Imobilização do fungo Penicillium citrinum CBMAI 1186 e lipase de Pseudomonas fluorescens em biopolímeros para aplicações em biocatálise

Diversos biomateriais podem ser aplicados como suportes na imobilização de células totais de fungos filamentosos ou enzimas isoladas, visando a manutenção e o prolongamento da atividade enzimática em processos biocatalíticos. Exemplos promissores de biomateriais são a fibroína da seda e o alginato de sódio. A fibroína é um material protéico com alta estabilidade térmica, elasticidade, resistência à tensão, não sofre ataque microbiano, baixo custo de purificação e alta tenacidade, o alginato é um biopolímero versátil, devido a suas propriedades gelificantes em soluções aquosas. Assim, neste trabalho empregou-se micélios do fungo derivado de ambiente marinho, Penicillium citrinum CBMAI 1186, livres e imobilizados em biopolímeros (fibra de algodão, fibra de fibroína da seda e fibra de paina) na biorredução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação α,β-C=C de enonas α,β-, α,β,γ,δ- e di-α,β-insaturadas previamente sintetizados pela a reação de condensação aldólica. Foi possível a utilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 na redução quimiosseletiva, regiosseletiva e enantiosseletiva da ligação dupla carbono-carbono de sistemas α,β-insaturados. A imobilização do fungo P. citrinum CBMAI 1186 em biopolímeros (algodão, fibroína da seda, paina e quitosana) permitiu a prolongamento da atividade celular do fungo. O protocolo desenvolvido foi capaz de obter compostos até então descritos apenas por síntese clássica. Também foi realizado reações de resolução enzimática de derivados de haloidrinas por diferentes lipases microbianas de: Pseudomonas fluorescens, Candida cylindracea, Rhizopus niveus e Aspergillus niger. A lipase de P. fluorescens foi imobilizada em esferas de fibroína do bicho da seda (método 1, via adsorção) e em blenda com alginato de cálcio (método 2, via encapsulação) em diferentes condições, tais como, variação de solvente, variação da quantidade de enzima imobilizada e tempo de reação. As condições otimizadas foram empregadas em diferentes haloidrinas, rendendo elevados excessos enantioméricos (ee > 99%) e alta razão enanantiomérica (E > 200) para os produtos acetilados. Foi possível desenvolver um protocolo simples, barato e prático para a síntese enantiosseletiva de haloidrina reforçando a versatilidade da fibroína e do alginato como suportes de imobilização para catalisadores heterogêneos. Também foi possível utilizar a lipase imobilizada (método 2) na reação de transesterificação para obtenção do biodiesel etílico. As melhores condições para o bom funcionamento do biocatalisador foram: 30% do biocatalisador, 20% de n-hexano, relação óleo e etanol de 1:4 a 32 ºC por 48 h em agitação magnética (400 rpm). Essas condições permitiram a formação de 42% de rendimento do biodiesel etílico. O biocatalisador apresentou algumas limitações reacionais, tais como, fragilidade frente a elevadas temperaturas (> 32 ºC) e prolongado tempo de agitação magnética. Porém, permaneceu apto no meio por 4 ciclos consecutivas. Conclui-se que os biomateriais (fibroína, alginato e quitosana) podem ser utilizados como alternativas versáteis na imobilização de micélios de fungos filamentoso e de enzimas isoladas para aplicações em biocatalíticas.

Avaliação do crescimento de Ankistrodesmus braunii em reator tubular empregando diferentes concentrações de nitrato em diferentes condições de cultivo

