Oxygenation for fish farms

This thesis provides a detailed study of methods for dissolving oxygen in water to reduce water requirements for fish farming. The principal sources of oxygen are air or pure oxygen gas. Aeration methods have the distinct advantage of the universal availability of air. However, the effectiveness of such methods is diminished by the presence of nitrogen in the air and, in general, the maintenance of dissolved oxygen levels above 70% saturation is likely to result in excessive power requirements. Pure oxygen has five times the solubility of oxygen in air and it is possible, therefore to achieve much higher transfer rates. However, oxygen is expensive and its economic use is essential: it is important, therefore, to dissolve a high proportion of the oxygen. Four distinct oxygenation systems were evaluated by the author. A detailed analysis of a column oxygenator is given first. The column was designed so that the oxygen bubbles generated are trapped within the column until dissolved. In seawater, much smaller bubbles are formed and this led to the development of a jet oxygenator which disperses gas rubbles within the rearing tank. Both the above systems were designed primarily for oxygenating recycled tank water. For oxygenating a primary water source, a U -tube device was evaluated. Lastly, the possibility of supporting fish stocks without any external power source, other than a pressured supply of oxygen from a liquid oxygen store, was considered. Experience of running commercial-scale oxygenation systems in high-intensity fish farms has made it possible to estimate operating costs of both aeration and oxygenation systems. The significance of these costs is discussed.

Predicting the effect of mixing on oxygen transfer and nutrient removal in activated sludge basins

Activated sludge basins (ASBs) are a key-step in wastewater treatment processes that are used to eliminate biodegradable pollution from the water discharged to the natural environment. Bacteria found in the activated sludge consume and assimilate nutrients such as carbon, nitrogen and phosphorous under specific environmental conditions. However, applying the appropriate agitation and aeration regimes to supply the environmental conditions to promote the growth of the bacteria is not easy. The agitation and aeration regimes that are applied to activated sludge basins have a strong influence on the efficacy of wastewater treatment processes. The major aims of agitation by submersible mixers are to improve the contact between biomass and wastewater and the prevention of biomass settling. They induce a horizontal flow in the oxidation ditch, which can be quantified by the mean horizontal velocity. Mean values of 0.3-0.35 m s-1 are recommended as a design criteria to ensure best conditions for mixing and aeration (Da Silva, 1994). To give circulation velocities of this order of magnitude, the positioning and types of mixers are chosen from the plant constructors' experience and the suppliers' data for the impellers. Some case studies of existing plants have shown that measured velocities were not in the range that was specified in the plant design. This illustrates that there is still a need for design and diagnosis approach to improve process reliability by eliminating or reducing the number of short circuits, dead zones, zones of inefficient mixing and poor aeration. The objective of the aeration is to facilitate the quick degradation of pollutants by bacterial growth. To achieve these objectives a wastewater treatment plant must be adequately aerated; thus resulting in 60-80% of all energetic consummation being dedicated to the aeration alone (Juspin and Vasel, 2000). An earlier study (Gillot et al., 1997) has illustrated the influence that hydrodynamics have on the aeration performance as measure by the oxygen transfer coefficient. Therefore, optimising the agitation and aeration systems can enhance the oxygen transfer coefficient and consequently reduce the operating costs of the wastewater treatment plant. It is critically important to correctly estimate the mass transfer coefficient as any errors could result in the simulations of biological activity not being physically representative. Therefore, the transfer process was rigorously examined in several different types of process equipment to determine the impact that different hydrodynamic regimes and liquid-side film transfer coefficients have on the gas phase and the mass transfer of oxygen. To model the biological activity occurring in ASBs, several generic biochemical reaction models have been developed to characterise different biochemical reaction processes that are known as Activated Sludge Models, ASM (Henze et al., 2000). The ASM1 protocol was selected to characterise the impact of aeration on the bacteria consuming and assimilating ammonia and nitrate in the wastewater. However, one drawback of ASM protocols is that the hydrodynamics are assumed to be uniform by the use of perfectly mixed, plug flow reactors or as a number of perfectly mixed reactors in series. This makes it very difficult to identify the influence of mixing and aeration on oxygen mass transfer and biological activity. Therefore, to account for the impact of local gas-liquid mixing regime on the biochemical activity Computational Fluid Dynamics (CFD) was used by applying the individual ASM1 reaction equations as the source terms to a number of scalar equations. Thus, the application of ASM1 to CFD (FLUENT) enabled the investigation of the oxygen transfer efficiency and the carbon & nitrogen biological removal in pilot (7.5 cubic metres) and plant scale (6000 cubic metres) ASBs. Both studies have been used to validate the effect that the hydrodynamic regime has on oxygen mass transfer (the circulation velocity and mass transfer coefficient) and the effect that this had on the biological activity on pollutants such as ammonia and nitrate (Cartland Glover et al., 2005). The work presented here is one part to of an overall approach for improving the understanding of ASBs and the impact that they have in terms of the hydraulic and biological performance on the overall wastewater treatment process. References CARTLAND GLOVER G., PRINTEMPS C., ESSEMIANI K., MEINHOLD J., (2005) Modelling of wastewater treatment plants ? How far shall we go with sophisticated modelling tools? 3rd IWA Leading-Edge Conference & Exhibition on Water and Wastewater Treatment Technologies, 6-8 June 2005, Sapporo, Japan DA SILVA G. (1994). Eléments d'optimisation du transfert d'oxygène par fines bulles et agitateur séparé en chenal d'oxydation. PhD Thesis. CEMAGREF Antony ? France. GILLOT S., DERONZIER G., HEDUIT A. (1997). Oxygen transfer under process conditions in an oxidation ditch equipped with fine bubble diffusers and slow speed mixers. WEFTEC, Chicago, USA. HENZE M., GUJER W., MINO T., van LOOSDRECHT M., (2000). Activated Sludge Models ASM1, ASM2, ASM2D and ASM3, Scientific and Technical Report No. 9. IWA Publishing, London, UK. JUSPIN H., VASEL J.-L. (2000). Influence of hydrodynamics on oxygen transfer in the activated sludge process. IWA, Paris - France.

