Proceedings of the Twenty-Sixth Annual Biochemical Engineering Symposium

This volume contains the Proceedings of the Twenty-Sixth Annual Biochemical Engineering Symposium held at Kansas State University on September 21, 1996. The program included 10 oral presentations and 14 posters. Some of the papers describe the progress of ongoing projects, and others contain the results of completed projects. Only brief summaries are given of some of the papers; many of the papers will be published in full elsewhere. A listing of those who attended is given below. ContentsForeign Protein Production from SV40 Early Promoter in Continuous Cultures of Recombinant CHO Cells - Gautam Banik, Paul Todd, and Dhinakar Kampala Enhanced Cell Recruitment Due to Cell-Cell Interactions - Brad Farlow and Matthias Nollert The Recirculation of Hybridoma Suspension Cultures: Effects on Cell Death, Metabolism and Mab Productivity - Peng Jin and Carole A. Heath The Importance of Enzyme Inactivation and Self-Recovery in Cometabolic Biodegradation of Chlorinated Solvents - Xi-Hui Zhang, Shanka Banerji, and Rakesh Bajpai Phytoremediation of VOC contaminated Groundwater using Poplar Trees - Melissa Miller, Jason Dana, L.C. Davis, Murlidharan Narayanan, and L.E. Erickson Biological Treatment of Off-Gases from Aluminum Can Production: Experimental Results and Mathematical Modeling - Adeyma Y. Arroyo, Julio Zimbron, and Kenneth F. Reardon Inertial Migration Based Separation of Chlorella Microalgae in Branched Tubes - N.M. Poflee, A.L. Rakow, D.S. Dandy, M.L. Chappell, and M.N. Pons Contribution of Electrochemical Charge to Protein Partitioning in Aqueous Two-Phase Systems - Weiyu Fan and Charles C. Glatz Biodegradation of Some Commercial Surfactants Used in Bioremediation - Jun Gu, G.W. Preckshot, S.K. Banerji, and Rakesh Bajpai Modeling the Role of Biomass in Heavy Metal Transport Ln Vadose Zone - K.V. Nedunuri, L.E. Erickson, and R.S. Govindaraju Multivariable Statistical Methods for Monitoring Process Quality: Application to Bioinsecticide Production by 73 89 Bacillus Thuringiensis - c. Puente and M.N. Karim The Use of Polymeric Flocculants in Bacterial Lysate Streams - H. Graham, A.S. Cibulskas and E.H. Dunlop Effect of Water Content on transport of Trichloroethylene in a Chamber with Alfalfa Plants - Muralidharan Narayanan, Jiang Hu, Lawrence C. Davis, and Larry E. Erickson Detection of Specific Microorganisms using the Arbitrary Primed PCR in the Bacterial Community of Vegetated Soil - X. Wu and L.C. Davis Flux Enhancement Using Backpulsing - V.T. Kuberkar and R.H. Davis Chromatographic Purification of Oligonucleotides: Comparison with Electrophoresis - Stephen P. Cape, Ching-Yuan Lee, Kevin Petrini, Sean Foree, Micheal G. Sportiello and Paul Todd Determining Singular Arc Control Policies for Bioreactor Systems Using a Modified Iterative Dynamic Programming Algorithm - Arun Tholudur and W. Fred Ramirez Pressure Effect on Subtilisins Measured via FTIR, EPR and Activity Assays, and Its Impact on Crystallizations - J.N. Webb, R.Y. Waghmare, M.G. Bindewald, T.W. Randolph, J.F. Carpenter, C.E. Glatz Intercellular Calcium Changes in Endothelial Cells Exposed to Flow - Laura Worthen and Matthias Nollert Application of Liquid-Liquid Extraction in Propionic Acid Fermentation - Zhong Gu, Bonita A. Glatz, and Charles E. Glatz Purification of Recombinant T4 Lysozyme from E. Coli: Ion-Exchange Chromatography - Weiyu Fan, Matt L. Thatcher, and Charles E. Glatz Recovery and Purification of Recombinant Beta-Glucuronidase from Transgenic Corn - Ann R. Kusnadi, Roque Evangelista, Zivko L. Nikolov, and John Howard Effects of Auxins and cytokinins on Formation of Catharanthus Roseus G. Don Multiple Shoots - Ying-Jin Yuan, Yu-Min Yang, Tsung-Ting Hu, and Jiang Hu Fate and Effect of Trichloroethylene as Nonaqueous Phase Liquid in Chambers with Alfalfa - Qizhi Zhang, Brent Goplen, Sara Vanderhoof, Lawrence c. Davis, and Larry E. Erickson Oxygen Transport and Mixing Considerations for Microcarrier Culture of Mammalian Cells in an Airlift Reactor - Sridhar Sunderam, Frederick R. Souder, and Marylee Southard Effects of Cyclic Shear Stress on Mammalian Cells under Laminar Flow Conditions: Apparatus and Methods - M.L. Rigney, M.H. Liew, and M.Z. Southard

