Evaluation of Dunaliella salina growth and corresponding ß-carotene production in tubular photobioreactor / Avaliação do crescimento da Dunaliella salina e correspondente produção de ß-caroteno em fotobiorreator tubula

Microalgae, photosynthetic microorganisms, are rich in lipids, polyunsaturated fatty acids, carbohydrates, proteins, vitamins, as well as carotenoids, which are antioxidants that may protect human body from various diseases including obesity, cardiovascular disease, vision-related diseases such as macular degeneration and certain types of cancer. These natural pigments have applications in the pharmaceutical (nutraceutical), food (coloring, functional food, and supplements), and cosmetics industries (e.g. sunscreen), as well as in aquaculture (animal feed). The Dunaliella salina microalga can synthesize 10% of dry weight in ß-carotene (orange pigment, pro-vitamin A activity) under high light intensity and nitrogen and phosphorus limitation, among other stress conditions. The first chapter of this thesis presents a review focused on microalgae carotenoids: culture systems, mode of operation, and applications. In this bibliographic survey, the advantages of microalgae cultivation in relation to traditional sources (higher plants) were discussed, as well as a discussion of the main cultivation systems and their importance in cell growth. This review presented a critical analysis of the different operational regimes like batch, fed-batch, semi-continuous and continuous. Relevant information on the most important world producers of microalgae carotenoids were presented. Chapter II presents the development of a modified method of dispersive liquid-liquid microextraction (DLLME) for rapid extraction of ß-carotene from Dunaliella salina cultivated in tubular photobioreactor, with subsequent development of a rapid chromatographic screening method using a C4 column for separation of geometric isomer of ß-carotene. The use of benzene as extraction solvent and water with 50% acetone as dispersant provided the best condition for the extraction of this carotenoid. In HPLC (High Performance Liquid Chromatography), employing mobile phase composed of methanol and water (95:5, v/v), it was possible to detect/quantify ß-carotene at 14 min (retention time). Besides the short analysis time (<20 min), by the miniaturized extraction (< 10 mL organic waste) this method abide by green chemistry analytical principles. It is known that nitrogen, phosphorus, as well as carbon and vitamins are vital elements for the growth of microalgae, also determining the biochemical composition of biomass. In this sense, Chapter III presents the study of the influence of different amounts of sodium nitrate (1N = 75 mg L-1; 1.5N = 112.5 mg L-1, and 3N = 225 mg L-1) and phosphate monobasic dehydrate (1P = 5.65 mg L-1, 1.5P = 8.47 mg L-1, and 3P = 16.95 mg L-1) in seawater-based f/2 medium on the growth of Dunaliella salina and ß-carotene biosynthesis, by continuous process with different replenishment proportions (R = 20% and 80%). Best results of cell productivity were obtained by semicontinuous process (mean values of Px up to 6.7 x 104 cells mL-1 d-1 with medium 1N:1P; R =20%) in comparison with batch process cultivation. Maximum cell density (Xm) obtained in this work was not dependent of R, but the best results were obtained when using medium 1.5N:1.5P (mean values up to 5.6 x 105 cells mL-1 with R =80%) instead of 1N:1P. The content of ß-carotene in the cells, in general, was higher in cells grown in medium 1N:1P (mean yield values up to 57.5 mg g-1 with R =80%) in comparison with medium 1.5N:1.5P. The cultivation of D. salina with media 3N:3P led to a long lag phase, followed by decrease in cell density and cell lysis. The use of a tubular photobioreactor contributed to successfully cultivate this microalga without contamination by protozoa. The cultivation of Dunaliella salina in tubular photobioreactor with the use of 12:12 photoperiod was appropriate, as well as to induce carotenogenesis, in the second stage, by increasing the light intensity and absence of pH control

