Escalonamento do cultivo e da floculação da microalga marinha Nannochloropsis oculata.

Abstract

As microalgas estão atraindo o interesse dos pesquisadores para a produção de alimentos, rações, produtos químicos e biocombustíveis. Nannochloropsis oculata é uma espécie marinha com alta taxa de crescimento, tolera amplas condições ambientais e pode produzir mais de 50% do seu peso seco na forma de lipídios. Atualmente, o cultivo comercial das microalgas é realizado em sistemas abertos pois sistemas fechados têm elevado custo de produção. No entanto, em sistemas abertos não é possível controlar os parâmetros ambientais, o que reduz a sua produtividade. No Capítulo 1 desta Tese, um sistema semifechado foi comparado com sistemas abertos, em escala piloto (1.200 L). O sistema semifechado consistiu em tanques circulares instalados em uma estufa agrícola, o que proporcionou melhores condições para o cultivo de N. oculata, principalmente nas estações de baixa temperatura e alta pluviosidade. No entanto, apesar de ser relativamente fácil cultivar microalgas, a coleta da biomassa é um dos principais gargalos para a sua produção em larga escala, responsável por até 30% do custo total. A floculação é uma tecnologia de baixo custo proposta para a concentração de microalgas. Desta forma, a coleta de N. oculata por floculação também foi estudada. No Capítulo 2 foram analisados vinte e cinco polímeros naturais e sintéticos, de baixo e alto peso molecular e com diferente densidade de carga. Comparando os resultados com Chlorella vulgaris, uma espécie de água doce, observou-se que apenas os polímeros naturais foram eficientes para ambas as espécies, enquanto que os polímeros sintéticos apresentaram baixa eficiência para N. oculata. De uma forma geral, aumentando a densidade de carga dos polímeros resultou no incremento da eficiência. Comparando o custo e a performance, os polímeros naturais apresentaram os melhores resultados. No Capítulo 3, os melhores polímeros sintéticos e naturais foram selecionados e os efeitos de diferentes fatores foram avaliados. De forma geral, a presença de matéria orgânica afetou a eficiência de todos, enquanto que salinidade e pH afetaram os polímeros sintéticos e os naturais, respectivamente. O efeito da dose foi observado apenas nos polímeros sintéticos, onde o aumento resultou na queda da eficiência. Nenhum dos polímeros testados apresentaram toxicidade para N. oculata. No entanto, por não serem afetados pela salinidade, apenas os polímeros naturais foram recomendados para a espécie. No Capítulo 4, foi realizado o escalonamento da floculação de N. oculata utilizando um polímero natural. Não houve diferença entre os resultados dos experimentos em bancada (300 mL) e em escala piloto (250 L). No entanto, apesar do excelente resultado obtidos anteriormente com água sintética, o polímero natural apresentou queda na eficiência quando água natural foi utilizada. Reduzindo a salinidade de 30 para 10, a eficiência do polímero aumentou de 50% para 98%. Os resultados obtidos indicam que o escalonamento do cultivo e da floculação de N. oculata foi atingido. No entanto, estudos futuros devem ser realizados para otimizar a eficiência da floculação de N. oculata utilizando água marinha natural.

Microalgae are attracting the interest of researchers for the production of food, feed, chemicals and biofuels. Nannochloropsis oculata is a marine species with high growth rate, tolerates a broad range of environmental conditions and can accumulate more than 50% of its dry weight as lipid. Currently, the commercial cultivation of microalgae is carried out mainly in open-air systems as enclosed systems have high production costs. However, the environmental parameters are difficult to control in open-air systems, which reduces their productivity. In Chapter 1 of this Thesis, a semi-enclosed system was compared with an open-air system, both at pilot-scale (1,200 L). The semi-enclosed system consisted of circular tanks installed inside a greenhouse, which provided better conditions for the cultivation of N. oculata, especially during the colder and rainy seasons. However, although it is relatively easy to cultivate microalgae, harvesting is one of the major bottlenecks for its large-scale development, representing up to 30% of the total cost. Flocculation is a low-cost technology that has been proposed for harvesting microalgae. Thus, harvesting of N. oculata by flocculation was also studied in this Thesis. In Chapter 2, twenty-five natural and synthetic polymers, of low and high molecular weight, and with different charge density were compared between N. oculata and Chlorella vulgaris, a freshwater species. It was observed that only the natural polymers were efficient for both species, whereas the synthetic polymers presented low efficiency for N. oculata. In general, increasing the charge density of the polymer resulted in increased efficiency. Comparing the cost and performance, natural polymers obtained the best results. In Chapter 3, the best synthetic and natural polymers were selected and the effects of different factors were evaluated. In general, the presence of organic matter affected the efficiency of all polymers, whereas salinity and pH affected synthetic and natural polymers, respectively. The effect of dosage was only observed in synthetic polymers, resulting in efficiency loss when overdosed. None of the tested polymers exhibited toxicity to N. oculata. However, the natural polymers were not affected by salinity and are recommended for further studies. In Chapter 4, N. oculata flocculation was scaled-up using a natural polymer. No difference was observed between bench (300 mL) and pilot scale (250 L) experiments. However, despite the excellent results obtained previously with synthetic water, the natural polymer presented a reduction in efficiency when natural water was employed. Reducing the salinity from 30 to 10 increased polymer efficiency from 50% to 98%. The results from this Thesis indicate that up scaling the cultivation and flocculation of N. oculata was successfully achieved. However, future studies should be performed to optimize the efficiency of N. oculata flocculation using natural seawater.