Evaluating the relative contributions of hydroperiod and soil fertility on growth of south Florida mangroves

Low and high water periods create contrasting challenges for trees inhabiting periodically flooded wetlands. Low to moderate flood durations and frequencies may bring nutrient subsidies, while greater hydroperiods can be energetically stressful because of oxygen deficiency. We tested the hypothesis that hydroperiod affects the growth of mangrove seedlings and saplings in a greenhouse experiment by varying flood duration while keeping salinity and soil fertility constant. We measured the growth of mangrove trees along a hydroperiod gradient over a two-year period by tracking fine-scale diameter increment. Greenhouse growth studies indicated that under a full range of annual flood durations (0–8760 h/year), hydroperiod alone exerted a significant influence on growth for one species, Laguncularia racemosa, when flooding was imposed for two growing seasons. Field evaluations, on the other hand, indicated that increased flood duration may provide nutrient subsidies for tree growth. Diameter growth was related curvilinearly to site hydroperiod, including flood duration and frequency, as well as to salinity and soil fertility. An analysis of soil physico-chemical parameters suggests that phosphorus fertility, which was also linked directly to hydroperiod, is likely to influence growth on south Florida mangrove sites. The physical removal of phosphorus by greater flood frequencies from upland sources and/or addition of phosphorus from tidal flooding balanced against increased soil aeration and reduced water deficits may be an extremely important growth determinant for south Florida mangroves.

Impact of the Afghan refugees on Pakistan

There was a massive influx of Afghan refugees into Pakistan following the Soviet military intervention in Afghanistan in December 1979. An attempt has been made here to analyze the political, ethnic, economic and social ramifications of the Afghan refugees on Pakistan. Among the consequences of the presence of Afghan refugees are: 1. A heavy burden on Pakistan's resources on account of sustaining the 2.8 million Afghan refugees 2. Friction between Afghan refugees and the Pakistani population, due to land, employment, animal grazing-pasture and water-supply disputes, and 3. A direct threat to Pakistan's internal security and political stability, which is made evident by numerous violations of Pakistan's western borders by Soviet-Afghan air and ground forces in pursuit of the refugees and Afghan Mujahidin. The political talks on the Afghan crisis are deadlocked on the question of a Soviet troop withdrawal. The Soviets and Afghans insist on the stoppage of foreign support to the Afghan counterrevolutionaries. The refugees in Pakistan will not return to their homes unless they are insured a safe and honorable life by the Afghan government.

Densidade de estocagem em camarões da espécie Macrobrachium rosenbergii (De Man, 1879) na fase juvenil

Among the species of freshwater shrimp being cultivated, Macrobrachium rosenbergii stands out. Knowledge about the behavior of this species and the influence of certain factors on its development can help optimize management practices and minimize the likely impacts shrimp farming has on the environment and the animals themselves. The objective of this study was to characterize the species' behavior during early stages of development under different stocking densities over a 24-hour cycle. Ten day old postlarvae were transferred from the Jundiaí School of Agriculture (EAJ - Escola Agrícola de Jundiaí) in Macaíba (RN), Brazil to the Shrimp Behavior Laboratory (LSPR - Laboratório de Estudos do Comportamento do Camarão) at the Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN), where they were weighed and measured. Eight aquaria with constant temperature, aeration and filtration, and subjected to a12 h light/12 h dark cycle were used for each experiment. Each aquarium also contained two shelters made of bricks and the water quality was monitored weekly. Behavioral observations were made at two densities: 25 individuals/m-² and 40 individuals/m-². The methods for recording behaviors were: behavioral sampling – enter and leave the shelter, exploring on the substrate, exploring in the water column, move away, attack, pursuit and cannibalism; scan sampling - inactivity, feeding, exploration, digging, swimming, cleaning and staying in the shelter. Observations were made during a 15 minute period/per aquarium at a frequency of 4 times daily, for 4 days/week, and over 4 weeks. Food was provided 2 times/day for each aquarium population, immediately before the 1st and 3rd observation periods. Our results demonstrate that at high density, there is an increased frequency of agonistic behavior; during the light phase, there is a greater frequency of behaviors that result in less exposure (inactivity, cleaning and staying in the shelter); during the dark phase, there is an increased frequency of behaviors that result in greater exposure (feeding, exploration, swimming and digging); at times of feed offer, there is an increased frequency of leaving the shelter, moving away, pursuit, feeding, exploration and swimming. At low density, the animals showed a lower frequency of agonistic behaviors, greater weight gain and higher growth rates, which indicates that this is a more favorable growing environment for cultivation and when applied, can generate better living conditions, favor survival rates and increase management success

