Produção de macromoléculas no cultivo de Spirulina e Chlorella com CO2, cinzas e redução da fonte de nitrogênio

Abstract

As mudanças climáticas têm estimulado a busca por alternativas para minimizar os problemas ambientais causados pelo CO2, principal gás do efeito estufa. Nesse sentido, micro-organismos fotossintetizantes como as microalgas se destacam, pois possuem capacidade de utilizar diretamente CO2 para produzir biomoléculas. Além disso, cinzas provenientes da queima do carvão mineral podem ser utilizadas em cultivo microalgal, uma vez que contêm micronutrientes essenciais para o crescimento celular. A adição de CO2, cinzas bem como a redução da fonte de nitrogênio podem alterar a composição da biomassa microalgal e incrementar o acúmulo de compostos de reserva como lipídios, carboidratos e PHB em relação ao conteúdo proteico. Desta forma, o objetivo deste estudo foi estimular a produção de biomoléculas a partir das microalgas Spirulina sp. LEB 18 e Chlorella fusca LEB 111 cultivadas com redução da fonte de nitrogênio e diferentes concentrações e fontes de carbono bem como cinzas oriundas da indústria termelétrica. O trabalho foi dividido em três partes; a primeira e segunda etapas foram realizadas com Spirulina e a terceira com Chlorella fusca utilizando 10 e 50% da concentração de NaNO3 do meio de cultivo, respectivamente. Primeiramente foram testados os tempos de injeção de 1 e 5 min e as vazões de 0,05 e 0,3 vvm (mLmistura. mLmeio-1 . min-1 ) de CO2 a cada 40 min na fase clara do fotoperíodo. Para a segunda etapa foi selecionada a vazão de 0,3 vvm de CO2 injetada a cada 20 min por 1 e 5 min. Nesta etapa foram testadas as concentrações de 0, 120 e 160 ppm de cinzas para verificar o seu potencial para substituir parcialmente os micronutrientes do meio de cultivo. Por fim, o tempo de injeção de 5 min, a vazão de 0,3 vvm injetados a cada 20 min e a adição de 0, 40 e 120 ppm de cinzas foram estudadas para a microalga Chlorella fusca. Ambos experimentos foram conduzidos em biorreatores tubulares, durante 15 d em câmara termostatizada a 30C com iluminância de 41,6 µmolfótons m-2 s -1 e fotoperíodo 12 h claro/escuro. Os parâmetros cinéticos de crescimento, taxa de biofixação de CO2, concentração de carbono inorgânico dissolvido e de nitrogênio foram avaliados ao longo dos ensaios, enquanto que a composição da biomassa (carboidratos, proteínas, lipídios e biopolímero) foram determinadas após o término do cultivo. A utilização de 8,4 g L-1 de NaHCO3 e a adição de 0,3 vvm de CO2 por 5 min para o cultivo de Spirulina proporcionaram a síntese de até 59,1% de carboidratos com produção teórica de bioetanol de 43,1%. Os ensaios com 120 ppm de cinzas apresentaram os melhores parâmetros cinéticos e taxa de biofixação de CO2, independentemente do tempo de injeção de CO2, enquanto que os experimentos com 120 e 160 ppm de cinzas e injeção de CO2 por 1 min apresentaram 63,3 e 61,0% de carboidratos e 46,2 e 44,6 mL de etanol teórico por 100 g de biomassa, respectivamente. Nos cultivos de Chlorella fusca com CO2 e 40 ppm de cinzas foram encontradas as maiores velocidades específicas de crescimento e os menores tempos de geração, sendo estatisticamente (p<0,05) superiores àqueles sem o gás e as cinzas. Neste estudo, observou-se ainda que a redução de 50% da fonte de nitrogênio é uma estratégia para acumular até 35,2% de carboidratos que resulta em 25,5 mL de produção teórica de bioetanol para cada 100g de biomassa. Portanto, a utilização de CO2, cinzas e redução da fonte de nitrogênio representam uma estratégia para minimizar os custos com fontes de nutrientes para o cultivo das microalgas, além da minimização dos problemas ambientais causados por esses efluentes. A utilização destes nutrientes nas condições estudadas permitem o acúmulo de carboidratos que podem ser fermentados para produção de bioetanol.

Climate change has stimulated the search for alternatives to minimize the environmental problems caused by CO2, the main greenhouse gas. In this sense, photosynthetic microorganisms such as microalgae stand out because they have the capacity of using CO2 to produce biomolecules. Moreover, ashes from coal burning can be used in microalgal cultivation, since they have essential micronutrients for cell growth. The addition of CO2, ashes as well as the reduction of the nitrogen source supply can alter the composition of the microalgal biomass and increase the accumulation of reserve compounds such as lipids, carbohydrates and PHB in relation to the protein content. Thus, the objective of this study was to stimulate the production of biomolecules from Spirulina sp. LEB 18 and Chlorella fusca LEB 111 cultivated with reduction of nitrogen source and different concentrations and sources of carbon as well as ash from the thermoelectric industry. The work was divided into three parts; the first and second steps were performed with Spirulina and the third with Chlorella fusca using 10 and 50% of the NaNO3 concentration in the culture medium, respectively. First, the injection times of 1 and 5 min and the flow rates of 0.05 and 0.3 vvm (mLmixture. mLmedium-1 . min-1 ) of CO2 were tested every 40 min in the lightening phase of the photoperiod. For the second stage, the flow rate of 0.3 vvm CO2 was selected and injected every 20 min for 1 and 5 min. At this stage, the concentrations of 0, 120 and 160 ppm of ashes were tested to verify their potential to partially replace the micronutrients of the culture medium. Finally, the injection time of 5 min, the flow rate of 0.3 vvm injected every 20 min and the addition of 0, 40 and 120 ppm of ash were studied for the Chlorella fusca microalgae. All experiments were conducted in tubular bioreactors for 15 days in a thermostated chamber at 30 °C with illuminance of 41.6 µmolphotons m-2 s -1 and 12 h light/dark photoperiod. The kinetic growth parameters, CO2 biofixation rate, dissolved inorganic carbon and nitrogen concentration were evaluated during the experiments, while the biomass composition (carbohydrates, proteins, lipids and biopolymer) was determined after the end of the cultivation. The use of 8.4 g L-1 of NaHCO3 and the addition of 0.3 vvm of CO2 for 5 min for Spirulina cultivation provided the synthesis of up to 59.1% (w w-1 ) of carbohydrate with theoretical bioethanol yield of 43.1%. The assays with 120 ppm of ash presented the best kinetic parameters and CO2 biofixation rate, regardless of CO2 injection time, while the experiments with 120 and 160 ppm of ash and CO2 injection for 1 min presented 63.3 and 61.0% carbohydrate and 46.2 and 44.6 ml theoretical ethanol yield for each 100 g of biomass, respectively. In the experiments of Chlorella fusca with CO2 and 40 ppm of ash were found the highest specific growth rates and the shortest generation times, being statistically (p <0.05) higher than those without CO2 and ashes. In this study, it was observed that the reduction of 50% of the nitrogen source is a strategy to accumulate up to 35.2% of carbohydrates that result in 25.5 mL of theoretical production yield of bioethanol for each 100 g of biomass. Therefore, the use of CO2, ash and the reduction of nitrogen source supply represent a strategy to minimize costs with nutrient sources for microalgae cultivation, as well as to minimize the environmental problems caused by these effluents. The use of these nutrients under the studied conditions allows the accumulation of carbohydrates that can be fermented for the production of bioethanol.