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Université de Montréal Isolation and Identification of Native Microalgae for Bi

Université de Montréal Isolation and Identification of Native Microalgae for Biodiesel Production Par Ahmed Elsayed Mohamed Abdelaziz Département de Microbiologie, Infectiologie et Immunologie Faculté de Médecine Mémoire présenté à la Faculté de médecine en vue de l’obtention du grade de maîtrise en microbiologie, infectiologie et immunologie Janvier, 2014 © Ahmed Abdelaziz, 2014 ii Université de Montréal Faculté des Études Supérieures Ce mémoire intitulé: Isolation and Identification of Native Microalgae for Biodiesel Production Présenté par: Ahmed Elsayed Mohamed Abdelaziz a été évalué par un jury composé des personnes suivantes Dr. Catherine Paradis-Bleau, Ph.D. Président-rapporteur Dr. Patrick C. Hallenbeck, Ph.D. Directeur de recherche Dr. Marc Drolet, Ph.D. Membre du jury iii Résumé La demande croissante en carburants, ainsi que les changements climatiques dus au réchauffement planétaire poussent le monde entier à chercher des sources d’énergie capables de produire des combustibles alternatifs aux combustibles fossiles. Durant les dernières années, plusieurs sources potentielles ont été identifiées, les premières à être considérées sont les plantes oléagineuses comme source de biocarburant, cependant l’utilisation de végétaux ou d’huiles végétales ayant un lien avec l’alimentation humaine peut engendrer une hausse des prix des denrées alimentaires, sans oublier les questions éthiques qui s’imposent. De plus, l'usage des huiles non comestibles comme sources de biocarburants, comme l’huile de jatropha, de graines de tabac ou de jojoba, révèle un problème de manque de terre arable ce qui oblige à réduire les terres cultivables de l'industrie agricole et alimentaire au profit des cultures non comestibles. Dans ce contexte, l'utilisation de microorganismes aquatiques, tels que les microalgues comme substrats pour la production de biocarburant semble être une meilleure solution. Les microalgues sont faciles à cultiver et peuvent croitre avec peu ou pas d'entretien. Elles peuvent ainsi se développer dans des eaux douces, saumâtres ou salées de même que dans les terres non cultivables. Le rendement en lipide peut être largement supérieur aux autres sources de biocarburant potentiel, sans oublier qu’elles ne sont pas comestibles et sans aucun impact sur l'industrie alimentaire. De plus, la culture intensive de microalgues pour la production de biodiesel pourrait également jouer un rôle important dans l'atténuation des émissions de CO2. Dans le cache de ce travail, nous avons isolé et identifié morphologiquement des espèces de microalgues natives du Québec, pour ensuite examiner et mesurer leur potentiel de production de lipides (biodiesel). L’échantillonnage fut réalisé dans trois régions différentes du Québec: la région de Montréal, la gaspésie et le nord du Québec, et dans des eaux douces, saumâtres ou salées. Cent souches ont été isolées à partir de la région de Montréal, caractérisées et sélectionnées selon la teneur en lipides et leur élimination des nutriments dans iv les eaux usées à des températures différentes (10 ± 2°C et 22 ± 2°C). Les espèces ayant une production potentiellement élevée en lipides ont été sélectionnées. L’utilisation des eaux usées, comme milieu de culture, diminue le coût de production du biocarburant et sert en même temps d'outil pour le traitement des eaux usées. Nous avons comparé la biomasse et le rendement en lipides des souches cultivées dans une eau usée par apport à ceux dans un milieu synthétique, pour finalement identifié un certain nombre d'isolats ayant montré une bonne croissance à 10°C, voir une teneur élevée en lipides (allant de 20% à 45% du poids sec) ou une grande capacité d'élimination de nutriment (>97% d'élimination). De plus, nous avons caractérisé l'une des souches intéressantes ayant montré une production en lipides et une biomasse élevée, soit la microalgue Chlorella sp. PCH90. Isolée au Québec, sa phylogénie moléculaire a été établie et les études sur la production de lipides en fonction de la concentration initiale de nitrate, phosphate et chlorure de sodium ont été réalisées en utilisant de la méthodologie des surfaces de réponse. Dans les conditions appropriées, cette microalgue pourrait produire jusqu'à 36% de lipides et croitre à la fois dans un milieu synthétique et un milieu issu d'un flux secondaire de traitement des eaux usées, et cela à 22°C ou 10°C. Ainsi, on peut conclure que cette souche est prometteuse pour poursuivre le développement en tant que productrice potentielle de biocarburants dans des conditions climatiques locales. Mots-clés : Les biocarburants; la durabilité; les algues; les eaux usées; le traitement des eaux usées; biodiesel; nutriments; la récolte; extraction de pétrole; espèce indigène; phylogénie; La méthodologie des surfaces de réponse. v Abstract The continuing increase in fuel demands, the dramatic situation in climate changes and the global warming are bringing the worldwide attention to the identification of alternative energy source for the production of combustibles that can replace fossil fuel. In last years, a lot of potential sources have been identified: the first potential biofuel feedstock that have been evaluated were oleaginous plants, but the utilization of vegetable, or vegetable oils, that may also be used for human feeding, could lead to the increase of food-grade oils costs and also generate ethic questions. Nevertheless, also using as biofuel sources not-edible oils, like oils from jatropha, tobacco seed or jojoba, the common problem for both edible and not-edible crops is the need to subtract arable land from agriculture and food industry. In this context, the utilization of aquatic microorganisms like microalgae as substrate for the production of biofuel seems to be the better solution. Microalgae are easy to cultivate and can grow with little or no attention, they can grow in fresh, brackish or salt water and in non- arable lands, moreover they are not edible with no consequences on food industry, and the oil productivity, with respect to the other potential biofuel sources, can be much higher. In addition, the intensive cultivation of microalgae for biodiesel production could also play an important role in CO2 mitigation. In this study, we isolated and morphologically identified Québec native micro algal species, surveyed and screened their potential for lipid (biodiesel) production. The sampling efforts made in three different regions of Québec: Montreal area, Gaspesie and Northern of Quebec; on fresh, brackish or saline water. One hundred strains were isolated from the Montreal area, characterized and screened for their lipid content and wastewater nutrient removal under different temperatures (10±2 ºC and 22±2 ºC). The high potential lipid producing algal species were selected. The use of wastewater as a substrate media decreases the economic cost realted to the biofuel production from microalgae as well as an interesting tool for wastewater treatment. We compared the biomass and lipid productivity of these strains vi on wastewater to a synthetic medium and identified a number of isolates that showed good growth at 10 ºC, gave a high lipid content (ranging from 20% to 45% of dry weight) or a high capacity for nutrient removal (>97% removal). Furthermore, we characterized one of the interesting strains that revealed high lipid and biomass productivity, the novel microalga Chlorella sp. PCH90. Its molecular phylogeny was established and lipid production studies as a function of the initial concentrations of nitrate, phosphate, and sodium chloride were carried out using Response Surface Methodology. Under the appropriate conditions this microalga could produce up to 36% lipid and grew well in both synthetic medium and secondary effluent from a wastewater treatment plant at both 22°C and 10°C. Thus, this strain is promising for further development as a potential biofuels producer under local climatic conditions. Keywords: Biofuels; sustainability; algae; wastewater; wastewater treatment; biodiesel; nutrients; harvesting; oil extraction; indigenous specie; Phylogeny; Response Surface Methodology. vii Table of Contents Résumé ...................................................................................................................................... iii Abstract ...................................................................................................................................... v Table of Contents .................................................................................................................... vii List of Tables ............................................................................................................................. x List of Figures ........................................................................................................................... xi Abbreviations .......................................................................................................................... xii Acknowledgment ..................................................................................................................... xv Footnotes ................................................................................................................................. xvi Chapter 1: Addressing the challenges for sustainable production of algal biofuels: I. Algal strains and nutrient supply......................................................................................... 1 Abstract ................................................................................................................................... 3 1.0 Introduction ....................................................................................................................... 4 2.0 Algae ................................................................................................................................. 5 3.0 Nutrient requirements ....................................................................................................... 9 3.1 Challenges in supplying carbon .................................................................................. 11 3.2 Challenges in supplying nitrogen ................................................................................ 12 3.3 Phosphorus challenges ................................................................................................ 14 3.4 Other Nutrient challenges: .......................................................................................... 15 3.5 Nutrient supply and sustainability .............................................................................. 16 3.6 Wastewater as a sustainable source of nutrients ......................................................... 17 4.0 Algae based wastewater treatment .................................................................................. 19 4.1 Municipal wastewater ................................................................................................. 23 4.2 Agricultural wastewater .............................................................................................. 25 4.3 Industrial wastewater .................................................................................................. 25 5.0 Microalgal Biomass Production ...................................................................................... 30 5.1 Algal Ponding systems ................................................................................................ 30 5.1.1 High Rate Algal Ponds (HRAPs) for Wastewater Treatment ............................... 30 5.1.2 Enclosed photobioreactors .................................................................................... 30 viii 5.1.3 Hybrid Systems ..................................................................................................... 30 5.1.4 Immobilized cultures ............................................................................................ 30 6.0 Sustainability and the way forward ................................................................................. 35 7.0 Conclusions ..................................................................................................................... 36 8.0 Acknowledgements ......................................................................................................... 37 9.0 References: ...................................................................................................................... 38 Chapter 2: Addressing the challenges for sustainable production of algal biofuels: II. Harvesting and conversion to biofuels ............................................................................. 65 Abstract ................................................................................................................................. 66 1.0 Introduction ..................................................................................................................... 68 2.0 Harvesting ....................................................................................................................... 71 2.1 Sedimentation ............................................................................................................. 72 2.2 Centrifugation ............................................................................................................. 76 2.3 Flocculation and autoflocculation ............................................................................... 78 2.4 Filtration and Screening .............................................................................................. 81 2.5 Flotation ...................................................................................................................... 82 2.6 Electrolytic Separation ................................................................................................ 84 2.7 Biologically based methods ........................................................................................ 85 3.0 Biofuel from microalgae ................................................................................................. 87 3.1 From algal lipids to biodiesel ...................................................................................... 91 3.2 From algal starch to bioethanol ................................................................................... 97 3.3 uploads/Industriel/ abdelaziz-ahmed-2014-memoire 1 .pdf