Abstract:
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.
In this thesis, the production potential of carbohydrates by Aphanothece microscopica
Nägeli cultured in the effluent coming from a dairy industry is demonstrated. Thus this
work consists of four articles that focused on evaluating the production of carbohydrates
as a function of temperature, inoculum concentration and C/N and N/P ratios, and the
possibility of reuse of wastewater. Temperatures used were (10°C, 20°C and 30°C) and
inoculum concentration of (100, 200 and 300 mg.L-1). The best condition indicated is
when a temperature of 30°C and 200 mg.L-1 inoculum was used. In sequence,
considering the temperature and cell concentration selected, the influence of C/N and
N/P ratios in the production of carbohydrates was studied. For this purpose C/N (20, 40
and 60) and N/P (5, 10 and 15) in the production of extracellular carbohydrates were
evaluated in cultures at 30°C, with the inoculum 200 mg.L-1. The best results were
obtained when C/N 60 and N/P 10 were used. Once the best conditions for production
of carbohydrates was defined, the process of separation of biomass from the medium,
from the coagulants FeCl3, Al2(SO4)3 and tanino was studied. The effect of
anticoagulants on the separation of the biomass was studied, for pH and coagulants
concentration, using as a measurement parameter the efficiency of COD removal,
turbidity and suspended solids (SS). The results showed that the coagulant
concentration significantly influences, at a significance level of 5 %, the separation of
biomass, with significant efficiency in the removal of COD, turbidity and SS. The best
condition evaluated used tannin 300 mg.L-1 pH 7.0, resulting in a wastewater with an
average of 96 % removal of turbidity, with the potential to be reused. Finally, the
identification of carbohydrates generated by Aphanothece microscopica Nägeli was
performed. The results showed a biomass with up to 33.5 % carbohydrates, comprising
a carbohydrate fraction of the extracellular mucilaginous capsule in stationary phase of
cell growth of approximately 25 %, 8 % in the cell wall and total carbohydrates of 33.5
%. It was further demonstrated that the carbohydrate composition of the extracellular
micro-organism under study consists of mono-and disaccharides in the range of
concentrations amounting to 12.88 % glucose, 3.54 % raffinose, 3.43 % sucrose, 2.13 %
fructose and 2.45 % ribose. The production potential of carbohydrates by Aphanothece
microscopica Nägeli was demonstrated when cultured in the effluent from the dairy
industry.
O trabalho teve por objetivo avaliar o efeito da temperatura e inóculo na produção de
carboidratos extracelulares em cultivos de Aphanothece microscopica Nägeli no
efluente de laticínios. Os cultivos foram conduzidos heterotroficamente em biorreatores
de coluna de bolhas, pH ajustado a 7,6, em sistema isotérmico, ausência de luz e
aeração contínua de 1 VVM. Realizou-se um planejamento experimental fatorial com
três níveis (32
), com os fatores: temperatura de cultivo (10°C, 20°C, e 30°C) e inóculo
(100 mg.L-1; 200 mg.L-1; 300 mg.L-1). Considerou-se como resposta a produção de
carboidratos extracelulares, bem como avaliação da cinética de crescimento celular. As
variáveis dependentes foram monitoradas a cada 4 h durante as fases de crescimento do
micro-organismo. Foi demonstrado o efeito da temperatura e da concentração do
inóculo na produção de carboidratos. Os melhores resultados, foram obtidos para os
cultivos nos quais foram, utilizadas concentrações de inóculo de 200 mg.L-1
e
temperatura de 20°C. Nestas condições foram registradas velocidades específicas
máximas de crescimento de 0,36 h-1, resultando em produtividades em biomassa de
160,25 mg. L-1.h-1. Os resultados demonstraram que as maiores produções de
carboidratos extracelulares foram registrados na fase estacionária de crescimento celular
nas temperaturas superiores dos cultivos, com produtividades de 0,80 mg L-1. h-1 (200
mg.L-1 20°C), 1,07 mg L-1.h-1 (200 mg.L-1 30°C) e 0,97 mg L-1.h-1 (300 mg.L-1 30°C)
para os experimentos 5, 8 e 9, respectivamente. Em face aos resultados obtidos, ficou
demonstrado o potencial do efluente de laticínios para a produção de biomassa
microalgal e carboidratos extracelulares. A manipulação da temperatura da reação e
inóculo inicial pode ser considerada uma estratégia viável para a produção de
carboidratos extracelulares por Aphanothece microscopica Nägeli.
