biodiesel de microalgas cultivadas em dejeto suíno biodigerido

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN

DHYOGO MILO TAHER

BIODIESEL DE MICROALGAS CULTIVADAS EM DEJETO SUNO

BIODIGERIDO

CURITIBA

2013

DHYOGO MILO TAHER


BIODIGERIDO

Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre em Engenharia e Cincia dos Materiais, Setor de Tecnologia, da Universidade Federal do Paran.

Orientador: Prof. Dr. Andr Bellin Mariano

CURITIBA

2013

FICHA CATALOGRFICA

TERMO DE APROVAO

DHYOGO MILO TAHER


BIODIGERIDO

Dissertao aprovada como requisito parcial para obteno do grau de Mestre

no Curso de Ps-graduao em Engenharia e Cincia dos Materiais, Setor de

Tecnologia, Universidade Federal do Paran, pela seguinte banca

examinadora:

________________________________

Prof. Dr. Andr Bellin Mariano

Orientador NPDEAS, UFPR

________________________________

Prof. Dra. Marilda Munaro

Departamento de Engenharia e Cincia dos Materiais, UFPR

________________________________

Prof. Dr. Pedro Augusto Arroyo

Departamento de Engenharia Qumica, UEM

Curitiba, 23 de agosto de 2013.

A todos aqueles que enxergam na natureza e meio-ambiente o verdadeiro motivo pelo

qual estamos aqui

AGRADECIMENTOS

Aps 108 pginas arduamente escritas nesse trabalho, essa com

certeza a seo mais difcil de se redigir.

Agradeo a Deus por ter tornado esse momento possvel. Por ter chego,

at ento, ao pice da minha carreira.

minha me, amiga, parceira e conselheira de todas as horas, e meu

pai (mesmo estando no cu), por terem a muito custo me dado a base

necessria para atingir mais esse objetivo.

Ao meu amigo, professor e orientador Dr. Andr Bellin Mariano, pelo

companheirismo, apoio, suporte, orientao e injeo de nimo necessrios.

Dbora Andreatta da Silva, que foi crucial em seus palpites,

formataes e auxlio na reta final. Sem voc esse trabalho no teria

acontecido.

Aos meus amigos e colegas do NPDEAS, que de alguma forma tenham

contribudo com esse trabalho, em especial Diego de Oliveira Corra, Bruno

Miyawaki e Beatriz Santos.

Por fim, agradeo aos porquinhos por produzirem grandes quantidades

de dejeto rico em nutrientes e s microalgas, por no serem to exigentes e

usarem esse resduo para sua prpria nutrio e crescimento.

O que conta Na vida (sabedoria)

Que o contrrio se prove sem qualquer teoria

Tirar dez Naquela prova dos nove

(autor desconhecido)

RESUMO

Estudos atuais mostram o grande potencial da utilizao de microalgas para a produo de biodiesel e gerao de energia devido ao seu rpido crescimento, produtividade e alto teor de lipdeos. O aprimoramento dos processos de produo e a diminuio de custos so os principais desafios a serem superados no desenvolvimento dessa tecnologia. Como o meio de cultivo corresponde a 75% do custo de produo da biomassa, o presente trabalho teve o objetivo de avaliar a utilizao de dejeto proveniente de suinocultura como alternativa ao meio de cultivo sinttico no cultivo de microalgas. O efluente suno rico em fsforo e nitrognio e se configura como grave problema ambiental se descartado incorretamente. Com base nesses dados, props-se trs diluies do dejeto em gua (5%, 10% e 30%). Os melhores resultados foram obtidos em cultivo em reator airlift na diluio de 10%, com concentrao final de clulas igual a 5199 458 x104 cl.mL-1 e produo efetiva de biomassa de 1,44 0,04 g.L-1. Esses resultados so 70% e 40% superiores quando comparados ao meio de cultivo sinttico usado como controle. Aps a recuperao da biomassa, o leo foi extrado e o biodiesel sintetizado por esterificao enzimtica. O perfil lipdico dos cidos graxos presentes no leo consistiu em 29,12% saturados, 49,08% monoinsaturados e 20,5% poli-insaturados. A produo de leo em 15 dias de cultivo com efluente suno correspondeu a 360 mg.L-1, sendo 46% superior ao cultivo controle. A converso do leo em biodiesel consistiu em 98,73% em 12 horas. Alm disso, avaliou-se a capacidade de remoo de nutrientes do efluente pelas microalgas e alcanou-se uma diminuio mdia de 94,5% de nitrognio amoniacal, nitrognio orgnico e nitrognio total. Os resultados puderam comprovar a eficincia da utilizao de resduo suno como meio de cultivo e fonte de nutrientes para as microalgas, a viabilidade da produo do biodiesel e a consequente biorremediao desse dejeto, demonstrando o potencial que o cultivo de microalgas apresenta em relao a produo de biocombustveis e adequao ambiental de efluentes.