Cultivo de consorcio microalgal autóctono y biorremediación de efluentes urbanos

En el presente trabajo se muestran los resultados experimentales obtenidos del cultivo del consorcio de microalgas (Chlorella sp y Scenedesmus sp.) empleando el efluente urbano pretratado proveniente de la planta de tratamiento cloacal ―La Viñita‖, Provincia de Catamarca, Argentina. Los objetivos se orientan a caracterizar el consorcio de microalgas autóctonas en cuanto a la relación de la producción de biomasa y lípidos, en condiciones controladas de cultivo, en efluentes urbanos provenientes de la planta de tratamiento de líquidos cloacales ―La Viñita‖ y analizar la eficiencia del proceso biorremediador realizado por las microalgas, considerando la eficiencia de los tratamientos, en relación a los parámetros que corresponden a días de cultivo, estado del consorcio y propiedades físico-químicas del sobrenadante. Se emplearon tres variables (% de Inóculo, % de medio nutricional e inyección de CO2), el ensayo se realizó a lo largo de 12 días de cultivo ―indoor‖. Se analizaron los datos de producción de biomasa en cada tratamiento, se determinó la concentración de lípidos presentes en la biomasa y se hizo observación microscópica de los distintos tratamientos al finalizar el ensayo y un seguimiento macroscópico durante el ensayo. Se eligieron los tratamientos eficientes en términos de biomasa y lípidos. En todos los casos se empleó fotoperiodo 12 hs/12 hs, sin control de esterilidad y con agitación manual. Sobre cada muestra se realizaron las determinaciones de biomasa, lípidos y pH. Considerando los aspectos de desarrollo de las microalgas y los parámetros físico-químicos, los resultados obtenidos indicaron que los tratamientos con inyección de CO2 alcanzaron mayor productividad de biomasa algal y lípidos. En las condiciones de 20% de inóculo, inyección de CO2, empleo de efluente con refuerzo de medio nutricional se obtiene en 3 días: 58 mg/L de biomasa y la producción más alta del ensayo en cuanto a lípidos (16,8 mg/L). En cuanto al proceso biorremediador se observó que disminuyó la concentración de DBO5 en un 63,63 %, la de DQO en un 51,8 %, la de nitratos en un 38 % y aumentó la cantidad de fosfato, lo que podrá ser corregido con modificaciones en las concentraciones de sales en el medio de cultivo. El efluente resultante no presenta riesgo de sodicidad por lo que podría ser utilizada para riego. Se observó un cambio de color (de verde claro a verde oscuro) y se confirmó con la observación microscópica la predominancia de Chlorella sp. en un 90 %, la presencia de rotíferos en baja cantidad y ausencia de otras microlagas no deseadas como filamentosas y diatomeas. No se detectó la presencia de huevo de helmintos.

Toxicity of ZnO nanoparticles, ZnO bulk and ZnCl2 on earthworms in a spiked natural soil and toxicological effects of leachates on aquatic organisms

