 e 2,03 ± 0,06 gL-1 nas culturas de S. costatum e C. calcitrans, respetivamente. A otimização da concentração de nitratos demonstrou que as condições controlo (4 mM) eram ótimas para ambas as espécies, e destacou a elevada necessidade deste nutriente, visto que o fornecimento de nitratos a concentrações inferiores resultou na diminuição do crescimento das culturas com uma elevada deterioração celular associada. Para ambas as diatomáceas, a otimização das concentrações de fósforo, ferro e micronutrientes resultaram em menores diferenças ao nível de crescimento, entre as distintas concentrações testadas. Para S. costatum e C. calcitrans, a concentração ótima de fósforo foi de 100 μM, enquanto as concentrações de ferro foram 20 e 80 μM, respetivamente, e a de micronutrientes foi de 0,5 mL L-1. Através da validação da otimização do meio de cultura para S. costatum em Flat Panels, foi registado um menor crescimento para as condições controlo e otimizadas, 0,97 ± 0,03 gL-1 e 0,86 ± 0,05 gL-1, respetivamente, quando comparado com os resultados obtidos a nível laboratorial. Este resultado pode ser atribuído à ausência de iluminação constante das culturas crescidas no exterior. Não obstante, as culturas fornecidas com o meio de cultura otimizado cresceram significativamente mais do que as culturas com condições controlo, sendo que a disparidade entre ambas teve início no quinto dia de ensaio. Desta forma, à escala piloto, o fornecimento do meio de cultura otimizado deve ser feito para níveis de peso seco superiores a 0,6 gL-1. Para as culturas de S. costatum ao nível laboratorial, as análises bioquímicas da composição proximal revelaram uma descida da % de peso seco de proteína e hidratos de carbono, sendo que a % de peso seco de cinzas aumentou e a % de peso seco manteve-se, ao longo do processo de otimização. As análises bioquímicas da composição proximal das culturas de C. calcitrans demonstram a ausência de diferenças significativas ao longo do processo de otimização. De forma semelhante, as análises bioquímicas da composição proximal das culturas de S. costatum cultivadas em Flat Panels revelam uma ausência de diferenças significativas. Relativamente à composição de ácidos gordos das culturas de S. costatum e C. calcitrans cultivadas ao nível laboratorial, os perfis de ácidos gordos de cada espécie foram caracterizados e foi possível detetar um aumento significativo no conteúdo de EPA ao longo da otimização dos nutrientes, sendo que para S. costatum este aumento também foi registado ao nível do conteúdo de DHA. Para ambas as espécies, o processo de otimização resultou no aumento significativo do conteúdo de PUFAs em detrimento dos conteúdos de SFAs e MUFAs, devido à redução das condições de stress. Contudo, esta disparidade não foi observada nas culturas de S. costatum cultivadas no exterior devido ao estado de crescimento ativo das culturas quando a biomassa foi recolhida. Adicionalmente, foram registados elevados valores de PUFAs. Em geral, através do presente trabalho foi possível aumentar a produtividade da biomassa obtida em cerca de 1,8 e 3,2 vezes em culturas de S. costatum e C. calcitrans, respetivamente. Para ambas as diatomáceas, os principais nutrientes cruciais para a otimização da biomassa em termos de crescimento foram sílica e nitratos. O processo de otimização resultou em poucas alterações ao nível da composição proximal de ambas as espécies. Contudo, ao nível da composição de ácidos gordos, foi possível registar aumentos significativos no conteúdo de PUFAs, especialmente ao nível dos ácidos gordos de valor acrescentado como EPA e DHA. Estes resultados denotam a aplicação promissora e relevante de produtos de S. costatum e C. calcitrans nas indústrias de aquacultura e nutracêuticos. O processo de otimização aplicado no presente trabalho é indispensável para o incremento da produção industrial destas espécies de diatomáceas de alto valor acrescentado, onde o aumento de produtividade em termos de biomassa e composição bioquímica é associado à redução de custos de produção.The marine biotechnology industry is a fast-growing industry that primarily uses microorganisms, such as microalgae, to obtain high-value products. Microalgal species like diatoms are currently produced industrially, given their economic and biotechnological potential. One of the main strategies to optimise their cultivation is the addition and manipulation of the culture medium. Skeletonema costatum and Chaetoceros calcitrans are two cosmopolitan high-value centric diatoms, with a rich nutritional profile. These diatoms are commercialized mainly as products for aquaculture, such as feed for molluscs and crustaceans. The purpose of the following work was to optimise the cultivation protocol of S. costatum and C. calcitrans in terms of the culture medium composition. Optimisation of this medium was performed in a stepwise fashion, where the supply of different nutrients was optimised in the following order: silicate, nitrate, phosphate, iron, and micronutrients. Furthermore, this optimisation was validated for S. costatum at pilot-scale in exterior flat panels. The biochemical profile of all cultures was characterized regarding proximal composition of protein, lipid, ash, and carbohydrates contents as well as fatty acid profile. The results obtained revealed an increase in biomass productivity for both diatoms when the supply of nutrients was optimised, with a 1.8 and 3.2-fold increase in biomass produced by S. costatum and C. calcitrans, respectively. Silicate and nitrates were the key nutrients impacting the growth of both diatoms, whilst phosphate, iron and micronutrients had smaller effects. The validation of the optimised culture medium in S. costatum cultures grown outdoors demonstrated smaller differences in biomass productivity. Furthermore, lower growth was registered for both cultures under control and optimised conditions when compared with that of cultures grown under controlled laboratory conditions, which can be attributed to the absence of constant illumination in outdoors conditions. The biochemical profile showed relevant results regarding fatty acid composition, where an increase in high-value PUFAs such as EPA was observed for both diatoms, whilst an increase in DHA was only detected for S. costatum cultures, all regarding laboratory and outdoor conditions. The present study supports the indispensable application of the described optimisation process in the industrial production of diatoms S. costatum and C. calcitrans for the increment of biomass and nutritional composition productivity of these species, which are highly relevant regarding aquaculture and nutraceuticals applications