Microalgas são organismos unicelulares, eucariontes, fotossintetizantes e eficientes fixadores de gás carbônico que apresentam grande potencial para produção de ácidos graxos além de pigmentos, como os carotenóides e a clorofila, de interesse nas indústrias de alimentos, química, farmacêutica e de cosméticos. Dentre as microalgas, o microrganismo Ankistrodesmus braunii vem sendo citado como capaz de produzir grandes quantidades de lipídios, podendo corresponder a até 73% de sua massa seca, com produção de ácidos graxos insaturados, como o ácido linolênico. Esse microrganismo se destaca do ponto de vista industrial por poder ser conduzido em reatores e em meios de cultivo complexos. As fontes de nitrogênio, as concentrações empregadas destes nutrientes, bem como o tipo de processo de cultivo interferem na composição de biomassas fotossintetizantes. O uso de reatores tubulares tem sido estudado e tem se apresentado interessante por permitir a obtenção de altas concentrações celulares. Nesse sentido, este trabalho teve a finalidade de estudar o crescimento de Ankistrodesmus braunii em reator tubular com uso de diferentes quantidades de nitrato de sódio por processos descontínuo, descontínuo alimentado e semi-contínuo. Nos cultivos descontínuos, a máxima concentração celular (Xm) encontrada foi de 1588 ± 11 mg.L-1 com uso de 20 mM de NaNO3. O uso do processo descontínuo alimentado, o qual teve adição de 20 mM de NaNO3 feito num intervalo a cada 48 horas sendo iniciada a adição no primeiro dia, permitiu a obtenção de Xm = 2753 ± 7 mg.L-1; porém não foi possível eliminar a fase lag do cultivo, levando a uma produtividade em células (Px) de 351 ± 1 mg.L-1.dia-1. O processo semi-contínuo foi eficiente para eliminar a fase lag do cultivo, permitindo a obtenção de Xm = 2399 ± 5 mg.L-1 e um aumento de até 50% em Px, que chegou a valores de 525 ± 1 mg.L-1.dia-1 em cultivos com uso de 20 mM de NaNO3. Nesta condição os teores de proteínas e lipídios nas biomassas foram de 34,8 ± 0,2% e 38,6 ± 0,2%, respectivamente. Foi observado que, independentemente do tipo de processo empregado, há um decréscimo do valor do fator de conversão de nitrogênio em células (YX/N) com o aumento da adição de NaNO3. O maior valor de YX/N foi obtido no experimento com processo semi-contínuo e uso de 2 mM de NaNO3 no meio de cultivo, com valor médio de 29,1 ± 0,1 mg mg-1 ao final do segundo ciclo. Porém, nesta condição, o teor de proteínas da biomassa foi de 17,3 ± 0,4%. Já os maiores valores de YX/N encontrados nos processos descontínuo e descontínuo alimentado foram, respectivamente, de 22,5 ± 1,6 e 7,1 ± 0,1 mg mg-1. Os resultados obtidos neste trabalho evidenciam o potencial de Ankistrodesmus braunii como fonte de proteínas e lipídios para uso industrial.

Modelagem e simulação de reator de cultivo de microalgas tipo \"open pond\".

Mudança climática é um processo global, real e inequívoco. Para sua mitigação, a substituição de combustíveis fósseis por energias renováveis está sendo cada vez mais empregada. Devido à rápida velocidade de crescimento das microalgas, seu cultivo é visto como uma das alternativas mais promissoras para a produção de biocombustíveis. No presente trabalho, foi elaborado um modelo matemático fenomenológico que descreve o crescimento da microalga Chlorella vulgaris. Este modelo foi validado através de experimentos realizados em um reator piloto com capacidade de 1000 L tipo \"open pond\" (reator de raias) aberto ao ambiente, em condições não-axênicas. A variação de concentração devida à evaporação e/ou adição de água foi levada em conta no modelo. O modelo matemático desenvolvido, contendo dois parâmetros ajustáveis, descreve a variação da concentração de biomassa em função do tempo sob condições variáveis de luminosidade e temperatura. Os parâmetros ajustáveis são q (constante para conversão de intensidade luminosa em crescimento fotossintético, em klux-1 min-1) e Imax (limite máximo de intensidade luminosa, em klux). Previamente ao projeto do reator, foram realizados experimentos em reator de laboratório (utilizando a metodologia Taguchi) com o objetivo de determinar quais os fatores mais críticos para o crescimento da espécie de microalga selecionada e que, por isso, deveriam ser controlados com maior precisão. Além disso, foi analisada teoricamente a relevância da consideração do transporte de massa de CO2 no processo. Como este transporte é muito mais lento, a resistência controladora do processo é o crescimento fotossintético. Após a construção do reator piloto, foram realizados dois experimentos preliminares (os quais serviram para aperfeiçoar o aparato e o procedimento experimental) e três experimentos definitivos, registrando-se dados ambientais (temperatura, intensidade luminosa e pH) e de concentração ao longo do tempo. Utilizando os dados de temperatura e luminosidade em função do tempo como entrada, os parâmetros q e Imax otimizados foram ajustados às curvas de concentração versus tempo de cada experimento. Para tal foram desenvolvidos programas de integração de equações diferenciais e de otimização escritos em ambiente Scilab®. Verificou-se que, apesar da variabilidade devida às condições ambientais dos experimentos, obteve-se boa aderência dos dados simulados aos experimentais. Uma análise estatística dos parâmetros q e Imax calculados em cada experimento forneceu coeficientes de variação para estes parâmetros de 17 % e 5 %, respectivamente. Concluiu-se, portanto, que o modelo matemático desenvolvido neste trabalho pode ser empregado para prever o desempenho de um reator de raias em condições ambientais variáveis, bastando para isto o ajuste de dois parâmetros.

