Search

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Biológica (Ramo Tecnologia Química e Alimentar), The commercial value of microalgal biomass can be explored for various applications, such as human nutrition. Chlorella vulgaris, is one of the few species that are currently approved as food ingredient and supplements. In recent years, trends in the food industry have led to an increased demand for natural, healthy, sustainable and quality assured food. A growing niche market is the production of organic food products, due to the increasing awareness of customers nowadays. This work aims at developing and establishing an effective organic culture medium for industrial production of autotrophic and heterotrophic microalgal biomass. Initially, a preliminary study in 1.5 L airlift reactors was performed to determine the most promising organic substrates (OS). Starting with 2 mmol L-1 of nitrates and ammonia in the final growth medium, the highest biomass productivities were obtained in OS.4 (0.033 g L-1 d-1) and OS.1 (0.028 g L-1 d-1). After the elemental analysis of the OS was performed, a culture medium was developed to meet the nutrient needs of Chlorella. Once the culture medium was optimized with the ideal concentration of each solution, it was tested at autotrophic pilot and industrial scale, namely, 125 L green wall panels and a 10 m3 tubular photobioreactor. Obtained results revealed that both organic and inorganic culture media displayed the same growth pattern. Interestingly, organic microalgae biomass presented good physicochemical properties with a significantly higher content of proteins compared to the control inorganic medium. Since heterotrophic cultivation is a more suitable approach to “seed” (inoculum) the autotrophic production photobioreactors, a heterotrophic medium was optimized using an organic carbon source (molasse). Following the optimization of sucrose inversion in molasse at 45 O C, pH 5.8 and 0.015 mg mL-1 of enzyme, the carbon source was optimized by testing different concentrations. From the study conditions, 5 g L-1 of glucose showed higher biomass productivity (0.07 g L-1 h-1) but at 10 g L-1 glucose the growth was inhibited. Afterwards, the N concentration was optimized using the previously optimized autotrophic growth medium. In this context, different N concentrations were tested (1, 5 and 10 mmol L-1 of N). The highest volumetric productivities were obtained at 5 and 10 mmol L-1 of N (0.023 ± 0.002 and 0.025 ± 0.001 g L-1 h-1 respectively). Following the optimization of the C and N concentrations a fed-batch growth on a 7 L bench top fermenter denoted that heterotrophic growth can be used for inoculum production. In this experiment, approximately 13.1 g L-1 of biomass dry weight were achieved, however, further optimization of the fed-batch operation will enable a significant improvement of the final biomass productivities., O valor comercial da biomassa algal pode ser explorado para várias aplicações, como na nutrição humana. Chlorella vulgaris, é uma das poucas espécies que atualmente são aprovadas para suplementos e ingrediente alimentar. Nos últimos anos, as tendências na indústria alimentar conduziram a um aumento crescente de alimentos naturais, saudáveis, sustentáveis e de qualidade assegurada. Um nicho de mercado em crescimento é a produção de produtos alimentares biológicos, devido a um aumento de consciencialização dos consumidores de hoje. Este trabalho tem como objetivo desenvolver e estabelecer um meio de cultura biológica eficaz para produção industrial de biomassa microalgal autotrófica e heterotrófica. Inicialmente, foi realizado um estudo preliminar em reatores airlift de 1,5 L para determinar quais os substratos biológicos mais promissores (OS). Començando com 2 mmol L-1 de nitratos e amónia no meio de cultura, as maiores produtividades em biomassa foram obtidas no OS.4 (0,033 g L-1 d-1) e OS.1 (0,028 g L-1 d-1). Após a