Factors Affecting Microalgae Production for Biofuels and the Potentials of Chemometric Methods in Assessing and Optimizing Productivity

Microalgae are swift replicating photosynthetic microorganisms with several applications for food, chemicals, medicine and fuel. Microalgae have been identified to be suitable for biofuels production, due to their high lipid contents. Microalgae-based biofuels have the potential to meet the increasing energy demands and reduce greenhouse gas (GHG) emissions. However, the present state of technology does not economically support sustainable large-scale production. The biofuel production process comprises the upstream and downstream processing phases, with several uncertainties involved. This review examines the various production and processing stages, and considers the use of chemometric methods in identifying and understanding relationships from measured study parameters via statistical methods, across microalgae production stages. This approach enables collection of relevant information for system performance assessment. The principal benefit of such analysis is the identification of the key contributing factors, useful for decision makers to improve system design, operation and process economics. Chemometrics proffers options for time saving in data analysis, as well as efficient process optimization, which could be relevant for the continuous growth of the microalgae industry

Phycoremediation using botryococcus sp. as nutrients removal in organic wastewaters coupled with hydrocarbon production

Rapid population growth and industrial development are expected to contribute extremely to the world environmental crisis due to the excessive wastewater generation, global warming, climate change and increased use of petroleum fuels. In response to the problems, new technology via phycoremediation to reduce the wastewater contamination coupled with production of sustainable hydrocarbon has received much interest worldwide. Thus, the aim of the study is to produce the hydrocarbon from microalgae, Botryococcus sp. combined with phycoremediation of domestic wastewater (DW) and food processing wastewater (FW). The Botryococcus sp. locally isolated from the tropical rainforest. The optimisation study proved that the Botryococcus sp. grew well in the temperature of 23-33°C, the light intensity of 243 μmol m-2s-1 and 24 hours of light exposure. In fact, this Botryococcus sp. much more tolerated with the outdoor condition when integrated with wastewater phycoremediation in term of biomass productivity and wastewaters bioremediation. The best microalgae concentration was performed at 106 cells/mL for both wastewaters. The highest removal of nutrients (TP, TN and TOC) in DW and FW up to 100% and 92.8%, respectively under outdoor condition; while 95.4% and 76.4%, respectively under indoor condition. Selected heavy metal (Zn, Fe, Cd, Mn) study showed a very significant reduction (p<0.05) for both wastewaters as influenced by culture conditions. In flocculation harvesting, alum indicated the best coagulant to recover microalgae biomass from DW with efficiency up to 99.3% while chitosan showed a good candidate to harvest Botryococcus sp. from FW with efficiency about 94.9%. This study notably found that different culture media used in cultivation produced difference kinds of hydrocarbon compounds. As known, the biggest contribution of this algae oil as biofuel feedstock that potentially contributes to the development of renewable energy technology. Moreover, the hydrocarbon compounds obtained also have bright perspective to be used as a chemical value added in any related industry