Gaseificação de microalgas: estudo termogravimétrico e modelagem matemática do processo em reator solar.

Devido ao esgotamento de recursos não renováveis e o aumento das preocupações sobre as alterações climáticas, a produção de combustível renovável a partir de microalgas continua a atrair muita a atenção devido ao seu potencial para taxas rápidas de crescimento, alto teor de óleo, capacidade de crescer em cenários não convencionais e a neutralidade de carbono, além de eliminar a preocupação da disputa com as culturas alimentares. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de um processo de conversão das microalgas em gás combustível, em destaque o gás de síntese. Visando essa importância, estudou-se a reação de gaseificação da microalga Chlorella vulgaris através de experimentos de análise termogravimétrica para estimar os parâmetros cinéticos das reações e através da simulação de um modelo matemático dinâmico termoquímico do processo usando equações de conservação de massa e energia acoplados a cinética de reação. Análises termogravimétricas isotérmicas e dinâmicas foram realizadas usando dois diferentes tipos de modelos cinéticos: isoconversionais e reações paralelas independentes (RPI). Em ambos os modelos, os valores dos parâmetros cinéticos estimados apresentaram bons ajustes e permaneceram dentro daqueles encontrados na literatura. Também foram analisados os efeitos dos parâmetros cinéticos do modelo RPI sobre a conversão da microalga no intuito de observar quais mais se pronunciavam diante a variação de valores. Na etapa de simulação do sistema controlado pelo reator solar, o modelo matemático desenvolvido foi validado por meio da comparação dos valores de temperatura e concentrações de produtos obtidos medidos experimentalmente pela literatura, apresentando boa aproximação nos valores e viabilizando, juntamente com a etapa experimental de termogravimetria, a produção de gás de síntese através da gaseificação da microalga Chlorella vulgaris.

Volatility spillovers for spot, futures, and ETF prices in energy and agriculture

The agricultural and energy industries are closely related, both biologically and financially. The paper discusses the relationship and the interactions on price and volatility, with special focus on the covolatility spillover effects for these two industries. The interaction and covolatility spillovers or the delayed effect of a returns shock in one asset on the subsequent volatility or covolatility in another asset, between the energy and agricultural industries is the primary emphasis of the paper. Although there has already been significant research on biofuel and biofuel-related crops, much of the previous research has sought to find a relationship among commodity prices. Only a few published papers have been concerned with volatility spillovers. However, it must be emphasized that there have been numerous technical errors in the theoretical and empirical research, which needs to be corrected. The paper not only considers futures prices as a widely-used hedging instrument, but also takes an interesting new hedging instrument, ETF, into account. ETF is regarded as index futures when investors manage their portfolios, so it is possible to calculate an optimal dynamic hedging ratio. This is a very useful and interesting application for the estimation and testing of volatility spillovers. In the empirical analysis, multivariate conditional volatility diagonal BEKK models are estimated for comparing patterns of covolatility spillovers. The paper provides a new way of analyzing and describing the patterns of covolatility spillovers, which should be useful for the future empirical analysis of estimating and testing covolatility spillover effects.

