cultivo de microalgas para producao - TCC On-line

CULTIVO DE MICROALGAS PARA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS
Djuna Priscila Camurça Santos1, Arion Zandoná Filho2, Marcos Henrique Luciano
Silveira3
1. Acadêmico do curso de Tecnologia em Bioprocessos e Biotecnologia da
Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR);
2. Centro de Pesquisa em Química Aplicada – (CEPESQ) – PR, Brasil, Profº Doutor
da Universidade Tuiuti do Paraná(Curitiba, PR); pesquisador do CEPESQ;
3. Centro de Pesquisa em Química Aplicada – (CEPESQ) – PR, Brasil, Doutorando
em química da Universidade Federal do Paraná.
Endereço eletrônico para correspondência: [email protected]
Endereço: rua Alfredo Barcick nº 320, Curitiba- PR.
CEP: 82980-150
Telefone: (41) 9983-0126
Resumo:
Uma maneira de se produzir biocombustíveis e que por sua vez vem ganhando força
é o cultivo de microalgas para a geração de biomassa e produção de biodiesel. Uma
das características mais marcantes das microalgas é a sua ampla variedade com
mais de 100 mil espécies de pigmentos variados, formas e tamanhos, e seu
crescimento de baixo impacto ambiental. Todas as microalgas são compostas de
proporções diferentes dos seguintes componentes: proteínas, carboidratos, lipídios e
ácidos nucléicos. O presente estudo tem como objetivo realizar o cultivo da
microalga Scenedesmus subspicatus e fazer o balanço mássico do óleo obtido
através do processo de esterificação. A espécie utilizada é de origem do Núcleo de
Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto-sustentável – NPDEAS/UFPR. O meio
padrão utilizado para o cultivo das microalgas foi o CHU. O cultivo foi realizado em
um reator da marca Marconi®/SP, modelo MA. 502/25/1, com controle de
iluminação, aeração, temperatura e agitação. O crescimento da espécie foi
acompanhado por contagem de células e análise da absorbância. A biomassa algal
foi separada através de floculação com hidróxido de sódio e em seguida centrifuda.
O processo de esterificação foi realizado com a biomassa úmida em um sistema de
refluxo, usando o n-heptano como solvente, onde no final deste processo uma
alíquota foi transferida para um Eppendorf com peso bruto descontado e levado a
secura, a fim de se obter o balanço mássico. A esterificação do óleo obtido
apresentou rendimento mássico de 6.18% em relação a massa de microalga obtida.
Desta maneira, considerando uma produção anual com 13 cultivos, empregando o
mesmo meio de nutrientes em escala que possa produzir uma tonelada de massa
seca para cada cultivo, teríamos uma produção anual de 815,61 kg de óleo de
microalga.
Palavras-chave: Scenedesmus subspicatus, biomassa, esterificação
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ABSTRACT:
One way to produce biofuels and that in turn has been gaining strength is the
cultivation of microalgae for the generation of biomass and biodiesel production. One
of the most striking features of microalgae is its wide range of over 100 000 species
of pigments varied shapes and sizes, and growth of low environmental impact. All
microalgae are composed of different proportions of the following components:
proteins, carbohydrates, lipids and nucleic acids. This study aims to make the
cultivation of microalgae Scenedesmus subspicatus and make the mass balance of
the oil obtained from the esterification process. The species used is the source of the
Center for Energy Research and Development of Self-sustaining - NPDEAS / UFPR.
The standard medium used for cultivation of microalgae was the CHU. The culture
was grown in a reactor at the Marconi brand ® / SP model MA. 502/25/1 with lighting
control, aeration, temperature and agitation. The growth of this species was
accompanied by cell counting and analysis of absorbance. The algal biomass was
separated by flocculation with sodium hydroxide and then centrifuda. The
esterification process was carried out with the wet biomass in a reflux system using
n-heptane as a solvent, where at the end of this process an aliquot was transferred to
an Eppendorf discounted gross weight and taken to dryness in order to obtain the
mass balance. The esterification of oil obtained had a yield of 6.18 mass% on the
mass of microalgae obtained. Thus, considering an annual production of 13 crops,
employing the same means of nutrients on a scale that can produce one ton of dry
matter for each crop, we would have an annual production of 815.61 kg of oil from
microalgae.