The work aimed to evaluate the effect of temperature and concentration of inoculum in
the production of extracellular carbohydrates in cultures of Aphanothece microscopica
Nägeli in dairy effluents. The cultures were conducted heterotrophically in bubble
column bioreactors with the pH adjusted to 7.6, in an isothermal system, in the absence
of light and continuous aeration of 1 VVM. A factorial experimental design with three
levels (32
) was conducted with the factors: growth temperature (10°C, 20°C and 30°C)
and inoculum concentration (100 mg.L-1, 200 mg.L-1, 300 mg L-1). The production of
extracellular carbohydrates and evaluation of the kinetics of cell growth were
considered as response. The dependent variables were monitored every 4 hours during
the growth phase of the micro-organism. The effect of temperature and concentration of
the inoculum on the production of carbohydrates was demonstrated. The best results
were obtained from cultures in which inoculum concentrations of 200 mg L-1 and 20°C
were used. Under these conditions, maximum specific growth velocities of 0.36 h-1 were
recorded, resulting in a biomass yield of 160.25 mg L-1.h-1. The results showed that the
greatest production of extracellular carbohydrates were recorded in the stationary phase
of cell growth at temperatures greater than that of the cultures, with yields of 0.80 mg L-
1
.h-1 (200 mg L-1 20 ° C), 1.07 mg L-1.h-1 (200 mg.L-1 30° C) and 0.97 mg.L-1.h-1 (300
mg.L-1 30° C) for experiments 5, 8 and 9, respectively. In view of the results, the
potential of the dairy effluents in producing microalgal biomass and extracellular
carbohydrates was demonstrated. The Manipulation of the reaction temperature and
concentration of inoculum can be considered a viable strategy for the production of
extracellular carbohydrate by the Aphanothece microscopica Nägeli.
Neste trabalho foi investigado a relação C/N e N/P na produção de carboidratos
extracelulares por Aphanothece microscopica Nägeli cultivada no efluente da indústria
de laticínios. Os cultivos foram conduzidos heterotroficamente em biorreatores tipo
coluna de bolhas, pH ajustado a 7,6, reator isotérmico operando na temperatura de 30ºC
e tempo de retenção celular de 24 h com concentração celular de 200 mg. L-1. Os
cultivos foram realizados com o ajuste das razões C/N e N/P do efluente, tomando como
base as relações DQO/N-NTK e N-NTK/P-PO4
-3 previamente determinadas no efluente.
A razão C/N foi ajustada com glicose e a N/P com fosfato dissódico. Foram realizados 9
experimentos, em triplicata, totalizando 27 experimentos seguindo um planejamento
fatorial (32
). As variáveis independentes foram razões C/N (20, 40 e 60) e N/P (5, 10 e
15) sob as variáveis dependentes produção e produtividade de carboidratos
extracelulares. A melhor condição para produção e produtividade de carboidratos
extracelulares, foi registrada quando o efluente foi ajustado a C/N 60 e N/P 10, com
máximos de 24,87 mg. L-1 e produtividades de 0,96 mg L-1.h-1. Foram constatadas
velocidades máximas de crescimento de 0,22 h, tempo de geração 3,10 h-1, não
diferindo ao nível de confiança de 95 % dos experimentos com C/N 20 e N/P 10
(experimento 2). No entanto, a concentração de biomassa apresentou diferença
significativa (p ≤ 0,05), indicando que nas maiores razões de C/N 60 e N/P 10, tem-se
as maiores produções de carboidratos extracelulares porém não as maiores
concentrações de biomassa microalgal.