A Case Study of the Economic and Environmental Impacts from a Bio-fuel Facility (Southwest Georgia Ethanol, LLC) on the Surrounding Communities, Southwest Georgia

Bio-fuels such as ethanol provide an extraordinary opportunity to address our dependency on foreign oil. This case study examines the economic and environmental impacts associated with constructing and operating a dry mill ethanol manufacturing facility in a Southwest Georgia town and surrounding communities. The case study found that the plant had little impact on air quality, water quality, and habitat fragmentation. However, economic results showed the plant produced $1.5 million in tax revenues, and 86 jobs. Ethanol producers and communities must consider both the economic and environmental impacts on a local community when searching or attracting a bio-fuels plant. Likewise, communities should be aware of these challenges when attracting ethanol production plants.

Thermogravimetry and Py–GC/MS techniques as fast qualitative methods for comparing the biochemical composition of Nannochloropsis oculata samples obtained under different culture conditions

Microalgae have many applications, such as biodiesel production or food supplement. Depending on the application, the optimization of certain fractions of the biochemical composition (proteins, carbohydrates and lipids) is required. Therefore, samples obtained in different culture conditions must be analyzed in order to compare the content of such fractions. Nevertheless, traditional methods necessitate lengthy analytical procedures with prolonged sample turn-around times. Results of the biochemical composition of Nannochloropsis oculata samples with different protein, carbohydrate and lipid contents obtained by conventional analytical methods have been compared to those obtained by thermogravimetry (TGA) and a Pyroprobe device connected to a gas chromatograph with mass spectrometer detector (Py–GC/MS), showing a clear correlation. These results suggest a potential applicability of these techniques as fast and easy methods to qualitatively compare the biochemical composition of microalgal samples.

Gasification and pyrolysis of Posidonia oceanica in the presence of dolomite

In the present work, a very detailed study of the reforming of syngas produced in the decomposition of Posidonia oceanica is done. The effect of the presence of different amounts of dolomite is analyzed. Also pyrolysis is studied, in nitrogen atmosphere, and gasification in the presence of air, oxygen and different amounts of steam. A detailed discussion on formation and destruction of tars is done. Furthermore, the effect of the heating rate in the decomposition and the residence time of the evolved gases are discussed. Syngas with ratio H2/CO from 0.3 to ca. 3 can be obtained from this interesting material. Marine species (microalgae) are usually studied with the aim of cultivating them for gas or oil production, but in this paper we draw attention to the possibility of using a natural resource with a very small impact in the ecosystem.

Las transformaciones del territorio derivadas de la producción de cultivos para biocombustibles

El aumento de la plantación de diversos cultivos destinados a la producción de biocombustibles representa en muchos territorios, principalmente en aquellos destinados a la agricultura y a la ganadería, un conflicto socioeconómico de excepcional relevancia, lo cual conlleva cambios profundos tanto en la evolución del paisaje como en la articulación del territorio. Con ello se pretende contribuir al debate sobre las repercusiones territoriales de los biocombustibles en el medio rural y en sus consecuencias socioeconómicas a diversas escalas.

Gasification and Pyrolysis of Posidonia oceanica in the Presence of Dolomite

Resumen del póster presentado en Symposium on Renewable Energy and Products from Biomass and Waste, CIUDEN (Cubillos de Sil, León, Spain), 12-13 May 2015

Kinetic Model for Micro Algae Cell Concentration and Size Distribution: Application to Nannochloropsis gaditana

The cell concentration and size distribution of the microalgae Nannochloropsis gaditana were studied over the whole growth process. Various samples were taken during the light and dark periods the algae were exposed to. The distributions obtained exhibited positive skew, and no change in the type of distribution was observed during the growth process. The size distribution shifted to lower diameters in dark periods while in light periods the opposite occurred. The overall trend during the growth process was one where the size distribution shifted to larger cell diameters, with differences between initial and final distributions of individual cycles becoming smaller. A model based on the Logistic model for cell concentration as a function of time in the dark period that also takes into account cell respiration and growth processes during dark and light periods, respectively, was proposed and successfully applied. This model provides a picture that is closer to the real growth and evolution of cultures, and reveals a clear effect of light and dark periods on the different ways in which cell concentration and diameter evolve with time.

