Abstract:
O crescimento da população mundial e a tentativa de substituição parcial dos
combustíveis fósseis por novas fontes de energia têm levado a uma maior atenção
quanto à possível escassez de alimentos e a carência de grandes áreas disponíveis
para agricultura. Microalgas, por meio do metabolismo fotossintético, utilizam energia
solar e gás carbônico como nutrientes para o crescimento. A microalga Spirulina pode
ser utilizada como suplemento alimentar, na biofixação de CO2, como fonte de
biocombustíveis e no tratamento de efluentes. A digestão anaeróbia da biomassa
microalgal produz biogás e os resíduos deste processo podem ser utilizados como
substrato para novos cultivos da microalga. O objetivo deste trabalho foi estudar a
conversão de Spirulina sp. LEB-18 em biogás em escala piloto e produzir biomassa
microalgal utilizando os efluentes bicarbonato e dióxido de carbono do processo
anaeróbio como fonte de nutrientes. Spirulina foi utilizada como substrato na digestão
anaeróbia para produção de biogás em escala piloto sob temperaturas variáveis (12-
38 °C). Efluente do processo anaeróbio foi adicionado (20 %, v/v) como fonte de
carbono no cultivo da microalga para avaliar o crescimento e a composição da
biomassa. A seguir foi avaliada a capacidade da microalga de remover CO2 presente
no biogás através de biofixação para obtenção do biocombustível purificado. O biogás
produzido sob as diferentes temperaturas apresentou entre 72,2 e 74,4 % de CH4,
quando realizado nas temperaturas 12 a 21 °C e 26 a 38 °C, respectivamente. A
redução na temperatura do processo anaeróbio provocou um decréscimo na
conversão de biomassa em biogás (0,30 para 0,22 g.g-1
), ocorrendo dentro da faixa
adequada e segura para as bactérias metanogênicas (pH 6,9; alcalinidade entre
1706,0 e 2248,0 mg.L-1 CaCO3 e nitrogênio amoniacal 479,3 a 661,7 mg.L-1
). Os
cultivos de Spirulina sp. LEB-18 em efluente anaeróbio contendo 20 % (v/v) e meio
Zarrouk modificado (NaHCO3 2,8 e 5,3 g.L-1
) apresentaram velocidade específica
máxima de crescimento entre 0,324 e 0,354 d-1
, produtividade volumétrica entre 0,280
e 0,297 g.L-1
.d-1 e produtividade areal entre 14,00 e 14,85 g.m-2
.d-1
, sem diferenças
significativas (p > 0,05) entre as diferentes condições estudadas. Lipídios variaram
entre 4,9 e 5,0 % com proporção de ácido linoleico maximizada nos meios com
efluente e ácido alfa-linolênico reduzida nesses meios em comparação ao meio
Zarrouk completo. Nos ensaios para avaliar a capacidade da microalga Spirulina sp.
LEB-18 de remover CO2 contaminante no biogás, as máximas concentrações celulares
e produtividades de biomassa variaram, respectivamente, entre 1,12 e 1,24 g.L-1 e
0,11 e 0,14 g.L-1
.d-1
, não apresentando diferenças significativas (p > 0,05) entre os
ensaios. A maior fixação diária total (FDT) de dióxido de carbono obtida foi 58,01 %
(v/v) em cultivos com adição de biogás contendo 25 % (v/v) CO2. Obteve-se biogás
com 89,5 % (v/v) de CH4 após injeção em cultivos de Spirulina, no qual
aproximadamente 45 % (v/v) do CO2 injetado foi fixado pela microalga, gerando
biomassa para diversas aplicações e biogás purificado.
The world’s population increase and the attempt in partial substitution of fossil fuels for
new energy sources have been leading to a greater attention towards a possible food
shortage and lack of available lands for agriculture. Through the photosynthetic
metabolism, microalgae use solar energy and carbon dioxide as nutrients for their
growth. The microalgae Spirulina can be used as food supplement, on the biofixation of
CO2, as source of biofuels and on the treatment of effluents. The anaerobic digestion of
the microalgae biomass produces biogas and its residues can be used as substratum
for new microalgae culture. The objective of this task was to study a Spirulina sp. LEB-
18 conversion into biogas in a pilot scale and to produce microalgae biomass using the
effluents bicarbonate and carbon dioxide of the anaerobic process as a source of
nutrients. Spirulina was used as substratum in the anaerobic digestion for the biogas
production in pilot scale under varying temperatures (12-38 ºC). The process of the
anaerobic effluent has been added (20 %, v/v) as a carbon source in the microalgae
culture to evaluate the biomass’s growth and composition. Next, the microalgae’s
capacity of removing the resident CO2 in the biomass through biofixation to obtaining
the refined biofuel has been evaluated. Produced under different temperatures, the
biogas has shown between 72.2 % and 74.4 % of CH4 when accomplished with 12 to
21 ºC and 26 to 38 ºC temperatures, respectively. The reduction of the temperatures in
the anaerobic process caused a decrease in the conversion of biomass into biogas
(0.30 to 0.22 g.g-1
), occurring within the adequate and safe range for methanogenic
bacterias (pH 6.9; alkalinity between 1706.0 and 2248.0 mg.L-1 CaCO3 and
ammoniacal nitrogen 479.3 to 661.7 mg.L-1
). The Spirulina sp. LEB-18 cultures into
anaerobic effluents containing 20 % (v/v) and Zarrouk modified medium (NaHCO3, 2.8
and 5.3 g.L-1
) showed specific maximum speed of growth between 0.324 and 0.354 d-1
,
volumetric productivity between 0.280 and 0.297 g.L-1
.d-1 and areal productivity
between 14.00 and 14.85 g.m-2
.d-1
, without signifying differences (p > 0.05) between
different studied conditions. Lipids vary between 4.9 and 5.0 % with maximized
proportion of linoleic acid in environments with effluent and reduced alfa-linoleic acid in
these environments in comparison to the complete Zarrouk one. On the essays to
evaluate microalgae Spirulina sp. LEB-18’s capacity of removing contaminant CO2 on
biogas, the maximum cellular concentrations and productivities of biomass varied,
respectively, between 1.12 and 1.24 g.L-1 and 0.11 and 0.14 g.L-1d
-1
, not showing
signifying differences (p > 0.05) between essays. The major total diary fixation (TDF) of
carbon dioxide obtained was 58.01 % (v/v) in cultures with the addition of biogas
containing 25 % (v/v) of CO2. Biogas has been obtained with 89.5 % (v/v) of CH4 after
injection in Spirulina’s cultures, in which approximately 45 % (v/v) of CO2 injected had
been fixed by the microalgae, generation biomass for multiple applications and refined
biogas.
