Biodiesel production from heterotrophic m 2019-03-29¢  Biodiesel production from heterotrophic microalgae

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  • Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Química

    Technische Universiteit Delft Faculty of Applied Sciences

    Renato Sano COELHO

    Biodiesel production from

    heterotrophic microalgae

    Produção de biodiesel a partir de

    microalgas heterotróficas

    Tese

    Campinas, 2017

  • Renato Sano Coelho

    Biodiesel production from heterotrophic microalgae

    Produção de biodiesel a partir de microalgas heterotróficas

    Tese apresentada à Faculdade de Engenharia Química,

    da Universidade Estadual de Campinas como parte dos

    requisitos exigidos para a obtenção do Título de Doutor

    em Engenharia Quimica, no âmbito do acordo de co-

    tutela firmado entre a Unicamp e Delft University of

    Technology

    Thesis presented to the School of Chemical Engineering

    of the University of Campinas in partial fullfilment of the

    requirements for the degree of Doctor in Chemical

    Engineering

    Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan

    de Technische Universiteit Delft, op gezag van de

    Rector Magnificus prof. ir. K.C.A.M Luyben, voorzitter

    van het College voor Promoties in het openbaar te

    verdedigen op vrijdag 12 mei 2017 om 10:00 uur door

    Renato Sano Coelho,Mestre em Engenharia de

    Alimentos - Universidade Estadual de Campinas,

    Brazilië, geboren te São Paulo, Brazilië

    Orientador: Prof. Dr. Telma Teixeira Franco

    Co-orientador: Prof. Dr. Luuk van der Wielen

    This is a PhD thesis in the dual degree program as agreed between UNICAMP and TU Delft.

    Esta é uma tese de doutorado no programa de co-tutela conforme acordado entre UNICAMP e TU Delft

    ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO RENATO SANO COELHO E

    ORIENTADA PELA PROFA. TELMA TEIXEIRA FRANCO E PROF. LUUK VAN DER WIELEN.

    ISBN: 978-94-6186-810-7

    Campinas, 2017

  • Acknowledgements / Agradecimentos I would like to thank all of the people who made it possible for me to keep on the tracks during this long

    and challenging journey.

    Having completed my Master’s degree in the University of Campinas, I was divided between pursuing a

    PhD and looking for a job in the industry. Having worked previously in a company for a few years, it seemed more

    likely and safer to return to the private sector. However, in the final months of my masters, a friend of mine

    introduced me to Professor Telma Franco, who was working in exciting projects for production of biofuels from

    microorganisms. That was the start of an intense and complex journey.

    Professor Telma Franco, it was always a pleasure working with you. Your vision and assertiveness always

    inspired me to look beyond my project and understand the implications of our work. I want to thank you for the

    opportunity of working in this great project and also for giving me your vote of confidence, allowing me not only to

    direct my research project as well as help other students.

    Luuk, thank you for the great opportunity of joining the BPE group at TU-Delft. It was a most amazing

    experience, which I will carry with me forever. Also, you provided me full support during that period, always taking

    your time (no matter how scarce) to help me when I needed.

    I could not forget to mention my gratitude to Maria. If it wasn’t for you, this thesis would not be nearly as

    good as it is. Thank you for the huge patience in dealing with my struggles and for pushing me back to the right

    direction every time I was off tracks.

    Thanks to the Cenpes-Petrobras for the financial support, and especially to Leonardo Bacellar, Rafael

    Richard and Bruno Lacava. Our meetings at Unicamp were always intensively productive, in contrast with the

    lunches afterwards, which were light and fun.

    Thanks to all my colleagues at the Lebbpor-Unicamp: Lucymara, Annamaria, Monica, Liliana, Talita, Maricy.

    We had a lot of fun at the lab as well as some really stressful moments, but in the end it was all a great learning

    experience.

    Thank you to all the students who were under my supervision: the undergraduates Leonardo, Lucas, Diego,

    Mateus and Carol. I was proud of and amazed by the skills and intelligence of each one of you. A special thanks to

    my good friends and Master students Juliana and Andrea: working with you was one of the most rewarding and

    enriching experiences I had during my PhD.

    A big thank you to my all colleagues at the BPE: Joana, Carlos, Susana, Silvia, Marcelo, Diogo, Shima, David,

    Arjan, Rita, Deborah, Alex, Victor, Meíssa, Floor, Monica. The coffee breaks, lunches, beers, silly conversations,

    series watching, and other moments were some of the best parts of my dutch life.