As microalgas, micro-organismos fotossintetizantes, são ricas em lipídios, ácidos graxos poli-insaturados, carboidratos, proteínas, vitaminas, além de carotenoides que são antioxidantes com potencial de proteger o organismo humano de várias doenças incluindo a obesidade, doenças cardiovasculares, doenças relacionadas à visão como a degeneração macular e certos tipos de câncer, entre outras. Esses pigmentos naturais têm aplicações em indústrias farmacêuticas (nutracêuticos), alimentícias (colorantes, alimentos funcionais e suplementos) e de cosméticos (exemplo: filtro solar) e na aquacultura (ração animal). A microalga Dunaliella salina é capaz de sintetizar, sob alta intensidade luminosa e limitação de nutrientes como fontes de fósforo e nitrogênio, dentre outras condições de estresse, 10 % do peso seco em ß-caroteno (pigmento laranja com atividade pró-vitamina A). Assim, neste trabalho, numa primeira etapa, foi feita uma revisão da literatura abordando a produção de carotenoides por microalgas, bem como sua aplicação. Nesse levantamento bibliográfico abordou-se, dentre outros assuntos, as vantagens do cultivo de microalgas em relação as fontes tradicionais (plantas superiores), assim como uma discussão dos diferentes sistemas de cultivos e sua importância no crescimento celular. Esse review apresentou uma análise crítica dos principais regimes operacionais como batch, fed-batch, semicontínuo e contínuo. Apresentou-se também informações relevantes sobre os mais importantes produtores mundiais de carotenoides de microalgas. Numa segunda etapa, foi desenvolvido um método modificado de microextração líquido-líquido dispersivo modificado (DLLME) para a rápida extração de ß-caroteno de Dunaliella salina cultivada em fotobiorreatores tubulares, com subsequente desenvolvimento de método cromatográfico em uma coluna C4 para a separação do isômero geométrico de ß-caroteno. A extração ótima de ß-caroteno foi obtida com benzeno como solvente extrator e água com 50% de acetona como dispersante. Empregando uma fase móvel composta por metanol e água (95:5, v/v) em HPLC, foi possível a detecção/quantificação de ß-caroteno com 14 minutos de tempo de retenção. Além dos tempos curtos de análises (<20 min), pela extração em volume reduzido (< 10 mL resíduos orgânicos) este método obedece aos princípios da química verde. Sabe-se que nitrogênio, fósforo, assim como carbono e vitaminas são elementos vitais para o crescimento das microalgas e também exercem influência na composição bioquímica da biomassa. Assim, na terceira etapa deste trabalho, estudou-se a influência das quantidades de nitrato de sódio (75 mg L-1, denominado 1N; 112,5 mg L-1, denominado 1,5N; 225 mg L-1, denominado 3N) e de fosfato monobásico dihidratado (5,65 mg L-1, denominado 1P; 8,47 mg L-1, denominado 1,5P; 16,95 mg L-1, denominado 3P) em meio f/2, que tem como base a água do mar, no crescimento e na síntese de ß-caroteno da Dunaliella salina por processo semicontínuo, com uso de frações de corte (R) de 20% e 80%. Foram obtidas produtividades celulares mais elevadas em processos semicontínuos do que em processo descontínuo, com produtividades médias de até 6,7 x 104 células mL-1 d-1 (meio 1N:1P; R =20%). A máxima concentração celular (Xm) obtida neste trabalho não foi dependente de R. Os melhores resultados de Xm foram obtidos quando se usou meio 1,5N:1,5P em vez de meio, com 1N:1P, com valores médios de até 5,6 x 105 células m L-1 (R =80%). O conteúdo de ß-caroteno nas células, de maneira geral, foi maior nas células cultivadas em meio 1N:1P do que no meio 1,5N:1,5P, com valores até 57,5 mg g-1 (R =80%). O cultivo de D. salina com o meio 3N:3P levou a uma longa fase lag, seguida por uma diminuição na concentração celular e sua lise. O cultivo de células em um fotobiorreator tubular contribuiu para um crescimento celular sem contaminação por protozoários. O cultivo de Dunaliella salina em fotobiorreator tubular com o uso de fotoperíodo 12:12 foi apropriado, assim como induzir a carotenogênese, no segundo estágio, por meio do aumento da intensidade luminosa e ausência de controle de pH

Potential of microalgae in the bioremediation of water with chloride content / Potencial de microalga na biorremediação da água com conteúdo de cloretos

Abstract In this work it was carried out the bioremediation of water containing chlorides with native microalgae (MCA) provided by the Centre for study and research in biotechnology (CIBIOT) at Universidad Pontificia Bolivariana. Microalgae presented an adaptation to the water and so the conditions evaluated reaching a production of CO2 in mg L-1 of 53.0, 26.6, 56.0, 16.0 and 30.0 and chloride removal efficiencies of 16.37, 26.03, 40.04, 25.96 and 20.25% for microalgae1, microalgae2, microalgae3, microalgae4 and microalgae5 respectively. Water bioremediation process was carried out with content of chlorides in fed batch system with an initial concentration of chlorides of 20585 mg L-1 every 2 days. The Manipulated variables were: the flow of MCA3 (10% inoculum) for test one; NPK flow for test two, and flow of flow of MCA3+0.5 g L-1 NPK. Chloride removal efficiencies were 66.88%, 63.41% and 66.98% for test one, two and three respectively, for a total bioprocess time of 55 days.