análise elementar dos OSs, foi desenvolvido um meio para atender às necessidades nutricionais da Chlorella. Assim que o meio de cultura foi otimizado com a concentração ideal de cada solução, foi testado autotroficamente em escala piloto e industrial, nomeadamente green wall panels de 125 L e um fotobiorreactor tubular de 10 m3. Os resultados obtidos revelaram os meios de cultura biológicos e não biológicos exibiram o mesmo padrão de crescimento. Curiosamente, a biomassa biológica apresentou boas propriedades físico-químicas com um conteúdo significativamente maior de proteínas em comparação com o controlo. Sendo o cultivo heterotrófico a abordagem mais adequada para produção de "semente" (inóculo) nos fotobiorreactores em autotrofia, um meio heterotrófico foi otimizado usando como fonte de carbono (melaço). Após a otimização da inversão de sacarose no melaço a 45 O C, pH 5,8 e 0,015 mg mL- 1 de enzima, a fonte de carbono foi testando a diferentes concentrações. Nas condições em estudo, 5 g de L-1 de glucose apresentaram maior produtividade de biomassa (0,07 g L-1 h-1), mas a 10 g de L-1, o crescimento foi inibido. Posteriormente, a concentração de N foi otimizada usando o meio de crescimento autotrófico previamente otimizado. Neste contexto, foram testadas diferentes concentrações de N (1, 5 e 10 mmol L-1). As produtividades volumétricas mais elevadas foram obtidas a 5 e 10 mmol L-1 (0,023 ± 0,002 e 0,025 ± 0,001 g L-1 h-1, respetivamente). Após a otimização das concentrações de C e N, um crescimento fed-batch num fermentador de bancada de 7 L indicou que o crescimento heterotrófico pode ser usado para a produção de inóculo. Nessa experiência, obtiveram-se aproximadamente 13,1 g L-1 de peso seco em biomassa, no entanto, uma maior otimização em fed-batch permitirá uma melhoria significativa das produtividades finais da biomassa.

Submitted by Paulo Henrique Vieira dos Santos (paulovs@ucb.br) on 2017-06-12T17:32:03Z No. of bitstreams: 1 LucasKovalskideMouraTCCGraduação2011.pdf: 5936374 bytes, checksum: 3829f74f428db9ac3fcb90f706c37be8 (MD5) Approved for entry into archive by Sara Ribeiro (sara.ribeiro@ucb.br) on 2017-06-12T21:00:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 LucasKovalskideMouraTCCGraduação2011.pdf: 5936374 bytes, checksum: 3829f74f428db9ac3fcb90f706c37be8 (MD5) Made available in DSpace on 2017-06-12T21:00:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LucasKovalskideMouraTCCGraduação2011.pdf: 5936374 bytes, checksum: 3829f74f428db9ac3fcb90f706c37be8 (MD5) Previous issue date: 2011-06-17 Ao longo da evolução da vida na Terra, é incrível notar como os organismos foram adotando diferentes estratégias de sobrevivência. Dentre as principais estratégias, pode -se dividir os organismos vivos em proto e heterotrófico. Os primeiros são capazes de obter a energia necessária para sua sobrevivência a partir diretamente da energia solar, onde sofisticadas vias bioquímicas evoluíram para transferir a energia dos fótons solares para biomoléculas, principalmente o ATP. Ao longo da evolução da vida no planeta, alguns organismos adquiriram uma outra estratégia: eles se alimentavam destes prototróficos, produtores primários e quebravam suas moléculas (catabolismo) de forma a reconstruir as suas próprias (anabolismo). Os seres humanos e os animais são organismos heterotróficos que, derivados de organismos prototróficos ancestrais, perderam a capacidade de sintetizar certas biomoléculas essenciais para sua sobrevivência. Embora há muito há se saiba sobre esta questão da evolução do comportamento heterotrófico, é incrível notar que não se conhece como, quando ou por que se deu este tipo de transformação ao longo da evolução dos organismos vivos. Alem disso, é também interessante se notar como hoje os organismos heterotróficos são tão bem adaptados aos mais diversos ambientes. Tendo essa questão como pano de fundo para o presente trabalho, o objetivo deste é investigar as vias