Optimal light wavelength and intensity for algae cultivation in photobioreactors

Nogueira, Gustavo Filipe Magalhães

Publication

Optimal light wavelength and intensity for algae cultivation in photobioreactors

2024-10-31Master thesis

datacite.subject.fos	Ciências Naturais
dc.contributor.advisor	Schulze, Peter Simon Claus
dc.contributor.advisor	Varela, João Carlos Serafim
dc.contributor.author	Nogueira, Gustavo Filipe Magalhães
dc.date.accessioned	2025-06-02T09:33:29Z
dc.date.available	2025-06-02T09:33:29Z
dc.date.issued	2024-10-31
dc.description.abstract	In the present study, the growth response of Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis oceanica, and Porphyra dioica cultures with different biomass concentrations to 22 combinations of red (620 nm), green (530 nm), and blue (450 nm) light at 3 different light intensities (200, 500, and 1000 μmol m-2 s-1) was investigated. Photosynthetic oxygen evolution rates as response variable were used to create predictive models with the optimal light conditions to improve growth at different algal growth stages. While P. dioica did not result in positive oxygen evolution rates and thus no model could be established, for P. tricornutum and N. oceanica, predictive models showed statistical significance and were used to develop light regimes, matching the needs of algae cultures at different growth stages (lag, exponential, and late exponential phase). The generated models predicted the least absorbed wavelength (620 nm) as optimal for both algae, suggesting that it penetrated the algal culture deeper and stimulated photosynthesis of more cells than more absorbed wavelengths (e.g., 450 nm) that do not penetrate deeper into the culture. An additional experiment was conducted to validate the obtained light regimes. For this purpose, a novel light system (AlgaeLum) was developed, 3D printed and assembled for testing different light quantities and qualities. Experiments showed no significant differences in growth rate and maximum biomass concentrations compared to the control warm white light for both algae. Less absorbed wavelengths showed to improve photosynthetic efficiency in both microalgal species, especially in highly dense cultures and low light paths, over highly absorbed wavelengths (450 nm). Based on this result, the use of red light (620 nm) LEDs is recommended for N. oceanica and P. tricornutum as it offers an optimal balance between cost-effectiveness in terms of both CAPEX and OPEX) and photosynthetic efficiency. The developed AlgaeLum system can be used in the future to conduct other trials (e.g., continuous cultivation systems), which was not tested in the present study to validate the present results.	eng
dc.description.abstract	O produto final derivado do cultivo das microalgas é utilizado na alimentação humana, ração animal, cosméticos, produção de biocombustíveis, tratamento de águas residuais, biotecnologia e farmacêutica, além de também ser utilizado na agricultura como biofertilizantes e bioestimulantes. Isto resulta do facto da biomassa de microalgas ser rica em componentes de valor acrescentado, como proteínas, ácidos gordos polinsaturados, vitaminas, polissacáridos, e pigmentos com capacidades antioxidantes e anti-inflamatórias. O cultivo de microalgas dá-se em sistemas abertos, como em tanques aberto ao ar livre, ou em sistemas fechados, denominados “fotobiorreatores”. O cultivo em fotobiorreatores tem certas vantagens como o controlo total dos parâmetros necessários ao cultivo das microalgas como a manutenção de condições adequadas de nutrientes, como azoto, fósforo, e carbono, temperatura, pH, arejamento, agitação do meio, um ambiente biótico estável e condições de luz favoráveis. A luz desempenha um papel essencial, pois é a principal fonte de energia para a fotossíntese, sendo muitas vezes o parâmetro limitante na otimização do cultivo de microalgas já que é progressivamente absorvida pelas células, resultando numa redução da sua disponibilidade nas camadas mais profundas do meio, e favorecendo a respiração celular em detrimento da fotossíntese, por sua vez reduzindo o crescimento das mesmas. Embora a luz solar seja o recurso mais eficiente em termos energéticos para a produção de microalgas, a luz artificial, através de díodos emissores de luz (LEDs), permite um maior controlo das suas condições, como o controlo da intensidade luminosa (quantidade), e dos respetivos comprimentos de onda(qualidade). Neste estudo, foram cultivadas duas espécies de microalgas, Nannochloropsis oceanica e Phaeodactylum tricornutum, como também uma espécie de macroalgas, Porphyra dioica, na sua fase microscópica (conchocelis) do seu ciclo de vida. Estas algas foram investigadas no que diz respeito à sua eficiência fotossintética em relação à intensidade de luz através de uma curva de fotossíntese-irradiância com o objetivo de determinar as condições de intensidade luminosa para experiências posteriores, na qual P. dioica não teve resultados conclusivos e sendo, portanto, excluída. Com os resultados obtidos, foram escolhidos três níveis de intensidade luminosa, 200, 500 e 1000 μmol m-2 s-1, na experiência seguinte. Esta consistiu em testar vinte e duas combinações de três comprimentos de onda com diferentes níveis de absorção pelas microalgas, 450 (azul), 530 (verde) e 620 (vermelho) nm, e investigar o seu efeito em três concentrações de cultivo (0.2, 2.0 e 5.0 g L-1) no oxigénio fotossintético dissolvido produzido pelas microalgas. Dos resultados adquiridos desta experiência, foram criados modelos preditivos estatisticamente significativos, para as duas espécies de microalgas, para cada concentração e intensidade de luz, prevendo a combinação das três qualidades de luz com a melhor eficiência fotossintética. Através dos modelos criados, foram criados regimes de luz consistindo no uso de condições de luz ótimas face a cada fase de crescimento - fase de adaptação (0.2 g L-1), fase exponencial (2.0 g L-1) e fase exponencial tardia (5.0 g L-1). Em ambos os regimes de luzes foram utilizados 500 μmol m-2 s-1. Para P. tricornutum, o regime de luz consistiu em usar luz branca quente (controlo) entre 0.2 a 2.0 g L-1 e 100% luz vermelha a partir de 2.0 g L-1-, ao passo que para a N. oceanica, o regime de luz consistiu em 100% luz vermelha entre 0.2 a 5.0 g L-1 e 70% luz vermelha com 30% luz verde após 5.0 g L-1. Para a validação dos regimes de luz, foi conceptualizado um sistema de luzes, AlgaeLum, adaptado a cultivo de microalgas em frascos Schott de 1L que permite a realização de testes com diferentes qualidades e quantidades de luzes. Quatro replicas deste sistema foram impressas numa impressora 3D de fabricação por filamento fundido (FFF) e posteriormente montadas com os respetivos componentes que as completam. Na experiência de validação foram usados duplicados para os regimes de luz e duplicados com luz branca quente como controlo para ambas as algas. Esta experiência teve a duração de 14 dias e ambas microalgas passaram por todas as fases de crescimento. No final, foram feitas análises estatísticas para aferir diferenças entre os regimes de luz e controlo relativamente a crescimento (g L-1 d-1) e biomassa total (g L-1), e foram realizadas análises bioquímicas para determinar diferenças de concentrações de pigmentos. Com apenas 4 replicados não houve diferenças estatísticas em ambas as microalgas em nenhuma das análises acima referidas. Por fim, podemos concluir que comprimentos de onda menos absorvidos pelas microalgas (620 nm) resultaram numa maior eficiência fotossintética, principalmente em concentrações elevadas de cultura e curta distância de luz, apesar de esta não ter sido traduzida em um aumento significativo de biomassa total e crescimento destas duas microalgas. Testes com mais replicados são fundamentais para experiências futuras para averiguar se de facto comprimentos menos absorvidos oferecem vantagens no cultivo de microalgas, principalmente em altas concentrações ou em sistemas de cultivo com elevado percurso de luz. A utilização de específicos comprimentos de onda no cultivo de microalgas é um próximo passo na redução do consumo de energia tornando este setor mais sustentável.	por
dc.identifier.tid	203875770
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/10400.1/27195
dc.language.iso	eng
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subject	Microalgae
dc.subject	Photobioreactor
dc.subject	Light wavelengths
dc.subject	Light intensity
dc.subject	Photosynthesis
dc.title	Optimal light wavelength and intensity for algae cultivation in photobioreactors	eng
dc.type	master thesis
dspace.entity.type	Publication
thesis.degree.grantor	Universidade do Algarve. Faculdade de Ciências e Tecnologia
thesis.degree.level	Mestre
thesis.degree.name	Mestrado em Aquacultura