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