title: Βελτιστοποίηση της ανάπτυξης, διαχωρισμού και ξήρανσης καλλιεργειών μικροφυκών του στελέχους Stichococcus sp
title: Optimization of growth separation and drying processes of microalgae cultures of Stichococcus sp. strain
Creators: name: Τσαντοπουλου Ελευθερια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία συγκρίνει τις διάφορες συνθήκες ανάπτυξης, διαχωρισμού και ξήρανσης του στελέχους μικροφυκών Stichococcus sp. με σκοπό την εύρεση των βέλτιστων μεθόδων ώστε να μεγιστοποιηθεί η παραγωγή ξηρής βιομάζας και βιο-προϊόντων (πρωτεΐνες, λιπίδια, υδατάνθρακες, ολική χλωροφύλλη και β-καροτένιο). Εξετάζεται επιπλέον η ενεργειακή αποδοτικότητα των μεθόδων διαχωρισμού και αφυδάτωσης βιομάζας.
Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάστηκαν δύο στελέχη Stichococcus sp., το άγριο και ένα μεταλλαγμένο στέλεχος με χαμηλότερη χλωροφύλλη και υψηλότερη βιομάζα. Τα μικροφύκη καλλιεργήθηκαν σε μικρή κλίμακα (ποτήρια ζέσεως) και σε φωτο-βιοαντιδραστήρα (μόνο άγριο στέλεχος) και στις δύο περιπτώσεις με χρήση γυαλιού αμμοβολής στον πυθμένα για την προσκόλληση των κυττάρων πάνω σε αυτό. Κατά την ανάπτυξη των μικροφυκών στα ποτήρια ζέσεων, έγιναν δοκιμές ως προς τον τύπο φωτισμού (σταθερός/με αναλαμπές), τη συγκέντρωση NaNO3 (0,25/0,75 g L-1) και την πενία αζώτου (3 ημέρες). Απεδείχθη ότι η παραγωγή ξηρής βιομάζας και ολικών βιο-προϊόντων βελτιστοποιείται, όταν οι συνθήκες ανάπτυξης είναι: σταθερός φωτισμός και 0,75 g L-1 NaNO3. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο τύπος φωτισμού και η πενία αζώτου δεν έχουν καθοριστικό ρόλο στα τελικά αποτελέσματα. Η ανάπτυξη στο φωτο-βιοαντιδραστήρα έγινε σε συνθήκες φωτισμού με αναλαμπές και 0,75 g L-1 NaNO3. Η συγκέντρωση ξηρής βιομάζας από το φωτο-βιοαντιδραστήρα είναι 49,17 g L-1 και των ολικών βιο-προϊόντων είναι 41,70 g L-1.
Στη συνέχεια, για τη βελτιστοποίηση διαχωρισμού βιομάζας έγινε σύγκριση μεταξύ των διεργασιών φυγοκέντρισης, διήθησης, κροκίδωσης, σε σχέση με την απομάκρυνση βιομάζας από σύστημα καλλιέργειας ακινητοποιημένων κυττάρων. Η απόξεση βιομάζας αν και σημειώνει χαμηλή ανάκτηση (0,22 g/150 mL), φαίνεται να είναι η πιο ενεργειακά αποδοτική, απαιτώντας τη χαμηλότερη κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος (0,7 kWh kg-1) και το υπερκείμενο υγρό καλλιέργειας θα μπορούσε να επαναχρησιμοποιηθεί ως προκαλλιέργεια σε επόμενους κύκλους καλλιέργειας.