Keywords: Scenedesmus subspicatus, biomass, esterification
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1. INTRODUÇÃO
O aquecimento global e o esgotamento dos combustíveis fósseis apresentamse como problemas mundiais causados pelo acúmulo de gases causadores do efeito
estufa, na atmosfera. O aumento do consumo do petróleo de países de economia
emergente e o contínuo consumo de seus derivados têm requerido maior demanda
por petróleo. Em contrapartida, por ser um recurso finito e devido ao fato de sua
combustão gerar grande quantidade de CO², cada vez mais tem-se pesquisado
novas maneiras de se produzir energia através de métodos renováveis, sustentáveis
e viáveis, gerando o menor impacto possível ao ecúmeno. Frente a esta
problemática, a produção de biodiesel visa à utilização de diversos materiais como
uma fonte de energia alternativa, tais como plantas, microalgas e gordura animal
(Vasudevan e Briggs, 2008).
Uma maneira de se produzir biocombustíveis e, que por sua vez vem
ganhando força, é o cultivo de microalgas para a geração de biomassa e produção
de biodiesel. Microalgas são organismos vivos microscópicos, com estrutura celular
extremamente simples, altas taxas de conversão solar através da fotossíntese e
grande capacidade de assimilação de dióxido de carbono (CO2).
Além disso, uma das características mais marcantes das microalgas é a sua
ampla variedade com mais de 100 mil espécies, de formas, tamanhos e pigmentos
variadas, apresentando ainda crescimento de baixo impacto ambiental. Estes
organismos podem se desenvolver facilmente em condições que contenham apenas
luz solar e dióxido de carbono (CO2).
As microalgas apresentam uma gama de fatores favoráveis ao seu cultivo.
Dentre eles destacam-se:
a) eficiência de conversão fotossintética da luz solar (~10%) cerca de 6 a 12
vezes superior que garante rendimentos em termos de produtividade
(Falkowski e Raven 1997);
b) ausência de estrutura de suporte constituída por polímeros como a lignina o
que elimina a necessidade de pré tratamento para possível produção de
etanol de segunda geração;
c) reduz os custos industriais e aumenta a eficiência de conversão da biomassa
em biocombustíveis;
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d) enorme diversidade ecológica, específica, morfológica, genética e metabólica
o que permite a seleção de espécies mais adequados a determinadas
condições, locais de cultivo e sistemas de colheita (Dismukes et al.,2008);
e) possibilidade de suas vias biossintéticas serem manipuladas e direcionadas,
através da alteração das condições de cultivo e stress ambientais, para a
acumulação substancial dos compostos desejáveis para a produção de
biocombustíveis;
f) contudo, a possibilidade de cultivo da biomassa de algas em diversos
ambientes, elimina a competição por áreas utilizadas para a agricultura e
produção de bens alimentares.
Diferentes estudos realizados mostram que as microalgas possuem o mais
elevado teor de matéria graxa, tornando-se uma excelente alternativa para a
produção de biocombustíveis, devido à sua elevada densidade de lipídios
comparando com as oleaginosas tais como canola, soja, palma, girassol (tabela 1).
Dessa forma, a produção de microalgas poderia, promover um aumento na
produção de óleo por hectare e reduzir o custo de produção de biodiesel (Perez,
2007).
Tabela 1. Rendimento de extração de óleo (Chisti, 2007)
Rendimento de óleo t/ha ano
Mamona
0,5 - 1,0
Soja
0,2 - 0,6
Girassol
0,5 - 1,5
Canola
0,5 - 0,9
Pinhão manso
2,0 - 3,0
Óleo de palma (dendê) 3,0 - 6,0
Microalgas
50 - 150
Pode-se observar que as microalgas poderiam, teoricamente, produzir até
150 toneladas de óleo por hectare/ano. Comparando-as com a oleaginosa
de maior rendimento em óleo, como a palma, o fator de vantagem é de 25
vezes, quando as microalgas são cultivadas em piscinas ou lagoas
abertas.
