Cultivo de microalgas utilizando efluentes da indústria bioenergética e avaliação da conversão em biodiesel

Abstract

As microalgas são um grupo de micro-organismos unicelulares ou multicelulares, fotossintéticos que tem capacidade, em sua maioria, de utilizar fontes de carbono orgânica e inorgânica para seu desenvolvimento. A biomassa microalgal vem sendo proposta como matéria-prima para a produção de energia e outros produtos devido a alta produtividade, possibilidade de utilizar águas residuais e o fato de não serem necessárias terras férteis para o cultivo. Além de sintetizar e armazenar lipídios em forma de triacilgliceróis para produção de biodiesel, elas podem utilizar efluentes tanto líquidos quanto gasosos proveniente da produção e aplicação deste biocombustível como nutriente para seu desenvolvimento. O trabalho teve como objetivo cultivar microalgas utilizando efluentes líquido (glicerol) e gasoso (CO2) da indústria bioenergética e avaliar a capacidade de conversão em biodiesel da biomassa obtida. O trabalho foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa foi realizado o cultivo mixotrófico das microalgas Spirulina sp LEB18, Chlorella fusca LEB 111 e Scenedesmus actus LEB 116 em biorreatores tubulares de 1,8 L de volume útil em estufa termostatizada a 30 °C e 43,2 µmol m-2 s-1 de iluminância. Foram utilizados nos experimentos o meio de cultivo padrão de cada microalga complementado com glicerina P.A 0,01 mol.L-1 em batelada e batelada alimentada. Foram avaliados o desenvolvimento das microalgas nos diferentes modos de cultivo com substrato glicerol, rendimento de biodiesel e quantificados os ésteres metílicos de ácidos graxos (FAMEs). As microalgas não tiveram suas produtividades afetadas pelos modos de cultivo. Dentre as cepas estudadas, Spirulina sp LEB 18 obteve o máximo rendimento em biodiesel (51,5%) no experimento em batelada, com percentual lipídico de 24,1%. De acordo com a composição de FAMEs, o óleo produzido também nesta condição, seria o mais estável com 58,3% de ésteres saturados e 29,9% insaturados. As microalgas estudadas apresentaram composição de ácidos graxos semelhantes a de óleos produzidos a partir de vegetais superiores (C16 e C18) e presença do ácido oleíco (18:1), indicador de qualidade do biodiesel. Na segunda etapa, foi realizado o cultivo da microalga Spirulina sp LEB 18 utilizando 10% (v/v) CO2 como fonte de carbono e com redução da fonte de nitrogênio. O cultivo foi realizado em escala piloto em fotobiorreator tubular horizontal equipado com air lift de 150 L de volume útil em estufa termostatizada a 30º C e 43,2 µmol m-2 s-1 de iluminância. Foram avaliadas a capacidade de biofixação de CO2 e desenvolvimento da microalga além da composição da biomassa em lipídios, carboidratos e proteínas. Foi obtido o rendimento teórico de biodiesel através da transesterificação in situ e convencional além da avaliação qualitativa do óleo a ser obtido pela microalga através da composição de ésteres metílicos. Spirulina apresentou em sua composição proteínas (47,3%), carboidratos (13,4%) e lipídios (32,7%). Os lipídios avaliados quanto à produção de biodiesel apresentaram rendimento teórico de 19,8% para transesterificação in situ e 47,9% para transesterificação convencional destacando a importância da avaliação das condições de extração do óleo microalgal. A microalga teve capacidade de biofixar 160 mg.L.d-1 de CO2 gerando biomassa a uma produtividade máxima de 0,02 g.L.d-1. Os biocompostos produzidos possuem aplicabilidade nas indústrias alimentícia farmacêutica e energética. Os resultados obtidos no trabalho reforçam a ideia da aplicação do conceito de fotobiorrefinaria para o aproveitamento de todos os compostos da microalga viabilizando a produção de bioprodutos, em especial, biocombustíveis, tornando o processo ainda mais sustentável. O consumo de CO2 e glicerol como fonte nutricional além de reduzir os custos do processo fecham um ciclo dentro do conceito de biorrefinaria microalgal, podendo consumir o eflluente produzido através da produção e aplicação de biocombustíveis. A biomassa microalgal possui potencial para produção de biodiesel que pode ser aplicado em substituição ou em mistura com diesel tradicional.

Microalgae are a group of unicellular or multicelular, photosynthetic microorganisms with capacity, in most cases, to use organic and inorganic carbono sources for its development. Microalgal biomass has been proposed as a raw material for energy and other products production due to high productivity and flexibility of cultivation. Microalgae are capable to use waste water and theres not necessary fertile land for cultivation. In addition to synthesize and store lipids in the form of triglycerides to biodiesel production, they can use both liquid and gas biofuel production and application waste for its development. The aim was to cultivate microalgae with liquid (glycerol) and gas (CO2) efluente of bioenergetic industry and evaluate obtain biomass biodiesel conversion capacity. The work was divided into two stages. In the first step was performed mixotrophic cultivation of Spirulina sp LEB 18, Chlorella fusca LEB 111 and Scenedesmus actus 116 LEB microalgae strains in tubular photobioreactor (1,8 L) at 30° C and 43.2 µmol m -2 s -1 illuminance. Were used in the experiments standard culture médium for each microalga supplemented with purê glycerine 0.01 mol L-1 in batch and fed-batch cultures. We assessed the development of microalgae in different modes of cultivation with substrate glycerol, biodiesel yield and quantified the fatty acid methyl esters (FAMEs). Microalgae havent had their productivity affected by cultivation modes. Among the strains studied, Spirulina sp LEB 18 had a higher yield of biodiesel (51.5%) in bach cultivation, with lipid percentage of 24.1%. According to FAMEs composition, the oil, also produced in this condition, would be the more stable with 58.3% of saturated FAMEs and 29.9% unsaturated. Microalgae showed fatty acid composition similar to oils produced from higher plants (C16 and C18) and the presence of oleic acid (18: 1), an indicator of quality biodiesel. In the second step was performed cultivating Spirulina sp LEB 18 using 10% (v/v) CO2 as the carbon source and nitrogen source reduction. Cultivation was carried out on a pilot scale in horizontal tubular photobioreactor equipped with air lift, 150 L working volume at 30 ° C and 43.2 µmol m-2 s-1 illuminance. Were evaluated biofixation capacity of CO2 and development of microalgae beyond the composition of biomass into lipids, carbohydrates and proteins. Was obtained theoretical yield of biodiesel by in situ and conventional transesterification, and qualitative evaluation of oil was made by using the composition of FAME. Spirulina composition presented macronutrients: protein (47.3%). carbohydrates (13.4%) and lipids (32.7%). Lipids evaluated for biodiesel production presented theoretical yield of 19.8% for transesterification in situ and 47.9% for conventional highlighting the importance of evaluating the extraction conditions of microalgal oil. The microalgae had biofixation capacity of 160 mgCO2.Ld-1 generating biomass to a maximum throughput of 0.02 g.Ld-1. Produced biocompounds have applicability in the pharmaceutical, food and energy industries. The obtained results reinforce the application of the photobiorrefinary concept to take advantage of all of microalgae compounds enabling the production of bioproducts, in particular biofuels, making it a even more sustainable process. The consumption of CO2 and glycerol as nutritional sources, reduce costs and closing a cycle within the concept of microalgal biorefinery, may consume the waste produced by the production and application of biofuels. The microalgal biomass has potential for biodiesel production that can be applied in place of or in combination with traditional diesel fuel.