Produção e purificação de biogás utilizando microalga spirulina sp. LEB-18

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.