Existem vários métodos de cultivo de microalgas, o mais comumente utilizado é
baseado na indução artificial de condições eutróficas que levam a um rápido
desenvolvimento de explosões populacionais o qual é denominado “blooms”. Este
método consiste na adição de um inoculo puro de microalga a um meio de cultivo
(Lourenço, 2006).
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O cultivo de microalgas compreende formas simples e convencionais de
produção de biomassa algácea em certas aplicações, mas podem envolver também
processos e equipamentos mais complexos, caracterizando a atividade como um
dos mais modernos processos da biotecnologia (Pequeno, 2010). A escolha do tipo
do cultivo depende dos produtos de interesse que as microalgas podem sintetizar
naquelas condições determinadas (biomassa, ácidos graxos, pigmentos, etc.).
As microalgas, além do potencial de fornecer substrato para diferentes tipos
de
combustíveis
renováveis,
tais
como
biodiesel,
bioetanol,
biometano,
biohidrogénio, entre outros, podem ao mesmo tempo servir outros propósitos como,
tratamento de águas residuais através da remoção de contaminantes como amônia,
nitratos e fosfatos, aproveitamento da biomassa residual para alimentação animal,
como fertilizantes orgânicos, na geração de eletricidade através da incineração
(Wang et al., 2008), ou para a recuperação de compostos com valor comercial tais
como pigmentos, antioxidantes, polissacáridos e certos compostos bioativos com
aplicações nas áreas farmacêutica, nutracêutica e cosmética (Raja et al., 2008).
Este trabalho de pesquisa teve como objetivo realizar o cultivo de microalgas
em condições laboratoriais controladas e analisar o balanço mássico do óleo
extraído dessa oleaginosa.
2. MATERIAL E MÉTODOS
A microalga utilizada neste projeto foi a Scenedesmus subpicatus, adquirida
no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto-sustentável – NPDEAS
(UFPR), cultivada em um reator da marca Marconi®/SP, modelo MA. 502/25/1
(figura1).
O trabalho foi realizado no Centro Politécnico da Universidade Federal do
Paraná no laboratório de Fotobiomassa e no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento
de Energia Auto-Sustentável – NPDEAS, no período de 01/08/2011 à 02/09/2011.
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Figura 1: Reator Marconi®/SP, modelo MA. 502/25/1, utilizado para o cultivo da
microalga Scenedesmus subspicatus.
2.1 Preparo das condições necessárias para a realização do cultivo
Primeiramente foi montado um sistema de iluminação com 4 lâmpadas
fluorescentes, posicionadas em um suporte na parte posterior do reator.
Posteriormente a aeração, na qual foi colocada uma pedra porosa em uma
mangueira de silicone presa na parte interna do reator, onde esta foi ligada
diretamente na tubulação de ar do laboratório. A pedra porosa foi utilizada com o
objetivo de dispersar o fluxo de ar aumentando a eficiência da aeração. Em seguida
foi realizada a desinfecção do reator que consistiu em lavagem com água e sabão,
molho com hipoclorito de sódio e enxágue com água destilada. Após desinfetado, o
reator foi completado com 24L de água deionizada e deixado em rotação constante
de 200 rpm, temperatura de 25 °C, e aeração máxima por um período de 24 horas.
Passado esse período foi adicionado 1,800 L do meio de cultura CHU, o qual
consiste em uma solução rica em sais e nutrientes (ver tabela 2), onde inicialmente
as substâncias são pesadas e diluídas separadamente, e posteriormente misturadas
tendo o volume completado com água ultrapurficada. O meio ficou em agitação por
1h, o pH estabilizou-se em 6,70 e então foram adicionados 6 L de inóculo
concentrado de microalgas.
Tabela 2. Substâncias do meio Chu e suas respectivas massas.
