Abstract:
O objetivo desta tese foi avaliar a dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e
produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli visando avaliar
a perspectiva de implementação de uma biorrefinaria microalgal. Desta forma, foi
avaliado o comportamento do micro-organismo em estudo no cultivo heterotrófico,
utilizando como meio de cultivo o efluente de laticínios. O trabalho foi desenvolvido
em 3 etapas. Em um primeiro momento foi avaliada a influência da temperatura (20 e
30°C) e os valores máximos e mínimos de nutrientes, em especial do fósforo dissolvido
reativo (PDR), disponíveis no efluente de laticínio, na remoção de nutrientes. Os
resultados demonstraram que a concentração inicial de fósforo dissolvido e a
temperatura exerceram influência no crescimento celular e na eficiência de remoção de
nutrientes. Em termos de otimização de processo os cultivos conduzidos a 20°C e
maiores concentrações de PDR (5,5 mg.L-1
) no efluente de laticínio, foram os mais
eficientes na conversão de poluentes em biomassa e remoção de nutrientes. A segunda
etapa foi desenvolvida com o objetivo de avaliar a dinâmica de distribuição de fósforo
na fase líquida e sólida do reator heterotrófico, quando o efluente de laticínio foi tratado
pela Aphanothece microscopica Nägeli, a 20°C e nas máximas concentrações de fósforo
dissolvido encontradas no efluente. Foi demonstrado que as formas fosforadas na fase
líquida do reator se caracterizam pela predominância da fração dissolvida em
comparação à particulada e por apresentar como fração predominante a de fósforo
orgânico. No que se refere à fase sólida, ficou demonstrado que a Aphanothece
microscopica Nägeli, quando cultivada heterotroficamente apresenta 3,8 vezes mais
fósforo que o requerido para o crescimento celular. Ficando demonstrado ainda que a
remoção biológica de fósforo por Aphanothece microscopica Nägeli pode resultar em
substanciais aportes financeiros para as estações de tratamento de efluentes. Uma
terceira etapa foi desenvolvida, a qual teve como objetivo avaliar a estimativa de
produção de compostos celulares por Aphanothece microscopica Nägeli, a partir do
efluente de laticínio, bem como o efeito da redução de temperatura de cultivo no teor de
lipídios , no momento em que é obtida a máxima concentração deste componente
celular, nas condições otimizadas.Foi obtido na fase logarítmica de crescimento,
concentrações de 41,8 % de proteinas, carboidratos 28,5 %, lipídios 10,4 % e minerais
10,8 %. O maior teor de lipídio registrado a 20°C correspondeu a biomassa analisada na
fase logarítmica.Com a redução da temperatura para 5°C por um período de 30 h é
possível obter concentrações de lipídios 2,4 vezes superior ao registrado na fase
logarítmica a 20 °C. No entanto, não foram indicadas diferenças significativas (p≤0,05)
em função da temperatura entre as concentrações de lipídios obtidas para a biomassa a
10°C em 40 h. O perfil de ácidos graxos da biomassa gerada a 20°C, apresentou como
ácidos graxos majoritários, os ácidos graxos: palmítico, oléico, γ-linolênico,
palmitoleico e esteárico, resultando um aumento na concentração de ácidos graxos
saturados as espensa dos insaturados, quando a temperatura é reduzida. Em paralelo,um
reator heterotrófico descontinuo foi definido, ficando demonstrado que a extrapolação
da operação em batelada para contínua requer um biorreator heterotrófico com volume
útil de trabalho de 240,51 m
3
, permitindo tratar 950 m3
diários de efluente, gerando 11,8
kg.d-1
de biomassa útil para produção de compostos celulares por Aphanothece
microscopica Nägeli, visando à simultânea remoção de matéria orgânica, nitrogênio
total e fósforo total, gerando insumos que podem suportar a implementação de uma
biorrefinaria microalgal.
The objective of the work was to evaluate the phosphorus dynamics in heterotrophic
cultivation, as well as the production of cellular compounds by Aphanothece
microscopica Nägeli. This was performed to assess the possibility of a microalgal
biorefinery implementation. Therefore, the behavior of the microorganism in
heterotrophic cultivation was evaluated using dairy effluent as culture medium. The
work was accomplished in three steps. Firstly, the influence of temperature (20 and
30°C) as well as the available maximum and minimum values of nutrients, especially
reactive dissolved phosphorus (RDP), in the nutrients removal was assayed. The results
demonstrated that the initial concentration of dissolved phosphorus and temperature
exerted influence on cellular growth as well as in the nutrient removal efficiency.
Regarding to the process optimization, cultivations conducted at 20°C and higher
concentrations of RDP (5.5 mg.L-1
) in dairy effluent were the more efficient on
pollutant conversion into biomass and nutrients removal. In the second step, the
phosphorus distribution dynamics in the liquid and solid phases of the heterotrophic
reactor of the dairy effluent treated by Aphanothece microscopica Nägeli was evaluated
at 20°C and maximum dissolved phosphorus concentration found in the effluent. The
results demonstrated that the phosphorous forms in the reactor liquid phase were
characterized by the predominance of the dissolved fraction compared to the particulate
one. Moreover, the predominant form was related to the organic phosphorus. Regarding
to the solid phase, Aphanothece microscopica Nägeli cultivated heterotrophically
presents around 3.8 folds more phosphorus than the necessary for cell growth.
Additionally, the biological phosphorus removal by Aphanothece microscopica
Nägelican result in substantial financial contribution for effluent treatment plants. The
third step consisted in evaluate the estimation of cell compounds production from the
dairy effluent by Aphanothece microscopica Nägeli. Furthermore, the effect of
temperature reduction on lipid contents of the cultivation at the exact moment when the
maximum contents of such component were achieved, at the optimal conditions were
also investigated. In the logarithmic growth phase, 41.8 % of protein, 28.5 % of
carbohydrates, 10.4% of lipids and 10.8 % of minerals were obtained. The highest lipid
content at 20°C was registered for the biomass analyzed in the logarithmic phase. The
temperature reduction to 5°C for 30 h enabled the achievement of lipid contents 2.4
folds higher than those registered for the logarithmic phase at 20°C. Moreover,
significant differences (p≤0.05) were not observed for lipid concentration in the biomass
produced at 10°C for 40 h, when 2.1 to 2.3 increases were obtained. The more abundant
fatty acids of the biomass generated at 20°C were palmitic, oleic, γ-linolenic,
palmitoleic and stearic. The temperature reduction resulted in an increment in the
concentration of saturated fatty acids and concomitant decrease in the unsaturated fatty
acid contents. In parallel, a discontinuous heterotrophic reactor was defined, and we
demonstrated that the extrapolation of the discontinuous to continuous operation
requires a heterotrophic reactor with an nominal working volume of 240.51 m3
.
Therefore, 950 m3
of effluent could be treated per day, generating 11.8 kg.d-1
of
biomass, which could be applied to the production of several cell components by
Aphanothece microscopica Nägeli. Thereby, simultaneous removal of organic matter,
total nitrogen and total phosphorus could be achieved, generating input that could
support the implementation of a microalgal biorefinery.
