Quantification and viability analyses of Pseudokirchneriella subcapitata algal cells using image-based cytometry

This work aims to evaluate the feasibility of using image-based cytometry (IBC) in the analysis of algal cell quantification and viability, using Pseudokirchneriella subcapitata as a cell model. Cell concentration was determined by IBC to be in a linear range between 1 × 105 and 8 × 106 cells mL−1. Algal viability was defined on the basis that the intact membrane of viable cells excludes the SYTOX Green (SG) probe. The disruption of membrane integrity represents irreversible damage and consequently results in cell death. Using IBC, we were able to successfully discriminate between live (SG-negative cells) and dead algal cells (heat-treated at 65 °C for 60 min; SG-positive cells). The observed viability of algal populations containing different proportions of killed cells was well correlated (R 2 = 0.994) with the theoretical viability. The validation of the use of this technology was carried out by exposing algal cells of P. subcapitata to a copper stress test for 96 h. IBC allowed us to follow the evolution of cell concentration and the viability of copper-exposed algal populations. This technology overcomes several main drawbacks usually associated with microscopy counting, such as labour-intensive experiments, tedious work and lack of the representativeness of the cell counting. In conclusion, IBC allowed a fast and automated determination of the total number of algal cells and allowed us to analyse viability. This technology can provide a useful tool for a wide variety of fields that utilise microalgae, such as the aquatic toxicology and biotechnology fields.

Optimization of a microplate-based assay to assess esterase activity in the alga Pseudokirchneriella subcapitata

The present work describes the optimization of a short-term assay, based on the inhibition of the esterase activity of the alga Pseudokirchneriella subcapitata, in a microplate format. The optimization of the staining procedure showed that the incubation of the algal cells with 20 μmolL−1 fluorescein diacetate (FDA) for 40 min allowed discrimination between metabolic active and inactive cells. The shortterm assay was tested using Cu as toxicant. For this purpose, algal cells, in the exponential or stationary phase of growth, were exposed to the heavy metal in growing conditions. After 3 or 6 h, cells were subsequently stained with FDA, using the optimized procedure. For Cu, the 3- and 6-h EC50 values, based on the inhibition of the esterase activity of algal cells in the exponential phase of growth, were 209 and 130 μg L−1, respectively. P. subcapitata cells, in the stationary phase of growth, displayed higher effective concentration values than those observed in the exponential phase. The 3- and 6-h EC50 values for Cu, for cells in the stationary phase, were 443 and 268 μgL−1, respectively. This short-term microplate assay showed to be a rapid endpoint for testing toxicity using the alga P. subcapitata. The small volume required, the simplicity of the assay (no washing steps), and the automatic reading of the fluorescence make the assay particularly well suited for the evaluation of the toxicity of a high number of environmental samples.

Sustainability and economic evaluation of microalgae grown in brewery wastewater

This article evaluates the sustainability and economic potential of microalgae grown in brewery wastewater for biodiesel and biomass production. Three sustainability and two economic indicators were considered in the evaluation within a life cycle perspective. For the production system the most efficient process units were selected. Results show that harvesting and oil separation are the main process bottlenecks. Microalgae with higher lipid content and productivity are desirable for biodiesel production, although comparable to other biofuel’s feedstock concerning sustainability. However, improvements are still needed to reach the performance level of fossil diesel. Profitability reaches a limit for larger cultivation areas, being higher when extracted biomass is sold together with microalgae oil, in which case the influence of lipid content and areal productivity is smaller. The values of oil and/or biomass prices calculated to ensure that the process is economically sound are still very high compared with other fuel options, especially biodiesel.

Sustainability Evaluation of Biodiesel Produced from Microalgae Chlamydomonas sp Grown in Brewery Wastewater

This study performs a sustainability evaluation of biodiesel from microalga Chlamydomonas sp. grown in 20 % (v/v) of brewery’s wastewater, blended with pentose sugars (xylose, arabinose or ribose resulting from the hydrolysis of brewer’s spent grains (BSG). The life cycle steps considered for the study are: microalgae cultivation, biomass processing and lipids extraction at the brewery site, and its conversion to biodiesel at a dedicated external biofuel’s plant. Three sustainability indicators (LCEE, FER and GW) were considered and calculated using experimental data. Literature data was used, whenever necessary, to complement life cycle data, thus allowing a more accurate sustainability evaluation. A comparative analysis of the biodiesel life cycle steps was also conducted, with the main goal of identifying which steps need to be improved. Results show that biomass processing, especially cell harvesting, microalgae cultivation, and lipids extraction are the main process bottlenecks. It is also analysed the influence on the microalgae biodiesel sustainability of adding each pentose sugar to the cultivation media, concluding that it strongly influences the biomass and lipid productivity. In particular, the addition of xylose is preferable in terms of lipid productivity, but from a sustainability point of view, ribose is the best, though the difference from xylose is not significant. Nevertheless, culture without pentose addition presents the best sustainability results.