Solução
Reagente
Fórmula
1
Nitrato de sódio
NaNO3
2
Cloreto de sódio
CaCL3.2H2O
di-hidratado
Massa/l
25 g
2,5 g
7
3
4
5
6
7
9
10
di-hidratado
Sulfato de
magnésio heptahidratado
Fosfato de
potássio dibásico
Fosfato de
potássio
monobásico
Cloreto de sódio
Titriplex III
Hidróxido de
sódio
Sulfato ferroso
hepta-hidratado
Ácido bórico
Sulfato de zinco
hepta-hidratado
Cloreto de
manganês tetrahidratado
Óxido de
molibdênio
Sulfato de cobre
penta-hidratado
Nitrato de cobalto
hexa-hidratado
MgSO4.7H2O
7,5 g
K2HPO4
7,5 g
KH2PO4
17,5 g
NaCl
C10H14N2Na2O8.2H2O
2,5 g
50 g
KOH
31 g
FeSO4.7H2O
4,98 g
H3BO3
11,42 g
ZnSO4.7H2O
8,82 mg
MnCl2.4H2O
1,44 mg
Mo03
0,71 mg
CuSO4.5H20
1,57 mg
Co(NO3)2.6H2O
0,49 mg
2.2 Avaliações de crescimento
O crescimento das microalgas em cultivo pode ocorrer de maneira muito
rápida, podendo ocorrer diversas alterações em suas propriedades químicas e até
mesmo em suas características morfológicas regidas por diversos processos
metabólicos. Por esse motivo se torna necessário o processo de avaliação do
crescimento das microalgas para determinar o momento exato da coleta para
utilização de sua biomassa (Lourenço 2006). Ao longo do cultivo, o sistema foi
monitorado em relação à: contagem de células/ml e absorbância.
Durante todo o processo de crescimento da microalga S. subspicatus, foram
realizadas contagens de quantidades de células/ml utilizando hemocitômetro tipo
Neubauer, onde as amostras eram colocadas e visualizadas através de microscópio
eletrônico, sendo realizadas em triplicata para melhor confirmação do resultado.
A absorbância foi mensurada através de leitura espectrofotométrica, em
comprimento de onda de 750nm. Mittenzwey et al., (1992) aconselham o uso da
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faixa
vermelha
(700-750nm),
porque
a
radiação
vermelha
não
penetra
profundamente no líquido da amostra e a abosrção da luz por outras partículas
suspensas é menor nesta faixa do espectro. A absorbância é baseada na densidade
óptica, onde a avaliação do crescimento por este método é fundamentada na
obstrução física da luz pelas células, quanto mais células estiverem presentes na
amostra, maior será a absorção de luz.
2.3 Fase final do cultivo
O cultivo foi cessado quando através dos gráficos foi visualizado que o
crescimento das células atingiu o pico máximo e onde as algas começaram a
morrer. Para retirar a biomassa da S. subspicatus do meio de cultivo foi necessário
induzir floculação das células algais, utilizando solução de hidróxido de sódio, que
altera o pH fazendo com que as células se agreguem formando flocos que
decantam. Em seguida, o sobrenadante foi retirado com o auxilio de uma mangueira
por uma abertura na parte superior do reator, e a biomassa floculada foi levada à
centrifugação para assim produzir agregação consistente das células.
2.4 Esterificação e balanço mássico
Para concluir este projeto, a biomassa centrifugada foi submetida a um
processo de esterificação, que tem como objetivo converter ácidos graxos em
compostos mais voláteis, como ésteres metílicos de ácidos graxos para análise em
cromatografia gasosa. O método utlizado foi uma adpatação ao de Hartman e Lago,
onde a diferença principal foi o solvente utilizado, neste caso o n-heptano.
A extração foi realizada com a biomassa úmida, onde 5g da amostra foi
adicionado em um balão de 250 mL com 14 mL de hidróxido de sódio, o frasco foi
levado ao aquecimento e submetido à refluxo a (90°C) por 10 minutos. Em seguida
foi retirado da fonte de aquecimento e após esfriar a temperatura ambiente foram
adicionados 42 mL de solução esterificante, e novamente o balão foi submetido à
aquecimento por 10 minutos. Mais uma vez esperou-se a mistura ficar em
temperatura ambiente e então foram adicionados 50 mL de solvente, e 100 mL de
água, agitou-se o frasco manualmente por alguns minutos e em seguida o balão
ficou em descanso para separação de fases (Figura 2A), onde posteriormente a
mistura foi levada a centrifugação para produzir agregação consistente das mesmas
(Figura 2B). E então retirou-se uma alíquota do óleo que foi transferido para um
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Eppendorf com peso bruto descontado e levado a secura, para assim analisar o
balanço mássico.