Averaged sedimentation rates in the Northwest Pacific and Bering Sea during the first and the second oxygen isotope stages

Isotope chronostratigraphy of Upper Quaternary sediments from the Northwest Pacific and the Bering Sea was established by oxygen isotope records in planktonic and benthic foraminifera. The main regularities of temporal variations of calcium carbonate, organic carbon and opal contents, as well as of magnetic susceptibility in sediments of the study region with regard to climatic variations and productivity were established by means of isotopic-geochemical and lithophysical analyses of bottom sediments. Correlation of volcanogenic interbeds in the sediments was carried out, and their stratigraphy and age were preliminarily ascertained. Correlation was accomplished of A.P. Jouse diatom horizons determined by an analysis of the main ecological variations in diatom assemblages in Upper Quaternary sediments of the Northwest Pacific, Bering and Okhotsk Seas, and their comparison with similar variations in sediment cores with standard oxygen isotope stages. Also variations in lithology and contents of biogenic components in sediments of the region and in the cores were taken into account. A ratio of abundance of "neritic" species to the sum of "neritic" and oceanic species abundance (coefficient Id) can be a criterion of ecological changes of diatom assemblages in the studied region. It is determined by climate variability and mostly by sea ice influence. Schemes of average sedimentation rates in the Northwest Pacific and Bering Sea for periods of the first and the second oxygen isotope stages (12.5-1 and 24-12.5 ka, respectively) were plotted on the basis of obtained results and correlation of diatom horizons and lithological units in early studied cores with the oxygen isotope stages. Closure of the Bering Strait and aeration of the north-eastern shelf of the Bering Sea during the second stage induced increase of sedimentation rates in the Bering Sea, as compared with the first stage, and suspended material transport from the Bering Sea through the Kamchatka Strait into the Northwest Pacific and its accumulation in the southeast direction.

Núcleo Psicótico numa Psicose em Potencial Complexo de Mãe Morta e Psicose Branca: um estudo de caso

Este estudo teve como objetivo principal explorar dois conceitos importantes na teoria do psicanalista francês André Green: complexo de mãe morta e psicose branca. A decatexia provocada pelo afastamento emocional materno (complexo de mãe morta), induz um vazio interior (angústia branca). Esta sensação de vazio, de paragem, uma depressão sem afetos e a alucinação negativa, são manifestações da psicose branca (estrutura matriz onde se observa o núcleo da psicose sem que esta necessariamente se manifeste). O método utilizado foi o estudo de caso, de um sujeito do sexo masculino em regime de internamento. Os instrumentos de avaliação incluem a técnica projetiva de Rorschach (aplicada no início e no final do internamento) e o Thematic Apperception Test (aplicado no início do internamento). Através do material colhido em contexto de acompanhamento individual e das técnicas projetivas observaram-se pontos de contacto entre o conceito de psicose branca de Green, falso self de Winnicott e as personalidades “as if” de Helene Deutsch. A morte metafórica da mãe, o seu afastamento emocional, poderá estar na origem destas perturbações, onde se observa o núcleo da psicose. Nestas situações clínicas, em que o vazio interno predomina, a prática psicoterapêutica requer um posicionamento particular do clínico, que não deve estar nem muito próximo (sentido como intrusivo) nem muito distante (sentido como abandónico) do seu paciente. / This work had the purpose of exploring two important concepts in the theory of the French psychoanalyst André Green: the dead mother complex and the blank psychosis. The decathexis caused by a maternal emotional withdrawal (dead mother complex) induces an internal void (blank anguish). This feeling of emptiness, stoppage, a depression without affects and the negative hallucination are manifestations of blank psychosis (a matrix structure where one can observe the psychotic kernel, even though without having a manifest psychosis). The applied method was the case study, with a young male institutionalized subject, and to support it we used the Thematic Apperception Test (applied in the early phases of treatment) and the Rorschach projective technique (applied at the beginning and ending of the treatment). Through the data collected in the therapeutic sessions and the projective techniques applied, we observed points of contact between blank psychosis, Winnicott`s False Self and Helene Deutsch “as if” personalities. The mother’s metaphorical death, her emotional withdrawal, could be in the genesis of these disturbances, where we can observe the psychotic kernel. When we are dealing with this kind of patient, where the internal void prevails, the psychotherapeutic technique requires a special positioning from the therapist in relation to the patient, that shouldn’t be too close (experienced as intrusive), nor too distant (experienced with feelings of abandonment).