Palavras chaves: biodiesel, microalga, dejeto suno, biorremediao.

ABSTRACT

Current studies show the great potential of using microalgae for biodiesel production and energy generation due to its simple structure, fast growth and high lipid content. The improvement of production processes and the reduction of the costs are the main challenges to be overcome in the development of this technology. As the culture medium corresponds to 75% of the production cost of biomass, this study aimed to evaluate the use of manure from swine as an alternative to synthetic culture medium in the cultivation of microalgae. The swine wastewater is rich in phosphorous and nitrogen and is configured as a serious environmental problem if discarded improperly. Based on these data, it was proposed three dilutions of manure in water (5%, 10% and 30%). The best results were obtained in airlift reactor cultivation at the dilution of 10%, with cell growth of 5199 458 x104 cl.mL-1 and effective biomass gain of 1.44 0.04 g.L-1. These results are 70% and 40% higher when compared to the control medium. The lipid profile of the fatty acids present in the oil consisted of 29.12% saturated, 49.08% monounsaturated and 20.5% polyunsaturated. Oil production in 15 days of culture with swine wastewater corresponded to 360 mg.L-1, 46% higher than the control cultive. The conversion of oil to biodiesel consisted of 98.73% in 12 hours. Furthermore, it was evaluated the capacity of microalgae to remove nutrients from wastewater and it was reached an average decrease of 94.5% of ammoniacal nitrogen, organic nitrogen and total nitrogen. The results could prove the efficiency of the use of pig waste as culture medium and nutrient source for microalgae, the viability of biodiesel production and the consequent bioremediation of this manure, demonstrating the potential that the cultivation of microalgae shows in the production of biofuels and the environmental suitability of effluents.

Keywords: biodiesel, microalgae, swine manure, bioremediation.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 01 REPRESENTAO DE TRABALHOS LEVANTADOS NA BASE

ISI DE ARTIGOS RELACIONANDO Scenedesmus COM

PALAVRAS-CHAVE DE INTERESSE ...................................... 27

FIGURA 02 TRS PRINCIPAIS SISTEMAS ABERTOS DE PRODUO DE

MICROALGAS. (A) LAGOAS TIPO PISTA, (B) LAGOA TIPO

CIRCULAR, (C) TANQUE ABERTO ......................................... 39

FIGURA 03 DIFERENTES CONFIGURAES DE FOTOBIORREATORES

TUBULARES. (A) PROTTIPO MINI-FOTOBIORREATOR, (B)

REATOR TIPO AIRLIFT, (C) FOTOBIORREATOR DE 10 m .. 41

FIGURA 04 FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES REALIZADAS NO NPDEAS

.................................................................................................. 42

FIGURA 05 FOTOBIORREATOR DE 10 m SITUADO NO NPDEAS. (A)

FOTOBIORREATOR, (B) BOMBA DE CIRCULAO E

COLUNA DE TROCAS GASOSAS, (C) VISO DETALHADA

DOS RAMAIS ............................................................................ 43

FIGURA 06 FLUXOGRAMA DAS METAS E ESTRATGIAS DE TRABALHO

.................................................................................................. 47

FIGURA 07 SALA DE CULTIVO. (A) VISO GERAL DA SALA, (B)

MICROGRAFIA DA MICROALGA Scenedesmus sp. COM

AUMENTO DE 400X ................................................................. 48

FIGURA 08 BIODIGESTOR DE ONDE FOI COLETADO O EFLUENTE

SUNO (CASTRO PR). (A) BIODIGESTOR TIPO LAGOA

COBERTA, (B) EFLUENTE BIODIGERIDO COLETADO EM

LAGOA DE ESTABILIZAO ................................................... 49

FIGURA 09 DISPOSIO DOS CULTIVOS EM ESCALA LABORATORIAL

.................................................................................................. 51

FIGURA 10 CULTIVOS EM REATORES TIPO AIRLIFT.............................. 52

FIGURA 11 CURVA TPICA DE CRESCIMENTO CELULAR. (1) FASE LAG,

(2) FASE DE CRESCIMENTO EXPONENCIAL, (3) FASE DE

CRESCIMENTO LINEAR, (4) FASE ESTACIONRIA, (5) FASE

DE DECLNIO ........................................................................... 53

FIGURA 12 SISTEMA DE FILTRAO ....................................................... 55

FIGURA 13 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE EXTRAO A FRIO DE

LIPIDEOS PARA DETERMINAO ANALTICA ...................... 58

FIGURA 14 PROCESSO DE FLOCULAO QUMICA. (A) ANTES, (B)

