Modelagem aplicada ao processo de biofixação de CO2 por microalgas

Abstract

A fixação biológica de dióxido de carbono por microalgas é considerada a melhor forma de fixar CO2. Dentre os microrganismos utilizados destaca-se Spirulina platensis devido às suas altas taxas de fixação de CO2 e variedade de aplicações da biomassa gerada. A aplicação de modelos e simulações pode auxiliar na previsão de custos e na escolha das condições ideais de cultivo. Este trabalho teve como objetivo etsabelecer um modelo cinético no qual a iluminância é o fator limitante para o crescimento da microalga Spirulina platensis. A fim de validar o modelo proposto foi utilizada a microalga S. platensis, cultivada em meio Zarrouk modificado (NaHCO3 1,0 g.L-1 ), em biorreator aberto tipo raceway de 200L, mantido a 30°C, sob iluminação natural. A concentração celular variou de 0,19 a 0,34 g.L-1 e a velocidade específica de crescimento celular obtida a partir da regressão exponencial das curvas de crescimento de cada período iluminado variou de 0,55 a 0,59 d-1 . O modelo proposto gerou dados estimados satisfatórios (r2 =0,97). De acordo com os dados obtidos 16,2% da biomassa é consumida durante o período não iluminado.

The fixation of carbon dioxide by microalgae is considered the best way to fix CO2. Among the microorganisms used Spirulina platensis stands out because of its high rate of CO2 fixation and variety of biomass applications. The application of models and simulations can help to predict costs and choice of ideal growing conditions. This study aimed to establish a kinetic model in which the illuminance is the limiting factor for the growth of Spirulina platensis. In order to validate the proposed model microalga S. platensis was cultivated in modified Zarrouk (NaHCO3 1.0 gL-1 ), in a 200L open raceway type bioreactor, maintained at 30°C under natural lighting. The cell concentration ranged from 0.19 to 0.34 gL-1 and the specific cell growth rate obtained from regression of the exponential growth curves from each illuminated period ranged from 0.55 to 0.59 d-1. The proposed model has generated satisfactory estimated data (r2 = 0.97). According to the data obtained 16.2% of the biomass is consumed during unlighted.

De todos os organismos fotossintéticos, as microalgas são os maiores usuários de CO2 e podem fixar grandes quantidades deste composto. Em sistemas de produção de biomassa algal o requerimento de carbono é usualmente suprido através de CO2, contínua ou intermitentemente. As concentrações relativas das espécies de carbono inorgânico determinam o pH e, em contrapartida, são determinadas pelo pH do meio. Este trabalho teve como objetivo estabelecer uma relação entre a variação da concentração de CO2 e o pH do meio e validar o equacionamento proposto para a transferência de CO2 durante o suprimento deste gás no meio líquido em um processo de biofixação de dióxido de carbono, em biorreator aberto tipo raceway, provido de sistema de injeção de dióxido de carbono. Os experimentos foram conduzidos em biorreator aberto tipo raceway de 200 L, no qual foi empregado um sistema de injeção de gases onde ar enriquecido com 12% no meio a uma vazão específica de 0,05 min-1 . Foi estabelecido um equacionamento para determinar a variação do pH a partir da variação da concentração de CO2 do meio. Os dados obtidos a partir do equacionamento proposto foram satisfatoriamente explicados pelos dados obtidos experimentalmente (r2 =0,90).

In all of the photosynthetic organisms, microalgae are the largest users of CO2 and can fix large amounts of this compound. In systems of algal biomass production the required CO2 is usually supplied using CO2 continuously or intermittently. The relative concentrations of inorganic carbon species determine the pH and, in turn, are determined by the pH. This study aimed to establish a relationship between the change in CO2 concentration and pH of the medium and validate the proposed equation for the transfer of CO2 in the supply of this gas in the liquid medium in a biofixação carbon dioxide biofixation process in open raceway type bioreactor provided with an CO2 injection system. The experiments were conducted in a 200 L open raceway type bioreactor, which a gas injection system was used where air enriched with 12% with a specific flow rate of 0.05 min-1 . An equation was established to determine the change in pH from varying the concentration of CO2 the medium. The data obtained from the equation proposed been satisfactorily explained by the experimentally obtained data (r2 =0.90).

As microalgas consomem, durante seu crescimento, CO2 do meio, sendo a reposição da fonte de carbono feita através da adição de CO2 proveniente de correntes gasosas ou de bicarbonato. Pouca atenção tem sido dada ao fato de que o meio comumente empregado para o crescimento de Spirulina é instável, devido ao fato de possuir uma pressão parcial de CO2 excedendo a de equilíbrio com a atmosfera, causando uma evasão do CO2 do meio para a atmosfera. O objetivo deste trabalho foi estabelecer um equacionamento para a perda de CO2 em biorreatores abertos e aplicar o modelo estabelecido para a variação do pH em função da variação da concentração de CO2 do meio. Os experimentos foram realizados em reatores tipo raceway de 5 L, em estufa termostatizada a 30°C, modificado, onde foram adicionadas diferentes quantidades de NaHCO3 (1; 5; e 16,8 g.L-1 ) na ausência de microrganismos fotossintetizantes. O objetivo deste trabalho foi estabelecer um equacionamento para a perda de CO2 em biorreatores abertos e aplicar o modelo estabelecido para a variação do pH em função da variação da concentração de CO2 do meio. Os valores gerados a partir do modelo foram corroborados pelos dados obtidos experimentalmente nas concentrações de NaHCO3 1 g.L-1 (r2 =0,92), 5 g.L-1 (r2 =0,96) e 16,8 g.L-1 (r2 =0,98) demonstrando que pode ser aplicado a fim de prever a variação na concentração de carbono inorgânico e a variação do pH no meio durante decorrente da perda de CO2.

Microalgae consume, during its growth, CO2 from the medium, being the replacement of the carbon source made by addition of CO2 from a gas streams or bicarbonate. Little attention has been given to the fact that the medium commonly employed for the Spirulina growth is unstable, due to the fact of having a CO2 partial pressure exceeding the equilibrium with the atmosphere, causing an escape of CO2 from the medium to the atmosphere. The objective of this study was to establish an equation for the loss of CO2 in open bioreactors and apply the model established for the change in pH as a function of the CO2 concentration variation in the medium. The experiments were performed in a 5 L raceway type reactors, at 30 °C, in modified Zarrouk medium, which were added different amounts of NaHCO3 (1, 5, and 16.8 gL-1 ) in the absence of photosynthetic microorganisms. The values generated from the model were corroborated by data obtained experimentally in concentrations of NaHCO3 1 gL-1 (r2 =0,92), 5 gL-1 (r2 =0,96) and 16.8 g.L-1 (r2 =0,98) demonstrating that can be applied to predict the change in concentration of inorganic carbon and pH variation in the medium due to the CO2 loss.