The present study assessed the uptake and toxicity of ZnO nanoparticles (NPs), ZnO bulk, and ZnCl2 salt in earthworms in spiked agricultural soils. In addition, the toxicity of aqueous extracts to Daphnia magna and Chlorella vulgaris was analyzed to determine the risk of these soils to the aquatic compartment. We then investigated the distribution of Zn in soil fractions to interpret the nature of toxicity. Neither mortality nor differences in earthworm body weight were observed compared with the control. The most sensitive end point was reproduction. ZnCl2 was notably toxic in eliminating the production of cocoons. The effects induced by ZnO-NPs and bulk ZnO on fecundity were similar and lower than those of the salt. In contrast to ZnO bulk, ZnO-NPs adversely affected fertility. The internal concentrations of Zn in earthworms in the NP group were greater than those in the salt and bulk groups, although bioconcentration factors were consistently <1. No relationship was found between toxicity and internal Zn amounts in earthworms. The results from the sequential extraction of soil showed that ZnCl2 displayed the highest availability compared with both ZnO. Zn distribution was consistent with the greatest toxicity showed by the salt but not with Zn body concentrations. The soil extracts from both ZnO-NPs and bulk ZnO did not show effects on aquatic organisms (Daphnia and algae) after short-term exposure. However, ZnCl2 extracts (total and 0.45-μm filtered) were toxic to Daphnia.

Phylogeny of mRNA capping enzymes

The m7GpppN cap structure of eukaryotic mRNA is formed cotranscriptionally by the sequential action of three enzymes: RNA triphosphatase, RNA guanylyltransferase, and RNA (guanine-7)-methyltransferase. A multifunctional polypeptide containing all three active sites is encoded by vaccinia virus. In contrast, fungi and Chlorella virus encode monofunctional guanylyltransferase polypeptides that lack triphosphatase and methyltransferase activities. Transguanylylation is a two-stage reaction involving a covalent enzyme-GMP intermediate. The active site is composed of six protein motifs that are conserved in order and spacing among yeast and DNA virus capping enzymes. We performed a structure–function analysis of the six motifs by targeted mutagenesis of Ceg1, the Saccharomyces cerevisiae guanylyltransferase. Essential acidic, basic, and aromatic functional groups were identified. The structural basis for covalent catalysis was illuminated by comparing the mutational results with the crystal structure of the Chlorella virus capping enzyme. The results also allowed us to identify the capping enzyme of Caenorhabditis elegans. The 573-amino acid nematode protein consists of a C-terminal guanylyltransferase domain, which is homologous to Ceg1 and is strictly conserved with respect to all 16 amino acids that are essential for Ceg1 function, and an N-terminal phosphatase domain that bears no resemblance to the vaccinia triphosphatase domain but, instead, has strong similarity to the superfamily of protein phosphatases that act via a covalent phosphocysteine intermediate.

Flotação por ar dissolvido aplicado à separação de microalgas cultivadas em fotobiorreator, alimentado com vinhaça pré-tratada físico-quimicamente, com vistas à exploração de seu potencial bioenergético

Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores.

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.

Cultivo larvario de dentón (Dentex dentex L.): contribución al establecimiento de las necesidades nutricionales en ácidos grasos poliinsaturados

El objetivo de este trabajo es contribuir al conocimiento de las necesidades nutricionales en ácidos grasos poliinsaturados del pez marino dentón (Dentex dentex, L.). Para ello se realizaron cuatro experimentos en los cuales se suministraron a larvas de dentón dietas con diferentes contenidos de ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) utilizando como vehículo de introducción presas vivas (rotífero y Artemia). Posteriormente se evaluó el efecto de dichas dietas sobre la calidad y supervivencia final de las larvas. En el Experimento I, se alimentaron larvas de corta edad hasta los 22 días posteclosión (dph) con el rotífero (Brachionus plicatilis). Dichos rotíferos fueron sometidos a una serie de tratamientos de enriquecimiento con varias especies de microalgas (Chlorella sp., Nannochloropsis gaditana, Tetraselmis suecica e Isochrysis galbana) y un enriquecedor comercial (Protein - Selco®), con diferentes contenidos en PUFA. En el tratamiento con Protein – Selco se alcanzaron valores significativamente superiores (ρ < 0.05) de talla y peso de las larvas, mientras que en el tratamiento con la microalga Isochrysis galbana, las larvas alcanzaron mayores valores de biomasa y supervivencia final con respecto a las larvas de los otros tratamientos. En los Experimentos II y III se partió de larvas de mayor edad (desde 22 hasta 48 dph) que fueron alimentadas con el crustáceo Artemia sp. La Artemia, se enriqueció con una serie de emulsiones experimentales (ICES®) con diferentes contenidos de PUFA. En el Experimento II, se encontró que las larvas a las que se les suministró mayores contenidos de PUFA, presentaron valores significativamente superiores (ρ < 0.05) en supervivencia y biomasa final. En el Experimento III, se observó que en las larvas a las que se les suministró el menor nivel de PUFA, se obtuvieron resultados significativamente menores (ρ < 0.05) en peso, talla, biomasa y supervivencia final. No se encontraron grandes diferencias en peso y talla entre las larvas a las que se les suministraron los PUFA en forma de triglicéridos o de etilésteres. En el Experimento IV se estudió la variación de contenidos de ácidos grasos a lo largo de un periodo de puestas (abril, mayo y junio) y durante cuatro fases de desarrollo endotrófico: huevo, huevo embrionado, larvas recién eclosionadas y larvas con apertura de la boca. Se evaluó la repercusión de estas variaciones de contenidos de ácidos grasos sobre los parámetros de calidad de huevos y larvas. También se compararon los contenidos de ácidos grasos de estas fases endotróficas con los contenidos encontrados durante las fases de alimentación con rotífero y Artemia. No se observaron grandes diferencias a lo largo del periodo de puesta en cuanto a contenidos de ácidos grasos y a las proporciones entre ellos, aunque si se observaron cambios en los parámetros que indicaban calidad de las puestas. Por el contrario, se observaron diferencias significativas (ρ < 0.05) en el grado de saturación de ácidos grasos, contenido de PUFA y ácidos grasos de 18 carbonos entre las larvas en fase de apertura de la boca con respecto a las otras fases de desarrollo endotrófico.