Evaluating Spirulina as a protein source in Nile Tilapia (Oreochromis niloticus) grow-out diets

Aquaculture growth has intensified the need for a diversification of nutritionally appropriate aquafeed ingredients. The purpose of this study was to evaluate Spirulina, a blue-green microalgae, and soybean meal as the sole protein sources in grow-out Tilapia diets. We constructed 3 experimental diets with soybean meal and 0,15, 30, and 45% Spirulina (SBM, SP15, SP30, and SP45 respectively) as their main protein sources. We compared these diets to a commercial Tilapia diet (CC). Additionally, to evaluate the benefit of fishmeal inclusion, fishmeal was added (2 and 10%) to the most successful Spirulina containing diet (FM2, FM10). We evaluated these experimental diets based on their physical properties, palatability, growth potential, waste production, and overall cost. No significant differences in growth performance were found between any of the diets. Total ammonia nitrogen (TAN) and total phosphorus (TP) levels in each tank were significantly affected by diet (p<0.05). CC had significantly higher TP than the experimental diets and SP15 had significantly higher TAN than the other diets. Only CC was found to be significantly more palatable than the experimental diets, and Spirulina inclusion was inversely correlated to pellet stability. Lastly, SP15 was the most profitable experimental diet. We recommend eliminating fishmeal from grow-out Tilapia diets in favour of soybean meal and Spirulina. Spirulina should, however, be limited to 15% to avoid the negative effects it has on stability and profitability, and its possible effect on feed intake.

The EU regime on biofuels in transport: Still in search of sustainability. Egmont Paper No. 68, July 2014

Like other regions of the world, the EU is developing biofuels in the transport sector to reduce oil consumption and mitigate climate change. To promote them, it has adopted favourable legislation since the 2000s. In 2009 it even decided to oblige each Member State to ensure that by 2020 the share of energy coming from renewable sources reached at least 10% of their final consumption of energy in the transport sector. Biofuels are considered the main instrument to reach that percentage since the development of other alternatives (such as hydrogen and electricity) will take much longer than expected. Meanwhile, these various legislative initiatives have driven the production and consumption of biofuels in the EU. Biofuels accounted for 4.7% of EU transport fuel consumption in 2011. They have also led to trade and investment in biofuels on a global scale. This large-scale expansion of biofuels has, however, revealed numerous negative impacts. These stem from the fact that first-generation biofuels (i.e., those produced from food crops), of which the most important types are biodiesel and bioethanol, are used almost exclusively to meet the EU’s renewable 10% target in transport. Their negative impacts are: socioeconomic (food price rises), legal (land-grabbing), environmental (for instance, water stress and water pollution; soil erosion; reduction of biodiversity), climatic (direct and indirect land-use effects resulting in more greenhouse gas emissions) and public finance issues (subsidies and tax relief). The extent of such negative impacts depends on how biofuel feedstocks are produced and processed, the scale of production, and in particular, how they influence direct land use change (DLUC) and indirect land use change (ILUC) and the international trade. These negative impacts have thus provoked mounting debates in recent years, with a particular focus on ILUC. They have forced the EU to re-examine how it deals with biofuels and submit amendments to update its legislation. So far, the EU legislation foresees that only sustainable biofuels (produced in the EU or imported) can be used to meet the 10% target and receive public support; and to that end, mandatory sustainability criteria have been defined. Yet they have a huge flaw. Their measurement of greenhouse gas savings from biofuels does not take into account greenhouse gas emissions resulting from ILUC, which represent a major problem. The Energy Council of June 2014 agreed to set a limit on the extent to which firstgeneration biofuels can count towards the 10% target. But this limit appears to be less stringent than the ones made previously by the European Commission and the European Parliament. It also agreed to introduce incentives for the use of advanced (second- and third-generation) biofuels which would be allowed to count double towards the 10% target. But this again appears extremely modest by comparison with what was previously proposed. Finally, the approach chosen to take into account the greenhouse gas emissions due to ILUC appears more than cautious. The Energy Council agreed that the European Commission will carry out a reporting of ILUC emissions by using provisional estimated factors. A review clause will permit the later adjustment of these ILUC factors. With such legislative orientations made by the Energy Council, one cannot consider yet that there is a major shift in the EU biofuels policy. Bolder changes would have probably meant risking the collapse of the high-emission conventional biodiesel industry which currently makes up the majority of Europe’s biofuel production. The interests of EU farmers would have also been affected. There is nevertheless a tension between these legislative orientations and the new Commission’s proposals beyond 2020. In any case, many uncertainties remain on this issue. As long as solutions have not been found to minimize the important collateral damages provoked by the first generation biofuels, more scientific studies and caution are needed. Meanwhile, it would be wise to improve alternative paths towards a sustainable transport sector, i.e., stringent emission and energy standards for all vehicles, better public transport systems, automobiles that run on renewable energy other than biofuels, or other alternatives beyond the present imagination.