Resumo Neste trabalho avaliou-se a biorremediação da água com conteúdos de cloretos utilizando microalgas nativas (MCA) fornecidas pelo Centro de Estudos e Pesquisas em Biotecnologia (CIBIOT) da Universidad Pontifícia Bolivariana. As microalgas empregadas apresentaram uma adaptação ao meio de cultura e as condições operacionais avaliadas atingindo uma produção de CO2 em mg L-1 de 53,0, 26,6, 56,0, 16,0 e 30,0 e eficiências de remoção de cloretos de 16,37, 26,03, 40,04, 25,96 e 20,25% para MCA1, MCA2, MCA3, MCA4 e MCA5 respectivamente. A biorremediação da água com conteúdos de cloretos foi realizada em modo batelada alimentada (Feed Batch) com uma concentração inicial de cloretos de 20585 mg L-1. A alimentação foi realizada a cada 2 dias. A variável manipulada foi: ensaio um, uma vazão de MCA3 (10% de inoculo); ensaio dois, uma vazão de NPK e ensaio três, uma vazão de MCA3+0,5 g L-1 NPK. As eficiências de remoção foram 66,88%, 63,41% e 66,98% para os ensaios um, dois e três, respectivamente num tempo do bioprocesso total de 55 dias.

Effect of malate on docosahexaenoic acid production from Schizochytrium sp. B4D1

Background: Malate involves in the citrate/malate and transhydrogenase cycles to provide precursors for docosahexaenoic acid (DHA) synthesis. The optimal strategy was investigated for increasing DHA production in Schizochytrium species during fermentation. Results: DHA production increased by 47% and reached 5.51 g/L when 4 g malate/L was added during the rapid lipid accumulation stage in shake-flasks culture. Inducing effects of malate was further investigated through the analysis of three kinetic parameters, including specificcell growth rate(μ), specific glucose consumption rate (qGlu)and DHA formation rate (qDHA). DHA concentration was enhanced through a novel fed-batch strategy to a maximum value of 30.7 g/L, giving a yield of 0.103 g DHA/g glucose and a productivity of 284 mg L-1 h-1. Conclusion: A novel malate feeding strategy was developed that enhanced DHA yield and productivity of Schizochytrium species which may offer a desirable method for industrial applications.

Production and characterization of algae extract from Chlamydomonas reinhardtii

Background: Algae offer many advantages as biofuel sources including: high growth rates, high lipid content, the ability to grow on non-agricultural land, and the genetic versatility to improve strains rapidly and produce co-products. Research is ongoing to make algae biofuels a more financially attractive energy option; however, it is becoming evident that the economic viability of algae-based fuels may hinge upon high-value co-products. This work evaluated the feasibility of using a co-product, algae extract, as a nutrient source in cell culture media. Results: Algae extract prepared from autolysed Chlamydomonas reinhardtii was found to contain 3.0% protein, 9.2% total carbohydrate, and 3.9% free α-amino acid which is similar to the nutrient content of commercially available yeast extract. The effects of algae extract on the growth and metabolism of laboratory strains of Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae were tested by substituting algae extract for yeast extract in LB and YPAD growth media recipes. Complex laboratory media supplemented with algae extract instead of yeast extract showed markedly improved effects on the growth and metabolism of common laboratory microorganisms in all cases except ethanol production rates in yeast. Conclusions: This study showed that algae extract derived from C. reinhardtii is similar, if not superior, to commercially available yeast extract in nutrient content and effects on the growth and metabolism of E. coli and S. cerevisiae. Bacto™ yeast extract is valued at USD $0.15-0.35 per gram, if algae extract was sold at similar prices, it would serve as a high-value co-product in algae-based fuel processes.