Estudo comparativo da utilização do biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados e do gasóleo numa frota industrial

A definição de teores mínimos de incorporação de biocombustíveis, constitui objeto de discussão entre grupos pro-desenvolvimento e ambientalistas. Esses últimos argumentam que as consequências da utilização desta fonte energética ainda são desconhecidas. Além disso, alegam que a produção de biocombustíveis é, em parte, responsável pelo aumento no preço dos alimentos, encoraja a conversão de florestas em monoculturas e conduz à exploração de trabalhadores em países em desenvolvimento (PEDs). Para responder à dependência energética dos combustíveis de origem fóssil, e ajudar a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, sobretudo no sector dos transportes, o biodiesel produzido a partir de óleos alimentares usados têm sido apontado como uma “solução verde” capaz de minimizar o problema das alterações climáticas e valorizar um resíduo, e simultaneamente conferir ao setor energético um pouco mais de independência. De forma a desmistificar e clarificar um pouco estas premissas, a presente dissertação pretende fazer um estudo de avaliação do impacto da utilização do biodiesel, nomeadamente no que diz respeito às emissões gasosas. Posteriormente realizou-se, tomando como referência uma pequena frota industrial existente, uma análise comparativa dos consumos e emissões dos principais poluentes decorrentes da utilização do biodiesel em diferentes percentagens de incorporação no gasóleo, comparativamente ao gasóleo puro. O trabalho culmina com uma abordagem técnica sobre o comportamento de um veículo equipado com um motor de ignição por compressão, utilizando como biocombustível o biodiesel.

Viabilidade económica e energética do biodiesel produzido a partir de Chlorella vulgaris

Contemporaneamente o Homem depara-se com um dos grandes desafios que é o de efetivar a transição para um futuro sustentável. Assim, o setor da energia tem um papel fundamental neste processo de transição, com principal enfoque no setor dos automóveis, sendo este um setor que contribui com elevadas quantidades de gases de efeito estufa libertados para a atmosfera. Também a escassez dos recursos petrolíferos constitui um ponto fundamental no tema apresentado. Com a necessidade de combater esses problemas é que se tem vindo a tentar desenvolver combustíveis renováveis e neutros quanto às emissões. A primeira geração de biocombustíveis obtidos através de culturas agrícolas terrestres preenche em parte esses requisitos, porém, não atinge os valores da procura e ainda competem com a produção de alimentos. Daí o interesse na aposta de uma segunda geração de biocombustíveis produzidos de fontes que não pertencem à cadeia alimentar e são residuais mas, que mesmo assim não permitem satisfazer as necessidades de matériaprima. A terceira geração de biocombustíveis vem justamente responder a estas questões pois assenta em matérias-primas que não competem pela utilização do solo agrícola nem são usadas para fins alimentares, tendo produtividades areais substancialmente superiores às que as culturas convencionais ou biomassas residuais conseguem assegurar. A matéria prima de terceira geração são portanto as microalgas, cujas produtividades em biomassa são extremamente elevadas, para além de produtividades muito superiores em lípidos, hidratos de carbono e/ou outros produtos de valor elevado. No entanto, este tipo de produção de biocombustível ainda enfrenta alguns problemas técnicos que o tornam num processo dispendioso para competir economicamente com outros tipos de produção de biodiesel. Na linha do que foi dito anteriormente, este trabalho apresenta um estudo de viabilidade económica e energética do biodiesel produzido através da Chlorella vulgaris, apresentando as técnicas e resultados de cultivo da Chlorella vulgaris e posteriormente de produção do biodiesel através dos lípidos obtidos através da mesma. Para melhorar a colheita das microalgas, que é uma das fases mais dispendiosas, testou-se o aumento de pH e a adição de um floculante (Pax XL-10), sendo que o primeiro não permitiu obter resultados satisfatórios, enquanto o segundo permitiu obter resultados de rendimento na ordem dos 90%. Mesmo com a melhoria da etapa da colheita, o preço mínimo do biodiesel produzido a partir do óleo de Chlorella vulgaris, com as condições ótimas de cultivo e produtividades máximas encontradas na literatura, foi de 8,76 €/L, pois, na análise económica, o Pax XL-10 revelou-se extremamente caro para utilizar na floculação de microalgas para obtenção de um produto de baixo valor, como é o biodiesel. A não utilização da floculação reduz o preço do biodiesel para 7,85 €/L. O que se pode concluir deste trabalho é que face às técnicas utilizadas, a produção de biodiesel Chlorella vulgaris apenas, não é economicamente viável, pelo que para viabilizar a sustentabilidade do processo seria ainda necessário desenvolver mais esforços no sentido de otimizar a produção de biodiesel, eventualmente associando-a à produção de um outro biocombustível produzido a partir da biomassa extraída residual e/ou da recuperação de outros produtos de maior valor.