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.

The selection of a model microalgal species as biomaterial for a novel aquatic phytotoxicity assay

A phytotoxicity assay based on the ToxY-PAM dual-channel yield analyser has been developed and successfully incorporated into field assessments for the detection of phytotoxicants in water. As a means of further exploring the scope of the assay application and of selecting a model biomaterial to complement the instrument design, nine algal species were exposed to four chemical substances deemed of priority for water quality monitoring purposes (chlorpyrifos, copper, diuron and nonylphenol ethoxylate). Inter-species differences in sensitivity to the four toxicants varied by a factor of 1.9-100. Measurements of photosystem-II quantum yield using these nine single-celled microalgae as biomaterial corroborated previous studies which have shown that the ToxY-PAM dual-channel yield analyser is a highly sensitive method for the detection of PS-II impacting herbicides. Besides Phaeodactylum tricornutum, the previously applied biomaterial, three other species consistently performed well (Nitzschia closterium, Chlorella vulgaris and Dunaliella tertiolecta) and will be used in further test optimisation experiments. In addition to sensitivity, response time was evaluated and revealed a high degree of variation between species and toxicants. While most species displayed relatively weak and slow responses to copper, C. vulgaris demonstrated an IC10 of 51 μ g L-1, with maximum response measured within 25 minutes and inhibition being accompanied by a large decrease in fluorescence yield. The potential for this C vulgaris-based bioassay to be used for the detection of copper is discussed. There was no evidence that the standard ToxY-PAM protocol, using these unicellular algae species, could be used for the detection of chlorpyrifos or nonylphenol ethoxylate at environmentally relevant levels. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Intermediate pyrolysis studies of aquatic biomass and potential applications in the BtVB-process

Aquatic biomass is seen as one of the major feedstocks to overcome difficulties associated with 1st generation biofuels, such as competition with food production, change of land use and further environmental issues. Although, this finding is widely accepted only little work has been carried out to investigate thermo-chemical conversion of algal specimen to produce biofuels, power and heat. This work aims at contributing fundamental knowledge for thermo-chemical processing of aquatic biomass via intermediate pyrolysis. Therefore, it was necessary to install and commission an analytical pyrolysis apparatus which facilitates intermediate pyrolysis process conditions as well as subsequent separation and detection of pyrolysates (Py- GC/MS). In addition, a methodology was established to analyse aquatic biomass under intermediate conditions by Thermo-Gravimetric Analysis (TGA). Several microalgae (e.g. Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris) and macroalgae specimen (e.g. Fucus vesiculosus) from main algal divisions and various natural habitats (fresh and saline water, temperate and polar climates) were chosen and their thermal degradation under intermediate pyrolysis conditions was studied. In addition, it was of interest to examine the contribution of biochemical constituents of algal biomass onto the chemical compounds contained in pyrolysates. Therefore, lipid and protein fractions were extracted from microalgae biomass and analysed separately. Furthermore, investigations of residual algal materials obtained by extraction of high valuable compounds (e.g. lipids, proteins, enzymes) were included to evaluate their potential for intermediate pyrolysis processing. On basis of these thermal degradation studies, possible applications of algal biomass and from there derived materials in the Bio-thermal Valorisation of Biomass-process (BtVB-process) are presented. It was of interest to evaluate the combination of the production of high valuable products and bioenergy generation derived by micro- and macro algal biomass.