In this work the C/N and N/P ratios were investigated in the production of extracellular
carbohydrates by Aphanothece microscopica Nägeli cultured in effluent from the dairy
industry. The cultures were conducted heterotrophically in bubble column bioreactors,
adjusted to pH 7.6, in an isothermal reactor operating at 30ºC and hydraulic detention
time of 24 hours with cell concentration of 200 mg. L-1. The cultures were performed
with the adjustment of the C/N and N/P ratios of the effluent, based on the relationships
COD/N-TKN and N-TKN and P-PO4
-3 priory defined in the effluent. The C/N ratio was
adjusted with glucose and N/P with disodium phosphate. 9 experiments were performed
in triplicate, totaling 27 experiments following a (32
) factorial design. The independent
variables were C/N (20, 40 and 60) the N/P ratio (5, 10 and 15) under the dependent
variables production and yield of extracellular carbohydrates. The optimum conditions
for production and productivity of extracellular carbohydrates, was recorded when the
effluent was adjusted to C/N 60 and N/P 10, with maximum of 24.87 mg L-1 and yield
of 0.96 mg L-1.h-1. Maximum growth speeds of 0.22 h were observed, generation time,
3.10 h-1 not differing from the confidence level of 95 % of experiments with C/N 20 and
N/P 10 (experiment 2). However, the biomass concentration was significantly different,
indicating that at higher ratios C/N 60 and N/P 10 have the greatest production of
extracellular carbohydrates but not the highest concentrations of microalgal biomass.
O trabalho teve por objetivo avaliar o efeito dos coagulantes cloreto férrico, sulfato de
alumínio e tanino na separação de biomassa gerada no efluente da indústria de laticínios
e reúso da água residuária. Os cultivos foram conduzidos heterotroficamente usando o
efluente de laticínios como meio de cultura em biorreatores de coluna de bolhas nas
condições de inóculo de 200 mg. L-1, pH ajustado a 7,6, reator isotérmico operando na
temperatura de 30ºC e tempo de detenção hidráulico de 16 h, C/N 60 e N/P 10. A
definição da melhor condição para a separação da biomassa foi obtida, utilizando um
planejamento experimental fatorial com três níveis (32
), com os fatores: concentração do
coagulante (50 mg L-1; 300 mg L-1; 550 mg L-1) e pH (6,0; 7,0; 8,0) realizados para os
três coagulantes. Os ensaios foram realizados em Teste de Jarros, agitação rápida de 110
rpm/30s, lenta de 50 rpm/10s e tempo de sedimentação de 15 min. Foram consideradas
como respostas: demanda química de oxigênio (DQO), nitrogênio total Kjeldahl (NNTK),
fósforo (P-PO4
-3), turbidez, sólidos suspensos (SS), ST (sólidos totais), SF
(sólidos fixos) e SV (sólidos voláteis). No tratamento terciário, visando o reúso do
efluente, foi utilizado um sistema de microfiltração constituído por membrana de
poli(imida), diâmetro externo das fibras entre 0,6 e 1,0 mm e diâmetro médio de poros
na superfície externa entre 0,1 e 0,4 µm. O efluente após tratamento com a cianobactéria
Aphanothece microscopica Nägeli, ação do coagulante e membrana filtrante foi
caracterizado segundo os parâmetros de reúso em sistemas de refrigeração, bem como
comparado à Portaria 518 do Ministério da Saúde/2004 para potabilidade de água. Nas
condições experimentais foi possível concluir que o tipo de coagulante, concentração e
pH do efluente influenciam significativamente, ao nível significância de 5 % de
probabilidade na separação da biomassa de Aphanothece, constatado através dos
parâmetros considerados como respostas. Os resultados indicaram aumento da
eficiência de remoção dos parâmetros respostas, quando utilizou-se tanino, seguido do
FeCl3 e Al2(SO4)3. A melhor condição indicada foi 300 mg. L-1 de tanino em pH 7,0 na
separação da biomassa com eficiência de remoção de DQO, Turbidez e SS de até 91 %,
96 % e 96 %. No que se refere ao reúso da água residuária, os resultados demonstraram
que a associação do tratamento por Aphanothece, coagulantes e microfiltração é eficaz
quando se visa o reúso do efluente de laticínios e se adéqua as características de
potabilidade da água.