Efeito da disponibilidade de oxigénio na produção de bioetanol por Scheffersomyces stipitis

O bioetanol constitui uma alternativa renovável aos combustíveis fósseis. Contudo, o bioetanol de primeira geração, produzido a partir de matérias-primas alimentares, desencadeou sérios problemas económicos e sociais, pelo que é fundamental encontrar estratégias que permitam a viabilidade comercial do bioetanol de segunda geração, produzido a partir de matérias-primas lenho-celulósicas. O licor de cozimento ao sulfito ácido de árvores folhosas (HSSL) é um subproduto da indústria papeleira que, devido ao seu elevado conteúdo em açúcares, pode ser utilizado como substrato para a produção de bioetanol de segunda geração. No entanto, a maior fração dos açúcares do HSSL é composta por pentoses. Por isso, a fermentação do HSSL é realizada pela levedura Scheffersomyces stipitis, pois esta é capaz de fermentar tanto as hexoses como as pentoses. Todavia, a S. stipitis só produz etanol sob condições microaerófilas, pelo que o maior desafio da produção de bioetanol por S. stipitis reside no estabelecimento das condições ótimas de arejamento. Este trabalho teve assim por objetivo estabelecer uma estratégia de arejamento que permita a eficiente produção de bioetanol a partir de HSSL por S. stipitis C4, a qual é uma estirpe adaptada a este substrato. Deste modo, foram realizados ensaios em Erlenmeyer, de modo a caracterizar o crescimento da S. stipitis C4, e ensaios em biorreator, com vista a estudar a produção de etanol por S. stipitis C4 em duas estratégias de arejamento diferentes. Na primeira estratégia foi usado apenas um único estágio de arejamento, com controlo da tensão de oxigénio dissolvido, DOT (%), e na segunda estratégia foram usados dois estágios de arejamento, com controlo da DOT no primeiro estágio e com restrição de oxigénio no segundo estágio. Nos ensaios em Erlenmeyer com HSSL o crescimento da S. stipitis C4 foi completamente inibido. Por sua vez, nos ensaios em biorreator com um único estágio de arejamento o controlo da DOT não permitiu a produção de etanol. No entanto, nos ensaios com dois estágios de arejamento em meio sintético foi possível produzir etanol de forma eficiente. Nesta estratégia, a utilização de um maior valor de DOT no primeiro estágio de arejamento permitiu aumentar a taxa específica de crescimento máxima e o rendimento em biomassa do primeiro estágio. Para além disso, a utilização de um maior valor de DOT no primeiro estágio também permitiu aumentar a produtividade em etanol durante o segundo estágio de arejamento. Por sua vez, no segundo estágio de arejamento verificou-se que a restrição de oxigénio evitou a reassimilação de etanol pela S. stipitis C4. Deste modo, os melhores resultados para a produção de etanol foram obtidos com controlo da DOT a 50% durante o primeiro estágio e com 0 mLAr.min-1 e 250 rpm durante o segundo estágio de arejamento. A aplicação desta estratégia de arejamento a 60% HSSL/40% meio sintético permitiu obter, no primeiro estágio de arejamento, uma taxa específica de crescimento máxima de 0,17 h-1, o que demonstra que a elevada disponibilidade de oxigénio durante o primeiro estágio aumenta a tolerância da S. stipitis C4 aos inibidores. Para além disso, a taxa volumétrica de produção de etanol e o rendimento em etanol de toda a fermentação foi de respetivamente de 0,03 g.L-1.h-1 e 0,38 g.g-1. Assim, a elevada eficiência de conversão dos açúcares em etanol (74,4%) demostra que a fermentação com dois estágios de arejamento constitui uma estratégia promissora para a produção de bioetanol de segunda geração a partir de HSSL.

Qualidade física e matéria orgânica do solo em sistema de integração lavoura - pecuária submetido a doses de nitrogênio

The animal trampling favors the soil compaction process in sheep raising and crop production integrated systems. This compression has negative effects, hindering the development of roots, the availability of nutrients, water and aeration, causing production losses, making it essential for the assessment of soil physical attributes for monitoring soil quality. Soil organic matter can be used to assess the quality of the soil, due to its relationship with the chemical, physical and biological soil properties. Conservation management system with tillage, along with systems integration between crops and livestock are being used to maintain and even increase the levels of soil organic matter. For that, a field experiment was carried out over a Oxisol clayey Alic in Guarapuava, PR, from de 2006 one. experiment sheep raising and crop production integrated systems The climate classified as Cfb .. The study was to evaluate the soil physical properties and quantify the stock of soil organic carbon and its compartmentalization in system integration crop - livestock with sheep under four nitrogen rates (0, 75, 150 and 225 kg ha-1) in the winter pasture, formed by the consortium oat (Avena strigosa) and ryegrass (Lolium multiflorum) and the effect of grazing (with and without). The soil samples blades density evaluations, total porosity, macro and micro, aggregation and carbon stocks were held in two phases: Phase livestock (after removal of the animals of the area) and phase crop (after maize cultivation). The collection of soil samples were carried out in layers of 0-0.5, 0.05-0.10, 0.10-0.20 and m. Data were subjected to analysis of variance and the hypotheses tested by the F test (p <0.05). For the quantitative effect data regression and the qualitative effect used the test medium. In non-significant regressions used the average and standard deviation treatments. The animal trampling caused an increase in bulk density in the 0.10-0.20 m layer. The dose of 225 kg N ha-1 in winter pasture increased total soil porosity at 8% compared to dose 0 kg N ha-1 in the crop stage. The grazing had no effect on soil macroporosity. GMD of aggregates in the phase after grazing the surface layer was damaged by grazing. Nitrogen rates used in the winter pasture and grazing not influence the total organic carbon stocks. The TOC is not influenced by nitrogen fertilization on grassland. The grazing increases the stock of POC in the 0.10-0.20 m layer livestock phase and cause the stock of POC in the 0-0.5 m layer in the crop stage. The MAC is not influenced by N rates applied in the pasture or by grazing.