    My life in Delft wouldn’t be so nice if I hadn’t also met the Delftse Braziliaans Wesley, Luana, Larissa, Paulo,

    Simone, Fernanda, Tiago, and many others. And of course the almost-brazilian french Kelly. You guys made me feel

    at home and made the homesickness much more tolerable.

    I must thank my parents, who always supported my decisions, even when the distance gave them a heavy

    heart.

    And to my longtime partner Celina, unconditionally loving and supportive. I can’t express how lucky I am for having

    you.

  • 4

    Resumo

    Esta tese descreve os resultados da pesquisa de doutorado executada na Universidade de Campinas e na

    Universidade Técnica de Delft, como parte do program de Doutorado de Dupla Titulação entre as duas

    universidades. O projeto de pesquisa foi desenvolvido em parceria com a Petrobras S. A., que proveu a maior parte

    do suporte financeiro assim como suporte técnico, com o objetivo de avaliar o potencial de microalgas

    heterotróficas para a produção de biocombustíveis.

    Microalgas têm gerado muito interesse devido a seu inquestionável potencial para produção de biomassa e

    lipídeos através de fotossíntese. Nas últimas duas décadas, a busca por novas fontes de bio-energia causou um

    salto na pesquisa científica sobre cultivo de microalgas, o que impulsionou rapidamente o estado da arte. Apesar

    disso, a produção em larga escala ainda enfrenta obstáculos significativos, que encarecem os custos de produção

    and impedem que as microalgas se tornem uma fonte viável de bioenergia. A maior limitação das microalgas

    autotróficas é a necessidade da luz para o crescimento e o inevitável efeito de auto-sombreamento que ocorre com

    o aumento populacional. Quando a cultura se torna mais densamente povoada, a luz não consegue atingir camadas

    mais profundas, consequentemente desacelerando o crescimento. Isto limita a biomassa a baixas concentraçoes e,

    consequentemente, aumenta os volumes de cultivo e a demanda de grande quantidade de energy para separação

    da água.

    Apesar de extensa bibliografia sobre microalgas ter sido produzida nas últimas duas décadas, apenas uma

    pequena fração dos estudos se focaram no potencial heterotrófico desses versáteis microorganismos. Microalgas

    heterotróficas utilizam carbono orgânico como fonte energética e estrutural, ao invés de absorver carbono da

    atmosfera. Nesta condição, as microalgas podem crescer sem limitações pela luz e alcançar altas concentrações de

    biomassa e lipídeos. Porém, o cultivo heterotrófico e autotrófico não são comparáveis, já que o primeiro necessita

    de uma fonte de carbono orgânica e o segundo absorve carbono atmosférico. A tecnologia e os custos associados a

    cada um dos processos diferem fortemente.

    O desenvolvimento do cultivo heterotrófico inicia com a seleção de cepas adequadas para a produção de

    biocombustíveis e outros produtos de interesse. Este ainda é um campo de pesquisa pouco explorado, já que o

    cultivo heterotrófico representa apenas uma pequena fração de toda a literatura sobre algas. No capítulo 2, cepas

    de microalgas foram avaliadas em relação a sua capacidade de crescimento heterotrófico e produção de lipídeos.

    Após a análise do crescimento e composição celular, potenciais aplicações comerciais foram sugeridas para cada

    espécie estudada, já que diferentes composições de biomassa e lipídeos podem ser adequadas a diferentes

    produtos, como combustíveis, alimentos e produtos químicos. Chlorella vulgaris CPCC 90 foi identificada como uma

    opção adequada para a produção de biodiesel devido ao seu alto conteúdo lipídico e alta produtividade. Uma cepa

    produtora de ácidos graxas omega-3 poliinsaturados foi identificada e um breve estudo de otimização foi conduzido

    para aumentar a produção do ácido graxo de alto valor agregado.

    Após a seleção da cepa mais adequada para a produção de bio-combustíveis, o próximo passo foi o

    desenvolvimento de um cultivo altamente produtivo. A maior vantagem do cultivo heterotrófico é a possibilidade de

    alcançar altas concentrações de biomassa e conteúdo lipídico e, consequentemente, maiores produtividades

    volumétricas. Porém, o acúmulo de lipídeos ocorre quando células de microalgas são expostas a certas condições

    limitantes, que afet