Για να βρεθεί η βέλτιστη μέθοδος ξήρανσης της βιομάζας, δοκιμάστηκαν τρεις τρόποι, συναγωγή, ηλιακή ξήρανση και λυοφιλίωση. Ο πιο γρήγορος τρόπος αποδείχθηκε η συναγωγή (5 h) όμως αποδείχθηκε και ο τρόπος με τη μεγαλύτερη ενεργειακή απαίτηση (58,5 kWh kg-1). Από την άλλη, για την ηλιακή ξήρανση απαιτούνται 6,5 h και μηδενική ενέργεια. Η λυοφιλίωση είναι μια μέθοδος που ολοκληρώνεται σε 8 h και έχει ενεργειακή απαίτηση 49,7 kWh kg-1. Καμία μέθοδος δεν μπορεί να χαρακτηριστεί βέλτιστη με μόνο αυτά τα αποτελέσματα, καθώς η συναγωγή είναι ασύμφορη ενεργειακά, η ηλιακή ξήρανση είναι μια μέθοδος που δεν είναι βάσιμη καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους και η λυοφιλίωση είναι χρονοβόρα. Έτσι, λαμβάνονται υπόψη οι τελικές συγκεντρώσεις του κάθε βιο-προϊόντος χωριστά που προκύπτουν από κάθε μια από τις μεθόδους ξήρανσης. Παρατηρείται ότι η μέγιστη παραγωγή λιπιδίων (0,26 g g-1 ξηρής βιομάζας), ολικής χλωροφύλλης (6,99 mg g-1 ξηρής βιομάζας) και β-καροτένιου (1,44 mg g-1 ξηρής βιομάζας) προέρχεται από τη μέθοδο της λυοφιλίωσης. Έπειτα, η βέλτιστη συγκέντρωση των υδατανθράκων προέρχεται από ξήρανση σε κλίβανο (0,45 g g-1 ξηρής βιομάζας) ενώ φαίνεται ότι η παραγωγή των πρωτεϊνών δεν επηρεάζεται από το τρόπο ξήρανσης. 
description: This thesis compares the different growth, separation and drying conditions of the microalgae strain Stichococcus sp. in order to find the best methods to maximize the production of dry biomass and bio-products (proteins, lipids, carbohydrates, total chlorophyll, β-carotene). In addition, it examines whether the methods are energetically beneficial.
Two types of the Stichococcus sp. strain, the wild type and the mutant strain, were tested. Microalgae were grown in beakers and in a bioreactor (wild strain only) in both cases using a sandblasted glass bottom. During the growth of the microalgae in the beakers, tests were performed regarding the type of lighting (steady, flashing), NaNO3 concentration (0.75 g L-1, 0.25 g L-1) and nitrogen deficiency (3 days). It was shown that the production of dry biomass and total bio-products is optimized when the growth conditions are: constant lighting and 0.75 g L-1 NaNO3. It is worth noting that the type of lighting and lack of nitrogen do not have a decisive role in the final results. Growth in the bio-reactor was done under flash lighting conditions and 0.75 g L-1 NaNO3. The dry biomass concentration from the bio-reactor is 49.17 g L-1 and the total bio-products is 41.70 g L-1.
Then, to optimize biomass separation, a comparison was made between centrifugation, filtration, flocculation with biomass removal from an immobilized cell culture system. Biomass scraping, although with a low recovery (0.22 g/150 ml), appears to be the most energy efficient, requiring the lowest electricity consumption (0.7 kWh kg-1), and the culture supernatant could be reused as a pre-culture in subsequent cycles cultivation.
To find the optimal biomass drying method, three ways, convection, solar drying and freeze-drying, were tested. Convection proved to be the fastest way (5 h) but it was also the way with the highest energy requirement (58.5 kWh kg-1). On the other hand, solar drying requires 6.5 h and zero energy. Freeze-drying is a method that is completed in 8 h and has an energy requirement of 49.7 kWh kg-1. Neither method can be called optimal with these results alone, as convection is energy inefficient, solar drying is a method you cannot rely on year-round, and freeze-drying is time-consuming.
Thus, the final concentrations of each bio-product separately resulting from each of the drying methods are taken into account. It is observed that the maximum production of lipids (0.26 g g-1  dry biomass), total chlorophyll (6.99 mg g-1 dry biomass) and β-carotene (1.44 mg g-1 dry biomass) comes from the freeze-drying method. Then, the optimal concentration of carbohydrates comes from convection (0.45 g g-1 dry biomass) while it seems that the production of proteins is not affected by the drying method.