Dinâmica do fósforo em cultivo heterotrófico e produção de compostos celulares por cianobactéria integrado a biorrefinarias agroindustriais

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.