Reator de leito estruturado com recirculação submetido à aeração intermitente no tratamento de esgoto sanitário

The release of nitrogen compounds in water bodies can result in many environmental problems, so treat wastewater, such as sewage in order to remove not only organic matter but also nitrogen has been studied a few decades. From the above, the objective of this study was to evaluate the performance of a structured bed reactor, continuous flow, with recirculation, in removing organic matter and nitrogen present in wastewater under different cycles of intermittent aeration (AI) and to evaluate the influence of these cycles in the development of nitrifying bacteria (Oxidizing Bacteria Ammonia - BOA and Bacteria Oxidizing Nitrite - BON) and denitrifying (DESN) adhered (Support Material - MS) and suspension (Effluent - EF and sludge - LD). The reactor used has usable volume of 9.4 L. As support materials (MS) polyurethane foam was used, cut and fixed in PVC rods. 3 were worked aeration phases (AE) and non-aeration (AN) at different stage: Stage 1 (4 h EA / AN 2H); Stage 2 (2H EA / AN 1 h) and Phase 3 (2H EA / AN 2 h). During all hydraulic detention time phases was kept at 16 h and the effluent recirculated at a rate of 3 times the inflow. Were analyzed: pH, total alkalinity, temperature, chemical oxygen demand (COD), Biochemical Oxygen Demand (BOD), nitrogen Kjeldhl Total (NKT), ammonia-N-N-NH4+, nitrito-N-NO2+andnitrato-NO3-. The concentration of BOA, BON and DESN was determined using the number More Provável.gSSV-1 (NMP.gSSV-1). In phase 1 the percentage removal NTK N-NH4+ and NT was 76±10%, 70±21% and 67±10% respectively. In Phase 2 80±15% of removel NKT, 86±15% of N-NH4+ e 68±9% of removel NT e na Fase 3 de 58±20%, 72±28% and 41±6% of NKT, N-NH4+ of NT, respectively. The denitrification efficiency in stage 3 was over 70%, indicating that occurred in the reactor the process of simultaneous nitrification and denitrification (NDS). DQOT the removal percentages were 88 ± 4% in Phase 1, 94 ± 7 in Phase 2 and 90± 11% in Phase 3. The multivariate ANOVA applied to NMP.gSSV-1, it indicated that there was significant (F: 20,2, p <0,01) between the analyzed concentration of organisms AI in different cycles, but the differences between NMP.gSSV-1 depends not only isolated factors but of which means, and phase groups being analysis. From the results it is concluded that the working system is efficient in terms of nitrogen removal and organic matter, and that the stage with the highest availability of Dissolved Oxygen (DO) and C/N ratio (Step 2), was the one obtained the lower concentrations of organic matter effluents and N-NH4+. Hinted that there was a significant difference between the concentration (NMP.100mL-1) of the analyzed organizations (BOA, BON and DESN), but this difference does not depend on factors alone but of which means (MS, EF or LD), stages (1, 2 or 3) and groups (BOA, BON and DESN) is being considered.

Crescimento celular e produção de carotenoides pela microalga haematococcus pluvialis