biossintéticas (anabólicas) das principais biomoléculas responsáveis pelo metabolismo celular e a vida. Assim, mapeamos todos os genes responsáveis pelas vias de produção de: (i) aminoácidos, (ii) lipídeos, (iii) nucleotídeos e (iv) vitaminas. Uma vez mapeadas as enzimas responsáveis por estas vias biossintéticas em organismos prototróficos, realizamos estudos de genômica comparativa para tentarmos encontrar quais delas estão ausentes em grande parte dos organismos heterotróficos. Assim, descobrimos quais são exatamente as enzimas ausentes nos humanos e em outros grupos animais com relação ao metabolismo biossintético de algumas moléculas, sendo este o principal resultado desta monografia. Além disso, realizamos também a filogenia molecular de vários genes para identificarmos padrões conservados ao longo da evolução dos mesmos Throughout the evolution of life on Earth, it is amazing to note how the bodies were adopting different survival strategies. Among the main strategies can be divided into living organisms and heterotrophic proto. The former are able to obtain the energy necessary for their survival directly from solar energy, where sophisticated biochemical pathways have evolved to transfer the energy of solar photons to biomolecules, mainly ATP. Throughout the evolution of life on Earth, some organisms have acquired a different strategy: they fed these prototrophs, primary producers and broke their molecules (catabolism) to rebuild their own (anabolism). Humans and animals are heterotrophic organisms that derived from prototrophic organisms ancestors lost the ability to synthesize certain essential biomolecules for their survival.Although no one knows much about this issue in the evolution of heterotrophic behavior, it is amazing to note that we do not know how, when or why they gave this kind of transformation during the evolution of living organisms. Furthermore, it is also interesting to note how today heterotrophic organisms are so well adapted to different environments. Having this as background for this work, our objective is to investigate the biosynthetic pathways (anabolic) of the main biomolecules responsible for cellular metabolism and life. Thus, we mapped all the genes responsible for the process of production: (i) amino acids, (ii) lipids, (iii) nucleotides and (iv) vitamins. Once mapped the enzymes responsible for these biosynthetic pathways in prototrophic organisms, we performed comparative genomic studies to try to find which ones are missing in most of the heterotrophic organisms. Thus we find what are the missing enzyme in humans and other animal groups in relation to the biosynthetic metabolism of some molecules, this being the main result of this monograph. In addition, we also accomplished the molecular phylogeny of several genes to identify conserved patterns along the evolution of the same

Nesta dissertação foi demostrada a potencialidade da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli em cultivo heterotrófico para remover fósforo do efluente de laticínio, bem como o efeito da temperatura no bioprocesso. Para tanto o trabalho é composto por dois artigos. O primeiro intitula-se “Influência da temperatura na remoção de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli em biorreatores heterotróficos”, e teve por objetivo avaliar a eficiência da cianobactéria em remover heterotroficamente fósforo total dissolvido do efluente de processamento de laticínios. A análise dos resultados mostrou que a remoção de fósforo é independente de sua concentração no sistema, porém depende fortemente da temperatura. Ficou demostrado, que a remoção é altamente sensível a temperatura principalmente no intervalo de 10ºC – 20ºC e nessas condições a operacionalidade do biorreator deverá ser ajustada para manutenção da eficiência do processo. O segundo artigo tem como título “Dinâmica de remoção de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli em biorreatores heterotróficos” e avaliou a remoção das formas de fósforo reativo, fósforo hidrolisável, fósforo total e fósforo orgânico, total e dissolvida, bem como de DQO e NNTK nas temperaturas de 10ºC, 20ºC e 30ºC em 24 h, a fim de investigar a dinâmica de remoção de diferentes formas de fósforo do efluente de laticínio em biorreatores heterotróficos. Foi possível concluir que a fração de fósforo predominante no efluente de laticínio foi a orgânica dissolvida, seguida de fósforo reativo dissolvido. A cianobactéria foi capaz de remover formas simples de fósforo, como reativo e complexas, fósforo hidrolisável e orgânico, bem como DQO e N-NTK. No que se refere ao fósforo suspenso, foi verificado que as frações de fósforo orgânico suspenso e fósforo suspenso total apresentaram baixa remoção. Foi observado que no intervalo de 20ºC a 30ºC foi registrado o maior desempenho quanto à remoção de fósforo para um tempo de detenção hidráulica de 16 h. Nos experimentos realizados à temperatura de 20ºC foram registrados os melhores valores cinéticos resultando em uma máxima concentração celular de 0,84 g.L-1, velocidade máxima de crescimento de 8,64 dias-1 e produtividade de 3,85 g.L-1. dia-1. Assim, a análise dos resultados permite concluir que a remoção de fósforo, DQO e N-NTK em condições heterotróficas por Aphanothece microscopica Nägeli é rota em potencial para o tratamento de efluente de laticínio. In this dissertation, the potentiality of the Aphanothece microscopica Nägeli cyanobacteria was demonstrated in heterotrophic cultivation to remove phosphorus from the dairy effluent, as well as the effect of the temperature in the bioprocess. So, the work is composed by two articles. The first one is entitled “Influence of temperature in the removal of phosphorus by Aphanothece Microscopica Nägeli in heterotrophic bioreactors”, and it aims to evaluate the cyanobacteria’s efficiency in heterotrophically removing dissolved total phosphorus from the effluent of dairy processing. The analysis of the results showed that the removal of phosphorus is independent from its concentration in the system, however, it strongly depends on the temperature. Therefore, it was demonstrated that the removal is highly sensitive to the temperature, mostly between 10°C and 20°C. And in these conditions, the bioreactor serviceability should be adjusted for process efficiency maintenance.The second article is entitled “Phosphorus removal by Aphanothece microscopica Nägeli dynamic in heterotrophic bioreactors” and it evaluated the removal of reactive, hydrolysable, total and organic forms of phosphorus, both total and dissolved, as well as COD and N-NTK in the temperatures from 10°C, 20°C and 30°C in 24 h, in order to investigate the removal dynamic of different forms of phosphorus from the dairy effluent in heterotrophic bioreactors. It was possible to conclude that the predominant fraction of phosphorus in the dairy effluent was the dissolved organic one, followed by the dissolved reactive one. The cyanobacteria was able to remove simple forms of phosphorus, like reactive phosphorus, and complex ones, like hydrolysable and organic phosphorus, as well as COD and N-NTK. As for the suspended phosphorus, it was verified that the fractions of suspended organic phosphorus and suspended total phosphorus presented low removal. It was observed that between 20°C and 30°C it was registered the highest performance of phosphorus removal in a period of hydraulic detention of 16 h. In the analyzed experiments performed at a temperature of 20°C, it was registered the best kinetic values, resulting in a maximum cellular concentration of 0,84 g.L-1, maximum speed of growth of 8,64 day-1 and productivity of 3,85g.L-1.day-1.Therefore, the analysis of the results allow to conclude that the phosphorus, COD and N-NTK removal in heterotrophic conditions by Aphanothece microscopica Nägeli is a potential route for the dairy effluent treatment.

