Biossistema para produção de biomassa microalgal e biometano

Abstract

Microalgas e cianobactérias vem ganhando destaque nas áreas de alimentos, energia e proteção ao meio ambiente. A Spirulina é uma cianobactéria que consome CO2 através da fotossíntese e sua biomassa pode ser utilizada para alimentação e produção de biocombustíveis. A digestão anaeróbia da biomassa da microalga produz metano e o efluente líquido do processo contém carbono dissolvido, que é o principal componente dos custos de produção da Spirulina. O objetivo deste trabalho foi estudar a produção de metano a partir de biomassa de Spirulina através da digestão anaeróbia e o crescimento e composição da microalga no efluente da produção de metano. Spirulina foi cultivada em condições ambientais do extremo sul do Brasil, a biomassa produzida foi utilizada para a produção de biometano em concentrações crescentes (3,2; 5,4 e 7,2 g.L-1) na alimentação do biorreator anaeróbio. Foram estudados os efeitos do aumento na concentração de Spirulina na alimentação do biorreator anaeróbio para 20 e 50 g.L-1 e da agitação contínua ou intermitente na produção de biometano. Como o efluente continha carbono em concentração inferior (3,8 g.L-1 NaHCO3) aos meios de cultivo de Spirulina, foi estudado o efeito da concentração da fonte de carbono (NaHCO3 2,8 a 100 g.L-1) no crescimento da microalga. A seguir foi estudado o crescimento e a composição da biomassa em meio com efluente da produção de biometano e a capacidade do efluente ser usado como fonte de carbono e nitrogênio para a microalga. Spirulina LEB-18 cresceu nas condições ambientais do sul do Brasil com produtividade de 6,63 g.m-2.d-1. A digestão anaeróbia da biomassa produzida quando alimentada ao biorreator anaeróbio em até 7,2 g.L-1 ocorreu dentro de limites adequados (pH 7,15–7,21 e N-NH4 388,27–669,44 mg.L-1) ao bioprocesso anaeróbio, atingindo decomposição de 77 % da biomassa, conversão de Spirulina em biometano (YCH4/Sp) de 0,31 g.g-1 e 77,7 % de CH4 no gás. A agitação contínua reduziu YCH4/Sp em 22,6 % comparada à agitação intermitente. A alimentação com 20 e 50 g.L-1 de Spirulina reduziu YCH4/Sp a 0,17 e 0,02 g.g-1 respectivamente. No bioprocesso anaeróbio 49,7 % do carbono da Spirulina produzida foram transformados em CH4 e recuperados 83,2 % do poder calorífico da biomassa como biometano. A concentração da fonte de carbono em que ocorreram as maiores Xmáx (0,75 g.L-1), Pmáx (0,145 g.L-1.d-1) e μmáx (0,254 d-1) foi menor (2,8 g.L-1 NaHCO3) que a dos meios típicos de cultivo de Spirulina. O aumento na concentração de NaHCO3 no meio de cultivo aumentou as perdas de carbono para a atmosfera, que atingiram 38,7 % em meio com NaHCO3 50 g.L-1 . Spirulina LEB-18 cresceu em até 40 % de efluente em substituição ao meio Zarrouk. O efluente foi usado como fonte de carbono para o crescimento da Spirulina com µmáx 0,06 d-1 maior do que o valor obtido no meio Zarrouk. O crescimento usando efluente como fonte de nitrogênio foi idêntico àquele em meio Zarrouk. O teor de proteínas (66,08 %) na biomassa cultivada em efluente como fonte de carbono e nitrogênio foi o maior entre os ensaios realizados.

Microalgae and cyanobacteria had been gaining prominence in issues as food, energy and environmental protection. Spirulina is a cyanobacteria that use CO2 through photosynthesis and its biomass can be used as feed and to biofuel production. Anaerobic digestion of microalgal biomass produces biomethane and the liquid effluent from the bioprocess contains inorganic dissolved carbon, that is the major cost component in biomass production. The aim of this work was to investigate the methane production from Spirulina biomass by anaerobic digestion and the microalgal growth and composition using the effluent from biomethane production. Spirulina was cultured under environmental climate in the Southern of Brazil, the produced biomass was used to biomethane production with increasing concentrations (3.2; 5.4 and 7.2 g.L-1) in the feed of anaerobic reactor. We assessed the effects of increased Spirulina concentration in feed of anaerobic reactor to 20 and 50 g.L-1 and the effects of continuous or intermittent mixing on biomethane production. Once the effluent from biomethane production had carbon concentration (3.8 g.L-1 NaHCO3) lower than the culture medium for Spirulina, we assessed the effect of carbon source concentration (from 2.8 to 100 g.L-1) on microalga growth. Next we assessed the biomass growth and composition in medium with effluent from biomethane production and the potential of effluent to be used as carbon and nitrogen source to the microalga. Spirulina grew under environmental climate of Southern Brazil at 6.63 g.m-2.d-1. Anaerobic digestion of biomass when feed to the anaerobic bioreactor up to 7.2 g.L-1 was carried out between suitable limits (pH 7.15–7.21 and N-NH4 388.27–669.44 mg.L-1) to anaerobic bioprocess, reaching biomass decomposition of 77 %, and biomethane yield from Spirulina (YCH4/Sp) of 0.31 g.g-1 and 77.7 % of CH4 in the gas. Continuous mixing decreased YCH4/Sp in 22.6 % comparing to the intermittent mixing. The feed with 20 and 50 g.L-1 of Spirulina fall YCH4/Sp to 0.17 and 0.02 g.g-1 respectively. Through the anaerobic bioprocess 49.7 % of carbon from produced Spirulina was converted in CH4 and 83.2 % of biomass energy was recovered as biomethane. The carbon concentration that result in better Xmax (0.75 g.L-1), Pmax (0.145 g.L-1.d-1) and μmax (0.254 d -1) were lower than (2.8 g.L-1 NaHCO3) carbon concentration in the medium usual to Spirulina. Increasing the carbon concentration in culture medium increased the loss of carbon to atmosphere, up to 38.7 % in medium with NaHCO3 50 g.L-1 . Spirulina LEB-18 grew in medium with up to 40 % of effluent replacing Zarrouk. The effluent of biomethane production was used as carbon source to the growth of Spirulina LEB-18, with µmax 0.06 d-1 higher than the growth in Zarrouk medium. Growth using nitrogen from effluent was equal to the growth in Zarrouk medium. Protein content (66.08 %) of the biomass grew in effluent as carbon and nitrogen sources was the higher between all composition of medium tested.