Riesgo ecológico del sulfato de bario

Se desconoce el efecto del sulfato de bario en los ecosistemas acuáticos donde se realizan actividades hidrocarburíferas y que vienen incrementándose a nivel nacional. Por tal motivo, se evaluó el riesgo ecológico del sulfato de bario empleando la respuesta ecotoxicológica de doce organismos no destinatarios a fin de conocer los posibles efectos que este compuesto pudiera estar ocasionando a los organismos relacionados a los ecosistemas marinos y epicontinentales donde se desarrollan actividades hidrocarburíferas. Las pruebas ecotoxicológicas incluyeron a las microalgas Isochrysis sp., Chlorella sp., las plantas terrestres Medicago sativa y Zea mays, los crustáceos Daphnia sp., Emerita analoga y Apohyale sp., al equinodermo Tetrapygus niger, al insecto acuático Chironomus calligraphus, y a los peces Odontesthes regia regia, Poecilia reticulata y Paracheirodon innesi. Las mediciones de los parámetros y protocolos para las pruebas como la determinación del riesgo ecológico siguieron las pautas y recomendaciones de la USEPA y otros autores. De los principales resultados ecotoxicológicos con sulfato de bario y sus formas solubles, se obtuvo un efecto negativo del sulfato de bario sobre el crecimiento celular de la microalga epicontinental Chlorella sp. (96 h), que registró una concentración de inhibición media (CI50) de 0,1 g/L y una concentración efectiva no observable (NOEC) de 0,02 g/L. Así mismo, se obtuvo un efecto negativo del bario sobre el crecimiento foliar de la planta terrestre monocotiledónea Z. mays (10 d) que registró una concentración efectiva media (CE50) de 0,0011 g/L y una NOEC de 0,0002 g/L. Finalmente, se concluye que existe alto riesgo ecológico (RQ) del sulfato de bario (RQ = 1,224) y sus formas solubles (RQ = 37 500) empleando la respuesta ecotoxicológica de doce organismos no destinatarios.

Abundance and biomass of phytoplankton in the water column in the northern subtropical Pacific

Species composition, cell number and biomass of pico-, nanno- and microalgae were estimated for open waters of the northern subtropical zone of the Pacific Ocean and coastal waters off the North America. Total phytoplankton abundance was also evaluated. Productivity of these waters was newly estimated. Distribution of phytoplankton, its size, and taxonomic groups were compared with chlorophyll distribution estimated during the same cruise. Dissimilarities between distribution of small and large forms result from their adaptation to various peculiarities of the environment.