Submitted by (edna.saturno@ufrpe.br) on 2017-02-22T13:46:48Z No. of bitstreams: 1 Tereza Cristina Paiva dos Santos.pdf: 917048 bytes, checksum: 524bf85d8e8ff4c8c945badbe9d99945 (MD5) Made available in DSpace on 2017-02-22T13:46:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tereza Cristina Paiva dos Santos.pdf: 917048 bytes, checksum: 524bf85d8e8ff4c8c945badbe9d99945 (MD5) Previous issue date: 2009-08-03 The efficiency of an integrated system, using processes of filtration for bivalves and absorption for macroseaweed, to improve the quality of the water of shrimp fisheries, was evaluated through the analysis of chemical, physical and biological variable. The effluent ones in question had been resultant of the mixture of heterotrophic culture of Litopenaeus vannamei, and Farfantepenaeus subtillis. . The native species Anomalocardia brasiliana (bivalve) and the macroseaweed Gracilaria sp. they had been selected had its potential it aquaculture to be found north-eastern of Brazil. This experiment was make in two phases of 48h with two treatments. In the first phase, the first treatment (control), only with aeration and as, added Anomalocardia brasiliana (5 ind//L) with aeration. Already for the second phase the control remained alone with aeration and in the other treatment the Anomalocardia brasiliana and substituted by the macroseaweed Gracilaria sp. was removed (1g/L). The experimental drawing for both phases contemplated six experimental units (tanks), belonging three to control and three to the treatment in the first phase with A. brasiliana and in the second phase with the macroseaweed Gracilaria sp. Water collect had been carried through in the initial schedule and after six in six hours. The concentrations of clorophyll-a, pheophytin, total phosphorus total phosphate, inorgânic phosphate total ammonium, nitrate, nitrite, alkalinity, temperature, dissolved oxygen, salinity turbidez and pH analyzed shown that the two organisms biological filters had significantly reduced the concentration of variables pollutants in the effluent. However it was observed that in the treatment it has controlled almost had a reduction to zero of nitrite concentration and a gradual increase of nitrate. And that, in the first phase in the treatment with shellfish, about 40% of A.brasiliana was removed deceased after the 48 hours of the experiment. Other studies must be facts, leading in account this reduction of the nitrite in the effluent one only with aeration in this space of time, and propitious a habitat more similar to the one of the nature to the A.brasiliana. A eficiência de um sistema integrado, utilizando-se processos de filtração por bivalves e absorção por macroalgas, para melhorar a qualidade da água de viveiros de camarão, foi avaliada através da análise de variáveis químicas, físicas e biológicas . Os efluentes em questão foram resultantes da mistura de cultivos heterotróficos de Litopenaeus vannamei, e Farfantepenaeus subtillis. A Espécie nativa Anomalocardia brasiliana (bivalve) e a macroalga Gracilaria sp. foram selecionadas devido a seu potencial para a aqüicultura ser encontrado no Nordeste do Brasil. Este experimento se deu em duas fases de 48 h com dois tratamentos. Na primeira fase do experimento, o primeiro tratamento (controle), só com aeração e o segundo, adicionado Anomalocardia brasiliana (5 ind//L) com aeração. Já para a segunda fase o controle permaneceu só com aeração e no outro tratamento foi retirada a Anomalocardia brasiliana e substituída pela macroalga Gracilaria sp. (1g/L). O desenho experimental para ambas as fases contemplou seis unidades experimentais (tanques), pertencendo três ao controle e três ao tratamento na primeira fase com A. brasiliana e na segunda fase com a macroalga Gracilaria sp. Foram realizadas coletas de água no horário inicial e depois de seis em seis horas. As concentrações de clorofila-a, feofitina, fósforo total, fosfato total, fosfato inorgânico, amônia total, nitrato, nitrito, alcalinidade, temperatura, oxigênio dissolvido, salinidade turbidez e pH analisadas mostram que os dois organismos filtradores biológicos reduziram significativamente a concentração de variáveis poluentes no efluente. Entretanto foi observado que no tratamento controle houve uma redução a quase zero a concentração do nitrito e um aumento gradativo a nitrato. E que, na primeira fase no tratamento com marisco, cerca de 40% da A.brasiliana foi retirada morta após as 48 horas do experimento. Outros estudos devem ser feitos, levando em conta essa redução do nitrito no efluente só com aeração nesse espaço de tempo, e propiciar um habitat mais parecido com a da natureza à Anomalocardia brasiliana.