Use of a fluorescence-based approach to assess short-term responses of the alga Pseudokirchneriella subcapitata to metal stress

This work explores the use of fluorescent probes to evaluate the responses of the green alga Pseudokirchneriella subcapitata to the action of three nominal concentrations of Cd(II), Cr(VI), Cu(II) and Zn(II) for a short time (6 h). The toxic effect of the metals on algal cells was monitored using the fluorochromes SYTOX Green (SG, membrane integrity), fluorescein diacetate (FDA, esterase activity) and rhodamine 123 (Rh123, mitochondrial membrane potential). The impact of metals on chlorophyll a (Chl a) autofluorescence was also evaluated. Esterase activity was the most sensitive parameter. At the concentrations studied, all metals induced the loss of esterase activity. SG could be used to effectively detect the loss of membrane integrity in algal cells exposed to 0.32 or 1.3 μmol L−1 Cu(II). Rh123 revealed a decrease in the mitochondrial membrane potential of algal cells exposed to 0.32 and 1.3 μmol L−1 Cu(II), indicating that mitochondrial activity was compromised. Chl a autofluorescence was also affected by the presence of Cr(VI) and Cu(II), suggesting perturbation of photosynthesis. In conclusion, the fluorescence-based approach was useful for detecting the disturbance of specific cellular characteristics. Fluorescent probes are a useful diagnostic tool for the assessment of the impact of toxicants on specific targets of P. subcapitata algal cells.

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Análise Económica da Produção de Óleo a Partir de Microalgas

Os biocombustíveis apresentam um interessante potencial de redução da dependência energética relativamente aos combustíveis fósseis. A produção de microalgas apresenta vários benefícios ambientais como sejam a utilização mais efetiva de terrenos, a captura de dióxido de carbono, a purificação de águas quando associada a um processo de tratamento de águas residuais e não provoca a disputa entre a produção de matéria-prima para alimentação e combustíveis. A cultura de microalgas para a produção de biodiesel tem recebido uma grande atenção nos últimos anos devido ao seu potencial. Neste trabalho pretende-se criar as etapas de processamento das microalgas em biodiesel onde são implementadas medidas de eficiência energética e aproveitamento de fontes poluidoras como o CO2. Para isso, formulou-se um modelo no programa Aspen Plus para simulação do processo desde a produção, colheita até à extração de óleo das microalgas e posterior avaliação económica do mesmo. Concluiu-se que para o projeto fosse pago no tempo de vida útil seria preciso vender o óleo a 13 $/kg. Aos preços atuais do óleo o projeto não é economicamente viável.

Análise do ciclo de vida da produção do butanol

Este trabalho teve como objetivo avaliar e comparar os impactes ambientais da produção do butanol considerando três processos produtivos: um que usa fontes fósseis e dois que usam fontes renováveis, nomeadamente palha de trigo e milho. Para o primeiro caso considerouse o processo oxo e os restantes usaram o processo de produção ABE (acetona, butanol e etanol). Na primeira etapa estudaram-se e descreveram-se os diferentes processos referidos. A análise do ciclo de vida foi depois aplicada efetuando as quatro fases nomeadamente definição do âmbito e objetivo, inventário, avaliação de impactes e interpretação dos resultados obtidos. O inventário foi efetuado tendo em conta a bibliografia existente sobre estes processos e com o auxílio da base de dados Ecoinvent Versão3 Database™. Na avaliação de impactes utilizou-se o método Impact 2002 + (Endpoint). Concluiu-se que a produção do butanol pelo processo ABE utilizando o milho é a que apresenta maior impacte ambiental e a que produção do butanol pelo processo ABE usando a palha de trigo é a que apresenta um menor impacte ambiental, quando o processo de alocação foi efetuado tendo em conta as massas de todos os produtos produzidos em cada processo. Foi efetuada uma análise de sensibilidade para a produção de butanol usando palha de trigo e milho relativa aos dados de menor qualidade. No processo da palha de trigo fez-se variar a quantidade de material enviado para a digestão anaeróbia e a quantidade de efluente produzida. No processo relativo ao milho apenas se fez variar a quantidade de efluente produzida. As variações tiveram um efeito pouco significativo (<1,3%) no impacte global. Por fim, efetuou-se o cálculo dos impactes considerando uma alocação económica que foi executada tendo em conta os preços de venda para o ano 2013 na Europa, para os produtos produzidos pelos diferentes processos. Considerando o valor económico verificou-se um aumento do peso relativo ao butanol, o que fez aumentar significativamente o impacte ambiental. Isto deve-se em grande parte ao baixo valor económico dos gases formados nos processos de fermentação. Se na alocação por massa for retirada a massa destes gases os resultados obtidos são similares nos dois tipos de alocação.