O crescimento celular da microalga Haematococcus pluvialis e a bioprodução de carotenoides são influenciados pelas diferentes condições de cultivo. Dentre os corantes naturais, a astaxantina tem importante aplicação farmacêutica, cosmética e na indústria de alimentos. Este pigmento além de colorir, possui propriedades biológicas, dentre elas a atividade antioxidante. A produção de astaxantina através do cultivo de H. pluvialis pode alcançar até 4% do peso seco da microalga. O objetivo desse trabalho foi avaliar o crescimento celular, bem como a produção de carotenoides pela microalga Haematococcus pluvialis em diferentes condições de cultivo e a atividade antioxidante dos extratos carotenogênicos. Foram utilizados os meios autotróficos Blue Green-11 (BG-11), BAR (Barbera Medium) e BBM (Bold Basal Medium) e os meios mixotróficos BBM e glicose e BBM e acetato de sódio, empregando 10 ou 20% de inóculo em pHs iniciais de 6, 7 ou 8, aeração de 0,30 L.min-1 , sob iluminância de 6 Klx, 24±1ºC durante 15 dias em fotobiorreatores de 1 L. A concentração celular foi avaliada diariamente através de leitura de absorvância a 560 nm. A ruptura celular foi realizada através de 0,05 g de células secas com 2 mL de dimetilsulfóxido e a concentração de carotenoides totais determinada a partir de leitura espectrofotométrica a 474 nm. Os meios de cultivo BG-11, BBM e glicose e BBM e acetato de sódio apresentaram, respectivamente, o maior crescimento celular e produção de carotenoides totais de 0,64, 1,18 e 0,68 g.L-1 , e 3026,66, 2623,12 e 2635,38 µg.g-1 , empregando 10% de inóculo em pH inicial de 7. Com base nesses resultados, foram selecionados esses três meios para dar continuidade ao trabalho. O meio de cultivo BBM e acetato de sódio obteve o melhor valor de concentração celular máxima, com 1,29±0,07 g.L-1 e de carotenoides totais 5653,56 µg.g-1 empregando pH inicial de 7 e concentração de inóculo de 20%. Este meio foi selecionado para a realização dos cultivos com injeção de 30 % de CO2 uma vez ao dia durante 1 hora, realizados durante 22 dias, em pH inicial de 7 e 20% de inóculo, com 30% de injeção de CO2 uma vez ao dia durante 1 hora. Nestas condições o crescimento celular alcançou o máximo de 1,13 g.L-1 (10 dias), carotenoides totais específicos de 2949,91 µg.g-1 e volumétricos de 764,79 µg.g-1 .L-1 (22 dias). A capacidade antioxidante dos extratos carotenogênicos também foi avaliada pelos métodos DPPH, FRAP e ABTS, não sendo possível quantificá-la através do DPPH e FRAP. Por outro lado, utilizando o método ABTS, em 90 minutos de reação, o poder de inibição encontrado foi de 35,70 % μg-1 . Assim, a condição que mais se destaca é a utilização do meio de cultivo BBM e acetato de sódio, com pH inicial 7, com 20% de inóculo, 0,30 L.min-1 de aeração, 6 Klx e 24±1ºC, uma vez que o crescimento celular e a bioprodução de carotenoides foi significativamente superior quando comparada às demais condições estudadas. Além disso, os carotenoides produzidos pela H. pluvialis, nesta condição, apresentaram capacidade antioxidativa.

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.

Dinâmica de nitrogênio em cultivo heterotrófico a partir de cianobactéria sob o escopo de biorrefinarias agroindustriais

O trabalho teve por objetivo avaliar a dinâmica de nitrogênio, em cultivo heterotrófico, a partir da cianobactéria Aphanothece microscopica Nägeli, sob o escopo de uma biorrefinaria. Neste sentido, foi avaliada a contribuição dos compostos nitrogenados não proteicos, na dinâmica de distribuição do nitrogênio, na biomassa gerada pelo micro-organismo em estudo, quando cultivado em sistema autotrófico e heterotrófico. Para o cultivo em condições autotróficas, foi utilizado o meio padrão BG-11, enquanto que, para o cultivo em condições heterotróficas, foi empregado o efluente da indústria de laticínios. Inicialmente, foi avaliada a contribuição dos pigmentos na fração nitrogenada não proteica tendo como base dois experimentos. No primeiro experimento foi selecionada a melhor condição para a produção de pigmentos, expressos pela clorofila-a em sistema heterotrófico, tendo como base os parâmetros C/N (20, 40 e 60), N/P (5, 10 e 15) e concentração de inóculo (100, 200 e 300 mg.L-1), mediante um planejamento fatorial 23 . Os experimentos foram conduzidos em biorreator heterotrófico a 20°C, pH 7,6 e aeração contínua de 1VVM. A melhor condição de produção de pigmento foi indicada como sendo a 200 mg.L-1 de concentração celular, razões C/N 20 e N/P 10. Com base nestes resultados, um segundo experimento foi delineado, visando avaliar a contribuição de pigmentos na fração de nitrogênio não proteico, bem como avaliar a produção de clorofila-a e ficobiliproteínas (ficocianina, aloficocianina e ficoeritrina), sob influência da luz e do meio de cultivo. Foi possível destacar teores superiores de ficobiliproteínas na biomassa gerada no cultivo heterotrófico. No entanto, com notada diferença (p≤0,05) nos teores de clorofila-a, quando são comparadas as concentrações na biomassa de meios autotróficos (10,7 mg.g-1) e heterotróficos (1,0 mg.g-1). Fato este compensado pelo menor tempo de cultivo registrado para atingir o final do experimento, quando o micro-organismo é cultivado em condições heterotróficas. Fica demonstrado assim, ainda, a importante contribuição dos pigmentos na fração de nitrogênio não proteico. Na sequência, um terceiro e quarto experimentos foram delineados, visando avaliar a influência do nitrogênio inorgânico intracelular na fração não proteica e na produção de proteína, assim como a caracterização da fração proteica quanto ao seu perfil aminoacídico. O estudo da dinâmica do nitrogênio intracelular demonstrou que o N-NH4 + foi a forma nitrogenada predominante, perfazendo importante fração de N-NP, sendo, portanto, os teores de N-NP significativamente dependente dos teores de pigmentos e nitrogênio intracelular. Os aminogramas das biomassas geradas pelos cultivos autotróficos e heterotróficos indicaram como aminoácidos majoritários o ácido glutâmico e aspártico, seguidos por valina, leucina e isoleucina, e como minoritários, lisina, glicina e metionina. O perfil aminoacídico caracterizou-se por apresentar aminoácidos essenciais como isoleucina, metionina + cisteína, fenilalanina + tirosina, valina e treonina em concentrações superiores ao preconizado pela FAO/WHO. A caracterização da fração proteica quanto ao perfil aminoacídico qualificou esta biomassa como fonte potencial de proteína. Os resultados obtidos neste trabalho demonstram a influência e dinâmica de distribuição dos compostos nitrogenados em Aphanothece microscopica Nägeli. Fica demonstrado, ainda, que a implementação do conceito de biorrefino, no tipo de agroindústria estudado, poderá representar importantes possibilidades de aproveitamento sustentável do efluente gerado.

