Produção de biogás a partir da co-digestão de resíduos da geração de energia

Aplicações de microalgas tem tornado esses micro-organismos importantes em pesquisas com fins tanto comerciais como energéticos. A biofixação de CO2 por microalgas é vista como uma forma economicamente viável e ambientalmente sustentável para mitigar as emissões de CO2 e geração de biomassa para obtenção de bioprodutos de alto valor agregado como os biocombustíveis. Na digestão anaeróbia da biomassa de microalgas a adição de um cosubstrato rico em carbono pode facilitar o processo de produção de biogás. O glicerol possui alta concentração de carbono orgânico e é solúvel em água. Neste sentido, a combinação de ambos os substratos pode solucionar um dos principais problemas para o processo de digestão, que reside no equilíbrio da razão (C/N). Co-digestão anaeróbia consiste na digestão anaeróbia de uma mistura de dois ou mais substratos com composições complementares. O objetivo do estudo foi avaliar a geração de biogás através da co-digestão anaeróbia de biomassa de Spirulina sp. LEB 18 e glicerol bruto. Para a realização do estudo foram construídos e operados sete biorreatores com volume útil de 1,5 L, alimentados com 5, 6, 10, 15 e 20 g.L -1 da mistura de biomassa de Spirulina e glicerol. A adição de diferentes quantidades de glicerol (5 e 10 g.L -1 ) foi utilizada como um suplemento na digestão anaeróbia em sistema de batelada. A razão C/N variou de 3,3×103 a 23,7. Os ensaios foram realizados a 35 °C, em reatores equipados com sistema de coleta de gás, alimentação e retirada do efluente líquido, operados em batelada sequencial. O efluente líquido dos reatores foi analisado quanto ao pH, nitrogênio amoniacal e alcalinidade. O volume de biogás produzido diariamente foi medido em gasômetro de frasco invertido. Em todos os ensaios, os valores médios de pH variaram de 7,0 a 7,3 e nitrogênio amoniacal de 62,02 a 1100,99 mg.L-1 . A alcalinidade do efluente variou entre 1133,37 e 3578,98 mg.L-1 CaCO3. Em todos os ensaios com adição de glicerol houve incremento na produção específica de biogás (0,16 – 0,24 d -1 ) quando comparado ao ensaio em que somente biomassa microalgal era alimentada no processo (0,03 L.d-1 ), demonstrando ser esta uma alternativa interessante para a produção de biocombustível e concomitante agregação de valor ao glicerol residual da produção de biodiesel.

Modelagem aplicada ao processo de biofixação de CO2 por microalgas

A fixação biológica de dióxido de carbono por microalgas é considerada a melhor forma de fixar CO2. Dentre os microrganismos utilizados destaca-se Spirulina platensis devido às suas altas taxas de fixação de CO2 e variedade de aplicações da biomassa gerada. A aplicação de modelos e simulações pode auxiliar na previsão de custos e na escolha das condições ideais de cultivo. Este trabalho teve como objetivo etsabelecer um modelo cinético no qual a iluminância é o fator limitante para o crescimento da microalga Spirulina platensis. A fim de validar o modelo proposto foi utilizada a microalga S. platensis, cultivada em meio Zarrouk modificado (NaHCO3 1,0 g.L-1 ), em biorreator aberto tipo raceway de 200L, mantido a 30°C, sob iluminação natural. A concentração celular variou de 0,19 a 0,34 g.L-1 e a velocidade específica de crescimento celular obtida a partir da regressão exponencial das curvas de crescimento de cada período iluminado variou de 0,55 a 0,59 d-1 . O modelo proposto gerou dados estimados satisfatórios (r2 =0,97). De acordo com os dados obtidos 16,2% da biomassa é consumida durante o período não iluminado.