Figura 2: Biomassa algácea após o processo de esterificação. (A) Amostra em descanso após
ser agitada manualmente. (B) Amostra centrifugada.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A demanda crescente por combustíveis renováveis para a substituição dos
combustíveis fósseis levou, ao lançamento de programas para a produção de
biocombustíveis. De acordo com as vantagens destes combustíveis já mencionadas
neste trabalho, o cultivo de microalgas levou pequenas e grandes empresas e
muitos centros acadêmicos por todo o mundo, a investirem recursos à pesquisas
empregando algas como fonte de óleo. Os resultados obtidos em escala de
laboratório são animadores. Entretanto, todas as experiências com algas, em grande
escala, para a produção de óleo visando a produção de biocombustíveis falharam .
Dentre os aspectos negativos que podem limitar
o desenvolvimento de
processos de produção de biocombustíveis utilizando microalgas , destacam-se:
1. Ataque de cepas selvagens não produtoras de óleo;
2. Preço alto dos nutrientes;
3. O óleo obtido geralmente tem alto teor de ácidos graxos livres e elevado índice
de iodo;
4. Dificuldades em se desidratar a alga para extração do óleo;
5. Controle difícil dos parâmetros tais como: acidez, temperatura, e nutrientes
para evitar quedas bruscas na produção e até mesmo a extinção dos cultivares
das algas.
Para o acompanhamento do crescimento celular, duas técnicas foram
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empregadas conforme descrito no item 2.2, e o gráfico é apresentado na Figura 3.
Figura 3. Cinética de crescimento de Scenedesmus subspicatus em meio CHU.
O acompanhamento por leitura de absorbância é um método de baixo custo e
permite quantificar amostras grandes, porém, não faz distinção entre células vivas e
mortas, e pode considerar também partículas de restos metabólicos, resultando em
pouca precisão. Por outro lado, o método de contagem de células por microscopia
eletrônica também é de baixo custo, permite calcular as taxas reprodutivas e
detectar alterações morfológicas, porém trata-se de um trabalho exaustivo e
subjetivo. Sendo assim, a combinação dos dois métodos aumenta a confiabilidade
dos resultados e a praticidade.
De acordo co a Figura 3, após 25 dias de cultivo, o perfil começa a
apresentar-se com tendência de ordem zero, onde a taxa não muda mais
linearmente. Portanto, a faixa de º produção ideal para este cultivo deve ser até o
25° dia.
A esterificação do óleo obtido apresentou rendimento mássico de 6.18 % em
relação à massa seca de microalga obtida. Desta forma, considerando uma
produção anual com 13 cultivos, empregando o mesmo meio de nutrientes em
escala que possa produzir uma tonelada de massa seca para cada cultivo, teríamos
uma produção anual de 815,61 kg de óleo de microalga.
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No entanto, devemos mencionar que o meio de cultivo empregado não é um
meio otimizado, e sim um meio padrão para que se tenha premissas de
desenvolvimento e otimização do cultivo deste microorganismo. Portanto, a partir de
novos ensaios melhores rendimentos de produção de óleo devem ser alcançados.
4. CONCLUSÃO
A produção de biodiesel capaz de suprir a demanda requer grande
quantidade de óleo o que por sua vez requer a habilidade de produzir a baixo custo
grande quantidade de biomassa. A chave para a produção sustentável de biodiesel
a partir de biomassa de microalgas depende de diversos fatores que se resumem
em três grandes grupos: o cultivo, a colheita e o processamento da biomassa. A
produtividade em óleo, que é a massa do óleo produzido por unidade de volume de
microalgas por dia, depende da taxa de crescimento e do conteúdo lipídico, pelo
que, para a produção de biodiesel, é imprescindível a pesquisa, seleção e
otimização de espécies de microalgas com elevada produtividade.
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