Intermediate pyrolysis and product identification by TGA and Py-GC/MS of green microalgae and their extracted protein and lipid components

The thermo-chemical conversion of green microalgae Chlamydomonas reinhardtii wild type (CCAP 11/32C), its cell wall deficient mutant C. reinhardtii CW15 (CCAP 11/32CW15) and Chlorella vulgaris (CCAP 211/11B) as well as their proteins and lipids was studied under conditions of intermediate pyrolysis. The microalgae were characterised for ultimate and gross chemical composition, lipid composition and extracted products were analysed by Thermogravimetric analysis (TG/DTG) and Pyrolysis-gaschromatography/mass-spectrometry (Py-GC/MS). Proteins accounted for almost 50% and lipids 16-22 % of dry weight of cells with little difference in the lipid compositions between the C. reinhardtii wild type and the cell wall mutant. During TGA analysis, each biomass exhibited three stages of decomposition, namely dehydration, devolatilization and decomposition of carbonaceous solids. Py-GC/MS analysis revealed significant protein derived compounds from all algae including toluene, phenol, 4-methylphenol, 1H-indole, 1H-indole-3methyl. Lipid pyrolysis products derived from C. reinhardtii wild type and C. reinhardtii CW15 were almost identical and reflected the close similarity of the fatty acid profiles of both strains. Major products identified were phytol and phytol derivatives formed from the terpenoid chain of chlorophyll, benzoic acid alkyl ester derivative, benzenedicarboxylic acid alkyl ester derivative and squalene. In addition, octadecanoic acid octyl ester, hexadecanoic acid methyl ester and hydrocarbons including heptadecane, 1-nonadecene and heneicosane were detected from C. vulgaris pyrolysed lipids. These results contrast sharply with the types of pyrolytic products obtained from terrestrial lignocellulosic feedstocks and reveal that intermediate pyrolysis of algal biomass generates a range of useful products with wide ranging applications including bio fuels.

Food and fuel microalgae applications: insights from portuguese experience [Resumo]

Microalgae have a wide range of application fields, from food to fuels, to pharmaceuticals & fine chemicals, aquaculture and environmental bioremediation, among others. Spirulina and Chlorella have been used as food sources since ancient times, due to their high and balanced nutritional value. Our research group in Lisbon has developed a range of food products (emulsions, gelled desserts, biscuits and pastas) enriched with freshwater and marine microalgae (Spirulina, Chlorella, Haematococcus, Isochrysis and Diacronema). The developed products presented attractive and stable colours, high resistance to oxidation and enhanced rheological properties. Some of these products will be prepared at the Post-Congress Course “Functional Foods Development” at the University of Antofagasta. More recently, a great interest has arisen on using microalgae for biofuel production. The same group has also been exploring several marine and freshwater species for biofuel production (e.g., biodiesel, bioethanol, biohydrogen and biomethane) within a biorefinery approach, in order to obtain high and low-value co-products using integral biomass maximizing the energy revenue. Namely, supercritical fluid extraction of Nannochloropsis sp. allowed the recovery of valuable carotenoids and lipids, prior to bioH2 production through dark fermentation of the residual biomass. Also, Scenedesmus obliquus residues after sugars (for bioethanol) and lipids (for biodiesel) extraction has been anaerobically digested attaining high biomethane yields. Regarding sustainability issues, the current trend of our group is now focused on using liquid effluents and high CO2 levels for low cost microalgae growth, contributing to a lower water demand, primary energy consumption and global warming potential by reducing the need for potable water and fertilizers (P, N) and increasing CO2 mitigation. Microalgae biomass has been successfully used for urban wastewater treatment with subsequent bioH2 production, in a biorefinery approach. Presently, ammonium-rich raw effluents from piggeries and poultry industry are being effectively used for microalgae growth avoiding any pre-treatment step.

