Modelagem, simulação e otimização de cultivos autotróficos de pseudoneochloris marina em fotobiorreatores airlift

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Gonçalves, Carolina Ferrer
• Orientador(a): Rech, Rosane
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Microalga; Fotobiorreatores; Algas verdes
• Palavras-chave em Inglês: Batch cultivation; Mathematical modeling; Fatty acids; Continuous cultivation; Carotenoids
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/194347

As microalgas são micro-organismos fotossintéticos que podem fixar o CO2 de diferentes fontes e sob condições adequadas de cultivos são capazes de produzir carboidratos, proteínas, lipídeos e compostos de valor agregado como ácidos graxos e carotenoides de interesse para a área de alimentos. Na fase inicial deste trabalho, a partir de análise de rDNA foi feita a identificação filogenética da cepa de microalga verde que apresentou 96 % de similaridade para Pseudoneochloris marina quando comparada as sequências depositadas no GenBank. A partir da identificação da microalga foram realizados testes preliminares para ajuste da concentração de nitrogênio (NaNO3) no meio de cultura dos cultivos em processo descontínuo (batelada). A maior concentração de biomassa (2,02 ± 0,21 g L-1) foi obtida com 450 mg L-1 de NaNO3. Esta condição foi definida e aplicada nos experimentos subsequentes. Além da concentração de nitrogênio, a influência dos parâmetros externos, temperatura e intensidade luminosa, foram avaliados na produção e composição da biomassa de P. marina. A maior produtividade de biomassa (0,26 g L-1 d-1) foi obtida nas culturas a 28 ºC e 252 e 364 μmol m-2 s-1. Os carboidratos foram os compostos de reserva acumulados em maior concentração pelas células de microalga. O teor de proteínas foi reduzido quando cultivadas em maior temperatura e intensidade luminosa. O aumento da intensidade luminosa afetou negativamente o conteúdo de carotenoides e lipídeos. A partir da identificação e quantificação dos carotenoides e ácidos graxos presentes na biomassa obteve-se como majoritários a luteína e β-caroteno, e C16:0, C18:2n-6 e C18:3n-3, respectivamente. Quando cultivadas a 20 ºC, obteve-se a menor proporção ω6:ω3 (1,6) na produção de ácidos graxos. Nesta etapa mostrou-se o potencial de cultivo da microalga P. marina para produção de produtos como carotenoides e ácidos graxos poli-insaturados. Na segunda etapa foi realizada a modelagem matemática para os cultivos de P. marina nos processos em batelada, batelada repetida e contínuo. Cinco modelos matemáticos foram analisados para descrever o crescimento celular e consumo de nitrogênio de cultivos em batelada. Os resultados mostraram que o modelo ModNXmax apresentou os maiores coeficientes de correlação para predição das culturas. Ainda foram desenvolvidos modelos matemáticos para descrever a formação dos produtos: carotenoides, proteínas e lipídeos. Os modelos CP2 e CP3 apresentaram melhor predição para carotenoides e proteínas, o modelo Luedeking-Piret apresentou R² igual a 0.99 para produção de lipídeos. Na terceira etapa deste trabalho, a partir dos resultados obtidos na modelagem das culturas, foram realizadas simulações de crescimento celular e consumo de nitrogênio para os processos em batelada- vi repetida e contínuo. O volume ótimo para renovação de meio nos cultivos em batelada repetida a cada 48 h e a taxa de diluição no processo contínuo foi 1,4 L e 0,46 d- 1, respectivamente. A produtividade de biomassa em ambas as culturas superou os valores preditos na simulação resultando em 0,56 ± 0,06 g L-1 d-1 para culturas em batelada repetida e 0,66 ± 0,04 g L-1 d-1 para o processo contínuo. Observou-se aumento na produção de proteínas e carotenoides (all-trans-violaxantina, all-trans-α-caroteno e β-caroteno) quando comparados aos cultivos em batelada. Os cultivos contínuos apresentaram aumento na produção de ácidos graxos poli-insaturados e ω3 (ácido linolênico). Assim, os cultivos resultaram em uma relação ω6:ω3 de 1,4, sendo considerada apropriada, uma vez que por recomendação da FAO/WHO estima que o consumo desses ácidos graxos tenha razão inferior a 10. Os cultivos contínuos de microalga P. marina integrados com fermentadores de cerveja para fixação de CO2 biológico apresentaram resultados satisfatórios. O suprimento de CO2 a partir de fermentação de cerveja em ambas as relações entre os volumes de fotobiorreator:fermentador para fixação/produção de CO2 avaliadas foram suficientemente adequadas para manter o crescimento celular, bem como o perfil e quantidade de produtos formados de acordo com os resultados prévios obtidos para o sistema contínuo com CO2 de cilindro.