Ruptura celular, extração e encapsulamento de Astaxantina de Haematococcus pluvialis (Volvocales, Chlorophyta)

O interesse na produção de astaxantina de fontes naturais vem aumentando significativamente, devido principalmente à sua capacidade como potente agente antioxidante. Na obtenção da astaxantina por via biotecnológica, a microalga Haematococcus pluvialis é um dos micro-organismos industrialmente mais interessantes. Entretanto, como a maioria dos carotenoides, a astaxantina é uma molécula altamente insaturada que pode ser facilmente degradada por processos térmicos. Em função desta instabilidade, uma possibilidade que se abre, a fim de proteger sua atividade biológica de fatores ambientais e reforçar a sua estabilidade física, é o encapsulamento. Neste sentido, este trabalho vem contribuir em inovações relacionadas ao desenvolvimento de tecnologia para ruptura celular, extração e nanoencapsulamento de astaxantina produzida por via biotecnológica, mais especificamente de astaxantina obtida através do cultivo de H. pluvialis. Neste estudo, os cultivos foram realizados em meio BBM e acetato de sódio e conduzidos a temperatura constante de 25±1 ºC em fotobiorreatores de 1 L com aeração por borbulhamento de ar de 300 mL.min-1 , agitação manual diária e sob iluminância constante de 444 µmol fótons.m-2 s -1 durante 15 dias, sendo inoculados com suspensão de microalgas previamente preparada, na proporção de 10%, e pH ajustado em 7,0. A biomassa foi recuperada dos cultivos por centrifugação e seca a 35 °C por 48 h. Em seguida, foram empregadas diferentes técnicas de ruptura celular (química, mecânica e enzimática). Após a ruptura, foi realizada a extração dos carotenoides e a quantificação dos carotenoides totais (µg.g-1 ) e da extratibilidade (%). Entre os solventes testados no método de ruptura química, o diclorometano foi o selecionado para a extração dos pigmentos carotenoides. Dentre as técnicas mecânicas de ruptura celular, a maceração da biomassa congelada com terra diatomácea resultou na maior extratibilidade e carotenoides totais (66,01% e 972,35 μg.g-1 ). A melhor condição de lise da parede celular de H. pluvialis, utilizando o preparado enzimático Glucanex® , ocorreu em pH do meio reacional de 4,5 a 55 ºC, com atividade inicial de β-1,3-glucanase de 0,6 U.mL-1 e um tempo de reação de 30 min, alcançando-se 17,73% de atividade lítica relativa. Nestas condições, com a reação enzimática assistida por ultrassom sem congelamento prévio da biomassa, atingiu-se 83,90% e 1235,89 µg.g -1 , respectivamente, para extratibilidade e carotenoides totais. Dentre as técnicas combinadas testadas, a maceração com terra diatomácea associada à lise enzimática apresentou valores de extratibilidade e carotenoides totais de, respectivamente, 93,83% e 1382,12 µg.g-1 . No encapsulamento do extrato contendo astaxantina obtido por lise enzimática associada por ultrassom, envolvendo a coprecipitação com PHBV (poli(3-hidroxibutirato-cohidroxivalerato)) em fluidos supercríticos, o aumento da pressão tendeu a reduzir o diâmetro da partícula formada, enquanto que o aumento da relação biomassa contendo astaxantina:diclorometano usada na etapa de extração incrementou o percentual de encapsulamento e a eficiência de encapsulamento para ambas pressões testadas (80 e 100 bar). Os maiores valores de percentual de encapsulamento (17,06%) e eficiência de encapsulamento (51,21%) foram obtidos nas condições de 80 bar e relação biomassa:diclorometano de 10 mg.mL -1 . Nestas condições, o diâmetro médio de partícula foi de 0,228 µm. Com base nos resultados obtidos, técnicas para a obtenção de astaxantina de H. pluvialis e seu encapsulamento foram desenvolvidas com sucesso, podendo ser extendidas a outros produtos intracelulares de microalgas.