The study aimed to evaluate the effect of ferric chloride, aluminum sulphate and tannin
coagulants in the separation of the biomass generated in the effluent from the dairy
industry and reuse of wastewater. The cultures were conducted heterotrophically using
dairy effluents as culture medium in bubble column bioreactors under the following
conditions, inoculum concentration of 200 mg L-1, pH adjusted to 7.6, isothermal
reactor operating at a temperature of 30°C and a hydraulic retention time of 16 hours,
C/N 60 and N/P 10. The definition of the optimum conditions for the separation of
biomass was obtained using a factorial experimental design with three levels (32
), with
factors: coagulant concentration (50 mg L-1, 300 mg L-1, 550 mg L-1) and pH (6.0, 7.0,
8.0) performed for the three coagulants. Assays were performed in test jars, rapid
stirring of 110rpm/30s, and slow stirring at 50 rpm/10s and a settling time of 15
minutes. Chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TKN-N), phosphorus (PPO4
-3), turbidity, suspended solids (SS), TS (total solids), FS (fixed solids) and VS
(volatile solids) were considered as responses. In the tertiary treatment, in order to reuse
the waste water, a microfiltration system comprising a membrane of poly (imide) was
used, with an external diameter of the fibers between 0.6 and 1.0 mm and average pore
diameter on the outer surface of 0.1 and 0.4 µm. The effluent after treatment with the
Aphanothece microscopica Nägeli, coagulant action and filter membrane was
characterized according to the reuse parameters in refrigeration systems, as well as in
comparison to ordinance 518 of the Ministry of Health/2004 for potable water. Under
the experimental conditions it’s possible to conclude that the coagulant type,
concentration and the pH significantly affect the effluent at the level of significance of
5% for the separation of the biomass of Aphanothece, determined by the parameters
considered as responses. The results showed increased removal efficiency parameter
responses when tanino was used, followed by FeCl3 and Al2(SO4)3. The best condition
indicated was 300 mg L-1 of tannin at pH 7.0 in the separation of biomass with COD
removal efficiency, turbidity and SS of up to 91 %, 96 % and 96 %. Regarding the reuse
of wastewater, the results showed that the association of treatment by Aphanothece,
coagulants and microfiltration is effective when one aims to reuse the dairy effluents
and fits the characteristics of the drinking water.
O objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de carboidratos por Aphanothece
microscopica Nägeli quando cultivada no efluente da indústria de laticínios, bem como
estimar o potencial de produção de carboidratos. Os cultivos foram conduzidos
heterotroficamente usando o efluente de laticínios como meio de cultivo em biorreatores
de coluna de bolhas nas condições de concentração celular inicial de 200 mg. L-1, pH
ajustado a 7,6, reator isotérmico operando na temperatura de 30ºC e tempo de retenção
celular de 16 h, razão C/N 60 e N/P 10. Ao final dos cultivos a biomassa foi separada
usando como coagulante o tanino na concentração de 300 mg. L-1 a pH 7,0. Os resultados
indicaram que as maiores produções de carboidratos são registradas para a fase
estacionária expressos pelas concentrações de 33,5 %, 24,8 % e 8,8 % para carboidrato
total, capsular e parece celular, respectivamente. Os carboidratos se caracterizaram por
apresentar glicose, sacarose, rafinose, ribose e frutose, tendo como açúcar majoritário a
glicose. Os resultados demonstraram ainda, que nas condições experimentais importantes
concentrações de carboidratos foram produzidas por Aphanothece microscopica Nägeli
cultivada no efluente da indústria de laticínios. Podendo ser estimada uma produção anual
de 460 t/ano, dos quais 73 % correspondem os carboidratos extracelulares (capsular) e 27
% aos da parede celular.
The objective of this study was to evaluate the production of carbohydrates by
Aphanothece microscopica Nägeli when cultured in the effluent of the dairy industry, as
well as to estimate the potential production of carbohydrates. The cultures were
conducted heterotrophically using dairy effluents as culture medium in a bubble column
bioreactor under the following conditions, initial cell concentration of 200 mg L-1, pH
adjusted to 7.6, isothermal reactor operating at a temperature of 30°C and hydraulic
retention time of 16 hours, the C/N ratio of 60 and N/P of 10. At the end of the culturing
biomass was separated by using tannin as a coagulant in a concentration of 300 mg L-1 at
pH 7.0. The results indicated that the highest yields of carbohydrates are registered for
the stationary phase expressed by the concentration of 35.5 %, 24.8 % and 8.8 % for total
carbohydrate, capsular and cell wall, respectively. The carbohydrate was characterized by
glucose, sucrose, raffinose, ribose and fructose, with glucose as the main sugar. The
results also showed that under the experimental conditions important concentrations of
carbohydrates were produced by Aphanothece microscopica Nägeli cultured in the
effluent from the dairy industry. An annual production of 460 t/year can be estimated, of
which 73 % correspond to extracellular carbohydrates (capsular) and 27 % of the cell
wall.