Produção de carboidratos a partir do efluente de laticínios tratado por cianobactéria

Nesta tese foi demonstrado o potencial de produção de carboidratos por Aphanothece microscopica Nägeli cultivada no efluente oriundo de uma indústria de laticínios. Para tanto, o trabalho é composto de quatro artigos que objetivaram avaliar a produção de carboidratos em função da temperatura, inóculo e razões C/N e N/P do elfluente, bem como a possibilidade de reúso da água residuária. Foram utilizadas temperaturas de (10, 20 e 30ºC) e inóculo (100, 200 e 300 mg.L-1). A melhor condição indicada foi quando utilizou-se a temperatura de 30°C e 200 mg.L-1 de inóculo. Na sequência, considerando a temperatura e a concentração celular selecionada, foi estudada a influência das razões C/N e N/P na produção de carboidratos. Para tal, C/N (20, 40 e 60) e N/P (5, 10 e 15) na produção de carboidratos extracelulares foram avaliadas em cultivos a 30°C, tendo como inóculo 200 mg.L-1. Os melhores resultados obtidos, foram quando foi utilizado C/N 60 e N/P 10. Uma vez definidas as melhores condições de produção de carboidratos, foi estudado o processo de separação de biomassa do meio de cultivo, a partir dos coagulantes FeCl3, Al2(SO4)3 e tanino. O efeito dos coagulantes na separação da biomassa foram estudados, quanto ao pH (6,0, 7,0 e 8,0) e concentração de coagulantes (50, 300 e 550 mg.L-1), utilizando como parâmetro de medida, a eficiência de remoção de DQO, turbidez e sólidos suspensos (SS). Os resultados demonstraram que as concentrações de coagulantes influenciaram significativamente ao nível de significância de 5 %, na separação da biomassa, com eficiência significativa na remoção da DQO, turbidez e SS. A melhor condição avaliada foi a que utilizou tanino na concentração de 300 mg.L-1 e pH 7,0, o que resultou em uma água residuária com remoção média de 96 % da turbidez, com potencial de ser reutilizada. Por fim, foi realizada a identificação de carboidratos gerados por Aphanothece microscopica Nägeli. Os resultados evidenciaram uma biomassa com até 33,5 % de carboidratos totais, perfazendo uma fração de carboidratos extracelulares, na fase estacionária de crescimento celular, de aproximadamente 25 % e 8 % os carboidratos da parede celular. Ficou demonstrado ainda que a composição dos carboidratos extracelulares do microorganismo em estudo é constituído por mono e dissacarídeos perfazendo concentrações na ordem de 12,88 % de glicose, 3,54 % de rafinose, 3,43 % sacarose, 2,13 % de frutose e 2,45 % de ribose. Ficou demonstrado o potencial de produção de carboidratos por Aphanothece microscopica Nägeli quando cultivada no efluente da indústria de laticínios.

Ecology, physiology and performance in high-rate anaerobic digestion

The design demands on water and sanitation engineers are rapidly changing. The global population is set to rise from 7 billion to 10 billion by 2083. Urbanisation in developing regions is increasing at such a rate that a predicted 56% of the global population will live in an urban setting by 2025. Compounding these problems, the global water and energy crises are impacting the Global North and South alike. High-rate anaerobic digestion offers a low-cost, low-energy treatment alternative to the energy intensive aerobic technologies used today. Widespread implementation however is hindered by the lack of capacity to engineer high-rate anaerobic digestion for the treatment of complex wastes such as sewage. This thesis utilises the Expanded Granular Sludge Bed bioreactor (EGSB) as a model system in which to study the ecology, physiology and performance of high-rate anaerobic digestion of complex wastes. The impacts of a range of engineered parameters including reactor geometry, wastewater type, operating temperature and organic loading rate are systematically investigated using lab-scale EGSB bioreactors. Next generation sequencing of 16S amplicons is utilised as a means of monitoring microbial ecology. Microbial community physiology is monitored by means of specific methanogenic activity testing and a range of physical and chemical methods are applied to assess reactor performance. Finally, the limit state approach is trialled as a method for testing the EGSB and is proposed as a standard method for biotechnology testing enabling improved process control at full-scale. The arising data is assessed both qualitatively and quantitatively. Lab-scale reactor design is demonstrated to significantly influence the spatial distribution of the underlying ecology and community physiology in lab-scale reactors, a vital finding for both researchers and full-scale plant operators responsible for monitoring EGSB reactors. Recurrent trends in the data indicate that hydrogenotrophic methanogenesis dominates in high-rate anaerobic digestion at both full- and lab-scale when subject to engineered or operational stresses including low-temperature and variable feeding regimes. This is of relevance for those seeking to define new directions in fundamental understanding of syntrophic and competitive relations in methanogenic communities and also to design engineers in determining operating parameters for full-scale digesters. The adoption of the limit state approach enabled identification of biological indicators providing early warning of failure under high-solids loading, a vital insight for those currently working empirically towards the development of new biotechnologies at lab-scale.