Submitted by (edna.saturno@ufrpe.br) on 2017-02-21T16:48:08Z No. of bitstreams: 1 Samia Regia Rocha Monteiro.pdf: 361943 bytes, checksum: 282e86342e0a7dc7cefcb1a57d78fd60 (MD5) Made available in DSpace on 2017-02-21T16:48:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Samia Regia Rocha Monteiro.pdf: 361943 bytes, checksum: 282e86342e0a7dc7cefcb1a57d78fd60 (MD5) Previous issue date: 2008-08-29 The use of artificial substrates in aquaculture has been used to provide the increase of culture area and natural food, improving the water quality of shrimp performance. In order to maximize the survival, feed conversion and final weight of marine shrimp Litopenaeus vannamei, cultured in oligohaline water (>0.5‰) and in heterotrophic system, were evaluated the effect of adding screens as artificial substrate. Post-larvae with 10 days (PL10) were acclimated from 34‰ to 0.5‰, during 12 days. After of the acclimatization process, the postlarvae (PL22) were reared to obtain 0.3±0.1g of weight and then they were transferred to 18 fiberglass tanks (800 L of net volume) and stocked with 150 PL/tanque. The substrate percentage addition (SPA), represents 100, 150, 200, 250 and 300% of bottom area (1m2) and the control “0” SPA, it was evaluated in completely randomized design, with three replicates. During the culture, were used a 40% crude protein (CP) ration during the first 30 days, andanother with 35% CP during the a 15 days, offered daily at 8, 12 and 17 hrs. After 45 days of culture the survival ranged from 45 to 84%, between treatments with 300% and 100% of substrate, respectively. The shrimp final weight, when related to the length orbit and the time of culture, did not present statistical difference between the SPA (P>0.05). In the ratio length and culture time, the treatment 300% was statistical different in the SPA-0, 200 and 250%. In conclusion, the use of artificial substrate increased the variables weight gain, feed conversion ratio, growth rate and survival when using SPA between 87.8 and 166.7%. O uso de substratos artificiais na aqüicultura vem sendo utilizado para disponibilizar maior área de cultivo e alimento natural, melhorando a qualidade de água e desempenho do camarão. Objetivando maximizar a sobrevivência, conversão alimentar e peso final do camarão marinho Litopenaeus vannamei, quando cultivado em água oligohalina (>0,5‰) e em meio heterotrófico, foram avaliadas a influência da adição de telas como substrato artificial. Pós-larvas com 10 dias (PL10) foram aclimatadas de 34‰ para 0,5‰, durante um período de 12 dias. Ao final do processo de aclimatação, as pós-larvas (PL22) foram cultivadas até se obter o peso de 0,3+0,1g e, posteriormente, foram transferidas para 18 tanques de fibra de vidro (800L de volume útil) e estocadas com 150 PL/tanque. A porcentagem de adição de substrato (PAS) foi representada por 100, 150, 200, 250 e 300% da área de fundo dos tanques (1,0 m2), e o controle com “0” de PAS, analisadas em delineamento inteiramente casualizado, com três repetições. Durante a fase de cultivo, foi utilizada, nos 30 primeiros dias, ração com40% de proteína bruta (PB) e nos 15 posteriores, com 35% PB, administrada diariamente às 8, 12 e 17 horas. Ao final de 45 dias de cultivo, a sobrevivência variou de 45 a 84%, entre os tratamentos com 300% e 100% de substrato, respectivamente. O peso final dos camarões, quando relacionado ao comprimento orbital e ao tempo de cultivo, não teve diferença estatística entre as PAS (P>0,05). Na relação entre comprimento com o tempo de cultivo, as PAS de 0, 200 e 250% diferenciaram de 300%. Conclui-se que o uso de substrato artificial favorece as variáveis ganho de peso, fator de conversão alimentar, taxa de crescimento diária e sobrevivência quando se utiliza PAS entre 87,8 e 166,7%.