Efeito da matéria orgânica dissolvida na concentração da microalga marinha nannochloropsis oceanica

Abstract

Microalgas marinhas do gênero Nannochloropsis são comumente utilizadas na aquicultura como alimento vivo e, atualmente, são reconhecidas como uma promissora fonte de biocombustível e bioprodutos com aplicações nas indústrias farmacêutica e alimentícia. No entanto, a produção em larga escala de microalgas encontra dificuldades principalmente na coleta e concentração destes microrganismos. O processo de concentração e sedimentação de células com o uso de floculantes é mais eficiente e rentável do que outros. Entretanto, este método ainda apresenta muitos problemas técnicos que impedem sua a plena operacionalização. Dentre os maiores problemas, a matéria orgânica dissolvida (MOD) produzida pelas microalgas é reconhecida como um grande interferente no processo de concentração das células, acarretando no aumento da demanda de floculantes e até mesmo podendo inviabilizar o processo. Nesta Dissertação foi avaliado o efeito da matéria orgânica no processo de concentração através da quantificação e qualificação da mesma e também pela sua retirada do meio de cultura utilizando um “skimmer”. O crescimento das microalgas foi monitorado em dias alternados num sistema de cultivo de 250 L. Amostras de 100 mL de cultivo foram filtradas em filtros de membrana de 0,45 μm de poro para obtenção da MOD e sua posterior quantificação e caracterização pelo carbono orgânico dissolvido (COD), absorbância a 254 nm (UV), além de concentração de proteínas e carboidratos. Todos estes fatores aumentaram ao longo do cultivo. A eficiência de concentração para a microalga N. oceanica foi testada nas frações particulada (MOP - > 0,7 μm) e dissolvida (MOD - < 0,45 μm) separadas por filtros 0,7 μm e 0,45 μm. Como floculante foi utilizado o polímero natural Tanfloc. As frações que continham apenas MOP resultaram em eficiência de concentração superior a 90%, enquanto que os tratamentos que continham MOD na sua composição não ultrapassaram 30% de eficiência, demonstrando que a MOD é a parte da matéria orgânica que mais interfere no processo. Num segundo experimento, ao atingir as fases de crescimento exponencial e estacionária, 2 litros de cultivo foram coletados. As amostras foram centrifugadas para remoção das microalgas e, em seguida, filtradas em filtro de membrana de 0,45 μm para coleta da MOD, posteriormente fracionada por hidrofobicidade através de resinas XAD 7HP e XAD 4. A eficiência de concentração foi testada em 3 frações de matéria orgânica dissolvida: hidrofóbica (HPO), transfílica (TPH) e hidrofílica (HPI), onde foram ressuspendidas células de N. oceanica. Nas fases exponencial e estacionária a

2 pior eficiência foi observada no Controle Positivo (cultivo), seguido pela fração HPI com as menores eficiências dentre as frações testadas. A fase estacionária apresentou a pior eficiência de concentração, tanto no Controle Positivo quanto na fração HPI. Leituras de UV e concentrações de COD e proteínas aumentaram de uma fase para outra no Controle Positivo, enquanto que a concentração de carboidratos diminuiu. Desta forma se conclui que a maior concentração de proteínas na MOD interfere negativamente na floculação. A eficiência da concentração também foi testada em um terceiro experimento com a retirada de MOD pelo uso de “skimmer” obtendo-se excelentes resultados (93%), não havendo diferença estatística em comparação com o tratamento Controle Negativo (97% - sem matéria orgânica). O “skimmer” foi eficiente na retirada principalmente de proteínas do cultivo. Além disso verificou-se que o seu uso não afetou a integridade das células de N. oceanica. Os experimentos foram realizados em triplicata. Como os dados nos 3 experimentos apresentaram distribuição normal e foram homocedásticos, foi usada ANOVA e teste post hoc de Tukey (p<0,05). Este projeto foi desenvolvido no Laboratório de Produção de Microalgas da Universidade Federal do Rio Grande – FURG, no período outubro de 2015 a fevereiro de 2017.

Marine microalgae of the genus Nannochloropsis are commonly used in aquaculture as live food and are currently recognized as a promising source of biofuels and bioproducts for applications in the pharmaceutical and food industries. However, the large-scale production of microalgae finds difficulties mainly in the harvest of these microorganisms. The process of cell concentration by flocculation followed by sedimentation is more efficient and cost effective than others. However, this method still presents many technical problems that prevent its full operationalization. Among the major problems, the dissolved organic matter (DOM) produced by microalgae is recognized as a key interferent in the concentration and sedimentation process of the cells, causing an increase in the demand for flocculants and even rendering the process unfeasible. In this Dissertation the effect of organic matter in the flocculation process was evaluated by quantification and qualification of the same and also by its removal from the culture medium using a skimmer. The microalgae growth was monitored on alternate days in a 250 L culture system. Samples of 100 mL of culture were filtered through a 0.45 μm pore membrane filer to obtain the DOM and its subsequent quantification and characterization as dissolved organic carbon (DOC), absorbance at 254 nm (UV), as well as proteins and carbohydrates contents. All of these factors increased throughout the culture. The flocculation efficiency for N. oceanica microalgae was tested in the particulate (POM - > 0.7 μm) and dissolved (DOM - < 0.45 μm) fractions separated by 0.7 μm and 0.45 μm filters. The Tanfloc natural polymer was used as flocculant. Fractions containing only POM resulted in flocculation efficiency greater than 90%, whereas treatments containing DOM in their composition did not exceed 30% efficiency, demonstrating that the DOM is the part of the organic matter that most interferes in the process. In a second experiment, 2 liters of were collected when the culture reached the exponential and stationary growth phases,. The samples were centrifuged to remove the cells and then filtered through a 0.45 μm pore membrane filter to collect the DOM, which was subsequently fractionated by hydrophobicity through XAD 7HP and XAD 4 resins. The flocculation efficiency was tested in three fractions of dissolved organic matter: hydrophobic (HPO), transphilic (TPH) and hydrophilic (HPI), in which cells of N. oceanica were resuspended. In the exponential and stationary phases the smaler efficiency was observed in the Positive Control (culture) followed by the HPI fraction with the poorest result among the fractions tested. The stationary phase had the worst flocculation efficiency, both in the

4 Positive Control and in the HPI fraction. UV readings and concentrations of DOC and protein increased from one phase to another in the Positive Control, while the carbohydrate concentration decreased. In this way it is concluded that the higher concentration of proteins in the DOM interferes negatively in the flocculation. The flocculation efficiency was also tested in a third experiment with the removal of DOM by the use of skimmer. The flocculation in the skimmer treatment presented excellent results (93%), and there was no statistical difference in relation to the negative control treatment (97% - no organic matter). The skimmer was efficient in the removal of proteins from the culture. In addition, it was found that the its use did not affect the integrity of the N. oceanica cells. The experiments were performed in triplicate. As the data in the 3 experiments had normal distribution and were homocedastic, ANOVA and post hoc Tukey test (p <0.05) were used. This project was developed in the Microalgae Production Laboratory of the Federal University of Rio Grande - FURG, from October 2015 to February 2017.