Otimização dos sistemas biológicos e melhorias nos tratamentos da ETARI da Refinaria de Matosinhos

A Refinaria de Matosinhos é um dos complexos industriais da Galp Energia. A sua estação de tratamento de águas residuais industriais (ETARI) – designada internamente por Unidade 7000 – é composta por quatro tratamentos: o pré-tratamento, o tratamento físico-químico, o tratamento biológico e o pós-tratamento. Dada a interligação existente, é fundamental a otimização de cada um dos tratamentos. Este trabalho teve como objetivos a identificação dos problemas e/ou possibilidades de melhoria do pré-tratamento, tratamento físico-químico e pós-tratamento e principalmente a otimização do tratamento biológico da ETARI. No pré-tratamento verificou-se que a separação de óleos e lamas não era eficaz uma vez que se formam emulsões destas duas fases. Como solução, sugeriu-se a adição de agentes desemulsionantes, que se revelou economicamente inviável. Assim, sugeriu-se como alternativa o recurso a técnicas de tratamento da emulsão gerada, tais como a extração com solvente, centrifugação, ultrassons e micro-ondas. No tratamento físico-químico constatou-se que o controlo da unidade de saturação de ar na água era feito com base na análise visual dos operadores, o que pode conduzir a condições de operação afastadas das ótimas para este tratamento. Assim, sugeriu-se a realização de um estudo de otimização desta unidade com vista à determinação da razão ar/sólidos ótima para este efluente. Para além disto, constatou-se, ainda, que os consumos de coagulante aumentaram cerca de -- % no último ano, pelo que foi sugerido o estudo da viabilidade do processo de eletrocoagulação como substituto do sistema de coagulação existente. No pós-tratamento identificou-se o processo de lavagem dos filtros como sendo a etapa com possibilidade de ser otimizada. Através de um estudo preliminar concluiu-se que a lavagem contínua de um filtro por cada turno melhorava o desempenho dos mesmos. Constatou-se, ainda, que a introdução de ar comprimido na água de lavagem promove uma maior remoção de detritos do leito de areia, no entanto esta prática parece influenciar negativamente o desempenho dos filtros. No caso do tratamento biológico, identificaram-se problemas ao nível do tempo de retenção hidráulico do tratamento biológico II, que apresentou elevada variabilidade. Apesar de identificado concluiu-se que este problema era de difícil solução. Verificou-se, também, que o oxigénio dissolvido não era monitorizado, pelo que se sugeriu a instalação de uma sonda de oxigénio dissolvido numa zona de baixa turbulência do tanque de arejamento. Concluiu-se que o oxigénio era distribuído de forma homogénea por todo o tanque de arejamento e tentou-se identificar quais os fatores que influenciariam este parâmetro, no entanto, dada a elevada variabilidade do efluente e das condições de tratamento, tal não foi possível. Constatou-se, também, que o doseamento de fosfato para o tratamento biológico II era pouco eficiente já Otimização dos sistemas biológicos e melhorias nos tratamentos da ETARI da Refinaria de Matosinhos que em -- % dos dias se verificaram níveis baixos de fosfato no licor misto (< - mg/L). Foi, por isso, proposta a alteração do atual sistema de doseamento por gravidade para um sistema de bomba doseadora. Para além disso verificou-se que os consumos deste nutriente aumentaram significativamente no último ano (cerca de --%), situação que se constatou estar relacionada com um aumento da população microbiana para este período. Foi possível relacionar-se o aparecimento frequente de lamas à superfície dos decantadores secundários com incrementos repentinos de condutividade, pelo que se sugeriu o armazenamento do efluente nas bacias de tempestade, nestas situações. Verificou-se que a remoção de azoto era praticamente ineficaz uma vez que a conversão de azoto amoniacal em nitratos foi muito baixa. Assim, sugeriu-se o recurso à técnica de bio-augmentação ou a transformação do sistema de lamas ativadas num sistema bietápico. Por fim, constatou-se que a temperatura do efluente à entrada da ETARI apresenta valores bastante elevados para o tratamento biológico (aproximadamente de --º C) pelo que se sugeriu a instalação de uma sonda de temperatura no tanque de arejamento de modo a controlar de forma mais eficaz a temperatura do licor misto. Ainda no que diz respeito ao tratamento biológico, foi possível desenvolver-se um conjunto de ferramentas que visaram o funcionamento otimizado deste tratamento. Nesse sentido, foram apresentadas várias sugestões de melhoria: a utilização do índice volumétrico de lamas como indicador da qualidade das lamas em alternativa à percentagem de lamas; foi desenvolvido um conjunto de fluxogramas para a orientação dos operadores de exterior na resolução de problemas; foi criada uma “janela de operação” que pretende ser um guia de apoio à operação; foi ainda proposta a monitorização frequente da idade das lamas e da razão alimento/microrganismo.