Mudanças climáticas devido ao uso de combustíveis fósseis têm impulsionado a busca
por novas fontes de energia com menor impacto ambiental. Biogás é um combustível
produzido pela digestão anaeróbia da fração orgânica de biomassa, constituído
principalmente por metano e dióxido de carbono. Este trabalho teve como objetivo
estudar a conversão de biomassa da microalga Spirulina sp. LEB-18 em biogás, por
digestão anaeróbia em biorreator em escala piloto (310 L) sob temperatura ambiente,
que variou entre 12-38 °C. A maior conversão da fração orgânica da biomassa de
Spirulina sp. LEB-18 em metano foi 0,30 g.g-1 e a decomposição da fração orgânica da
biomassa foi maior que 80 %. A concentração de metano no gás aumentou com o
aumento da temperatura ambiente, obtendo-se 74,4 % quando o processo foi
conduzido em temperaturas entre 26-38 °C e 72,2 % de CH4 no gás, quando
submetido a baixas temperaturas (12-21 °C). Os resultados foram comparados com
outros obtidos em escala de bancada (35 °C) e a decomposição da biomassa e
decomposição da fração orgânica da biomassa em escala piloto sob temperaturas de
26 a 38 °C foram semelhantes aos de escala laboratorial em condições ótimas, não
apresentando diferença significativa, demonstrando potencialidade de aplicação da
biomassa de Spirulina para produzir biogás sob condições ambientais.
Climate changes due to the usage of fossil fuel have boosted the search for new
sources of energy with less environmental impact. Biogas is a fuel produced by the
anaerobic digestion of the biomass’s organic fraction, consisting mainly by methane
and carbon dioxide. This task had as objective to study the microalgae Spirulina sp.
LEB-18’s biomass conversion into biogas by anaerobic digestion with bioreactor in pilot
scale (310 L) under ambient temperature, that varied between 12-38 ºC. The major
conversion of the biomass’s organic fraction of Spirulina sp. LEB-18 in methane was
0.30 g.g-1 and the decomposition of biomass organic fraction was over 80 %. The
concentration of methane on the gas increased with the increase of the ambient
temperature, obtaining 74.4 % when the process was conducted in temperatures
between 26–38 ºC and 72.2 % of CH4 on the gas when subjected to low temperatures
(12–21 ºC). The results were compared to other obtained ones in bench scale (35 ºC)
and the biomass decomposition and biomass’s organic fraction decomposition in pilot
scale under temperatures of 26 to 38 ºC were similar to the laboratory scale ones in
great conditions, not showing signifying difference, demonstrating application
potentiality of Spirulina’s biomass to produce biogas under ambient conditions.
A fonte de carbono é o principal componente dos custos de produção de Spirulina, e
efluentes de digestão anaeróbia contém este nutriente como HCO3
-
. O objetivo deste
trabalho foi estudar a cinética de crescimento, a composição e o perfil de ácidos
graxos da microalga Spirulina sp. LEB-18 cultivada em meio Zarrouk (NaHCO3 16,8
g.L-1
) e em meio Zarrouk modificado substituído por 20 % (v/v) de efluente com
concentrações reduzidas de NaHCO3 (5,3 e 2,8 g.L-1
). A utilização de efluente e
menores concentrações de HCO3
- é uma alternativa para diminuição dos custos de
produção de Spirulina, pois não houve diferenças significativas nos parâmetros de
crescimento (µmáx 0,324-0,354 d-1
; Pmáx 0,280-0,297 g.L-1
.d-1
), nos diferentes meios
utilizados. Lipídios variaram entre 4,9 e 5,0 % com proporção de ácido linoleico
maximizada nos meios com efluente e ácido alfa linolênico reduzida nesses meios em
comparação ao meio padrão.
The carbon source is the most expensive nutrient for Spirulina production; effluents
from anaerobic digestion contain this nutrient in the form of HCO3
-
. The aim of this
study was to assess the growth kinetics, composition and fatty acid profile of Spirulina
sp. LEB-18 grown in Zarrouk medium (NaHCO3 16.8 g L-1
) and in Zarrouk medium
modified replaced with 20 % (v/v) effluent with reduced concentrations of NaHCO3 (5.3
and 2.8 g L-1
). The use of effluent and lower concentrations of HCO3
- was found to be
an alternative to reduce the costs of Spirulina production, because there were no
significant differences in growth parameters (μmax 0.324-0.354 d
-1
; Pmax 0.280-0.297 g L-
1 d
-1
), in the different culture medium used. Lipids ranged between 4.9 and 5.0 %; the
media with effluent had higher levels of linoleic acid compared to the standard medium.