Bioactive compounds through anaerobic digestion of heterotrophic microalgae residues

Several important biomolecules are available into anaerobically digested effluents that were obtained from the biodiesel production process using heterotrophically grown microalga Chlorella protothecoides. Defatted microalgae residues and crude glycerol may undergo anaerobic digestion, separately and in admixture, providing methane/hydrogen and a digestate exploitable for agriculture applications. Furthermore, industrial interesting bioactive compounds such as polyphenols provided with antioxidant activity can be obtained. Anaerobic process offers a promising chance and can be advantageously combined with algae lipid-extraction techniques in order to make it more sustainable.

Cultivo de microalgas utilizando pentoses como fonte de carbono

As microalgas podem ser consideradas como um dos mais eficientes sistemas biológicos de transformação de energia solar em compostos orgânicos. Quando cultivadas em meios adequados, certas espécies podem duplicar sua biomassa diariamente. Além disso, possuem inúmeras vantagens, como: elevada velocidade de crescimento; potencial para absorver CO2, reduzindo assim a quantidade de emissões deste gás na atmosfera e diminuindo o efeito estufa. O objetivo do trabalho foi estudar o efeito do uso de pentoses no cultivo de Chlorella minutissima, Chlorella vulgaris, Chlorella homosphaera, Dunaliella salina, Spirulina paracas e Synechococcus nidulans, avaliando o perfil cinético do crescimento e a capacidade de produção de carboidratos e proteínas. Para o cultivo das microalgas foram utilizados os meios: Zarrouk, Bristol`S Modificado e DUN. Em todos os meios o componente nitrogenado foi reduzido pela metade e utilizado 1%, 5%, 10%, 20% e 30% de pentoses, com concentrações de xilose e arabinose que representassem as mesmas presentes em caldo hidrolisado do bagaço de cana de açúcar pré-tratado. Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores de 2 L, mantidos em estufa a 30 ºC, fotoperíodo de 12h claro/escuro e 2500 Lx, com agitação a uma vazão de 0,75 v.v.m. . O crescimento de biomassa foi monitorado diariamente pela densidade ótica das culturas em espectrofotômetro a 670nm. Foram avaliados parâmetros cinéticos como a concentração máxima de biomassa, produtividade máxima e velocidade específica máxima de crescimento. A determinação do consumo das pentoses foi realizada através da metodologia de Somogy e Nelson, para a determinação de carboidratos foi utilizada uma adaptação do método do ácido 3,5 dinitro salicílico, as proteínas foram quantificadas pelo método de micro-Kjeldahl. Todas as microalgas foram capazes de consumir em no máximo quatro dias as concentrações de pentoses, e logo após esta etapa mixotrófica manter-se em crescimento autotrófico, destacando-se as cepas de Dunaliella salina e Synechococcus nidulans que esgotaram as maiores concentrações utililizadas em dois dias de cultivo. Para as cianobactérias estudadas, Spirulina paracas cultivada com 10% de C5, foi a que obteve os melhores resultados de concentração celular, produtividade e velocidade específica de crescimento máxima, 1,364 g.L-1 , 0,128 g.L-1 .dia-1 e 0,240 dia-1 . Em relação ao efeito na composição da biomassa, Synechococcus nidulans produziu o maior teor de proteínas, 62,9%, nos ensaios com 10% de C5. Já as cepas de Chlorophytas os melhores resultados foram obtidos com o uso de 5% de C5, para os parâmetros cinéticos destacam-se os valores encontrados para Dunaliella salina, onde a maior concentração de biomassa, produtividade e velocidade específica de crescimento foram 1,246 g.L-1 , 0,091 g.L- 1 .dia-1 e 0,379 dia-1 , respectivamente. Chlorella minutissima e Dunaliella salina foram as melhores produtoras de carboidratos, alcançando 58,6%/0,3 g.L-1 e 23,07%/0,29 g.L-1 ,respecivamente. Logo, o uso de pentoses nas microalgas em substituição as fontes tradicionais de carbono, resultou no crescimento das mesmas, o que mostra que estas podem agir como intermediários para a absorção de açúcares de cinco carbonos.