The Effect of Architecture and Shear Stress on Endothelialization of 3D Printed Vascular Networks

Despite significant progress in the field of tissue engineering within the last decade, a number of unsolved problems still remain. One of the most relevant issues is the lack of proper vascularization that limits the size of engineered tissues to smaller than clinically relevant dimensions. In particular, the growth of engineered tissue in vitro within bioreactors is plagued with this challenge. Specifically, the tubular perfusion system bioreactor has been used for large scale bone constructs; however these engineered constructs lack inherent vasculature and quickly develop a hypoxic core, where no nutrient exchange can occur, thus leading to cell death. Through the use of 3D printed vascular templates in conjunction with a tubular perfusion system bioreactor, we attempt to create an endothelial cell monolayer on 3D scaffolds that could potentially serve as the foundation of inherent vasculature within these engineered bone grafts.

Plantibodies in human and animal health: a review.

Background: Antibodies are essential part of vertebrates’ adaptive immune system; they can now be produced by transforming plants with antibody-coding genes from mammals/humans. Although plants do not naturally make antibodies, the plant-derived antibodies (plantibodies) have been shown to function in the same way as mammalian antibodies. Methods: PubMed and Google search engines were used to download relevant publications on plantibodies in medical and veterinary fields; the papers were reviewed and findings qualitatively described. Results: The process of bioproduction of plantibodies offers several advantages over the conventional method of antibody production in mammalian cells with the cost of antibody production in plants being substantially lesser. Contrary to what is possible with animal-derived antibodies, the process of making plantibodies almost exclusively precludes transfer of pathogens to the end product. Additionally, plants not only produce a relatively high yield of antibodies in a comparatively faster time, they also serve as cost-effective bioreactors to produce antibodies of diverse specificities. Conclusion: Plantibodies are safe, cost-effective and offer more advantages over animal-derived antibodies. Methods of producing them are described with a view to inspiring African scientists on the need to embrace and harness this rapidly evolving biotechnology in solving human and animal health challenges on the continent where the climate supports growth of diverse plants.

On The Use of Genetic Algorithms for Parameter Identification in Anaerobic Digestion Modelling

Anaerobic digestion (AD) of wastewater is a very interesting option for waste valorization, energy production and environment protection. It is a complex, naturally occurring process that can take place inside bioreactors. The capability of predicting the operation of such bioreactors is important to optimize the design and the operation conditions of the reactors, which, in part, justifies the numerous AD models presently available. The existing AD models are not universal, have to be inferred from prior knowledge and rely on existing experimental data. Among the tasks involved in the process of developing a dynamical model for AD, the estimation of parameters is one of the most challenging. This paper presents the identifiability analysis of a nonlinear dynamical model for a batch reactor. Particular attention is given to the structural identifiability of the model, which considers the uniqueness of the estimated parameters. To perform this analysis, the GenSSI toolbox was used. The estimation of the model parameters is achieved with genetic algorithms (GA) which have already been used in the context of AD modelling, although not commonly. The paper discusses its advantages and disadvantages.