ADIO DE CLORETO FRRICO HEPTAHIDRATADO E

AGITAO, (C) MICROALGAS FLOCULADAS ....................... 59

FIGURA 15 REPRESENTAO NORMAL SIMETRICA ............................. 63

FIGURA 16 EFLUENTE SUNO APS O PROCESSO DE ESTERILIZAO

.................................................................................................. 65

FIGURA 17 RESULTADOS DAS ANLISES DE DENSIDADE CELULAR

DOS CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM

DEJETO SUNO EM DIFERENTES DILUIES. (A) 5%, (B)

10%, (C) 30%. ........................................................................... 66

FIGURA 18 RESULTADOS DAS ANLISES DE BIOMASSA SECA DOS

CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM


10%, (C) 30%. ........................................................................... 67

FIGURA 19 RESULTADOS DAS ANLISES ESPECTROFOTOMETRICAS

DOS CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM


10%, (C) 30%. ........................................................................... 69

FIGURA 20 RESULTADOS DAS ANLISES DE pH DOS CULTIVOS

CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM DEJETO SUNO

EM DIFERENTES DILUIES. (A) 5%, (B) 10%, (C) 30%. ..... 71

FIGURA 21 ATIVIDADES E EXPERIMENTOS EM ESCALA

LABORATORIAL ....................................................................... 72

FIGURA 22 RESULTADOS DOS CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E

COM DEJETO SUNO DILUIDO A 10% REALIZADOS EM

REATOR AIRLIFT. (A) DENSIDADE CELULAR, (B) BIOMASSA

SECA, (C) ABSORBANCIA EM 540 nm, (D) pH. ...................... 74

FIGURA 23 ASPECTO DO LEO DURANTE A EXTRAO DE MATERIAL

APOLAR A PARTIR DOS CULTIVOS REALIZADOS COM

DEJETO SUNO EM REATOR AIRLIFT (LIPIDEOS +

SOLVENTES) ........................................................................... 76

FIGURA 24 CONVERSO DO LEO DE MICROALGAS A BIODIESEL POR

ESTERIFICAO ENZIMTICA ............................................... 82

FIGURA 25 ATIVIDADES E EXPERIMENTOS EM REATOR AIRLIFT ....... 85

LISTA DE TABELAS

TABELA 01 TRABALHOS REALIZADOS COM A MICROALGA

Scenedesmus sp. (1996 2013) .............................................. 26

TABELA 02 MATRIAS-PRIMAS USADAS PARA A PRODUO DO

BIODIESEL NO BRASIL DE 2008 A 2012 (VALORES

EXPRESSOS EM m) ............................................................... 29

TABELA 03 COMPARATIVO DE PREOS ENTRE O DIESEL FSSIL E

BIODIESEL DE 2008 A 2012 (R$/m) ....................................... 30

TABELA 04 RENDIMENTO ANUAL DE LEO PARA PLANTAS

OLEAGINOSAS UTILIZADAS NA PRODUO DO BIODIESEL

.................................................................................................. 32

TABELA 05 EFETIVO SUNO NO BRASIL (1990 2009) ........................... 33

TABELA 06 COMPOSIO MDIA DE RESDUO SUNO BIODIGERIDO . 34

TABELA 07 PRODUO DE DEJETO POR DIFERENTES CATEGORIAS

DE SUNOS .............................................................................. 35

TABELA 08 COMPOSIO QUMICA DO MEIO CHU MODIFICADO ........ 38

TABELA 09 PRINCIPAIS PRODUES CIENTFICAS DESENVOLVIDAS

PELO NPDEAS DE 2008 A 2013 .............................................. 44

TABELA 10 PROPORES DE NITROGNIO E FSFORO INICIAIS DOS

CULTIVOS COM RESDUO SUNO ......................................... 50

TABELA 11 CORRELAO DA DENSIDADE CELULAR E BIOMASSA

SECA DOS CULTIVOS EM ESCALA LABORATORIAL ........... 70

TABELA 12 CORRELAO DA DENSIDADE CELULAR E BIOMASSA

SECA DOS CULTIVOS EM REATORES AIRLIFT ................... 74

TABELA 13 RENDIMENTOS DE PRODUTIVIDADE DE LIPDEOS NOS

CULTIVOS EM REATORES AIRLIFT ....................................... 77

TABELA 14 TEOR LIPIDICO EM DIFERENTES ESPCIES DE

MICROALGAS .......................................................................... 77

TABELA 15 COMPOSIO DE CIDOS GRAXOS DE MICROALGAS DO

GNERO Scenedesmus ........................................................... 78

TABELA 16 COMPARAO DA COMPOSIO DE CIDOS GRAXOS DAS

MICROALGAS E DA SOJA, CANOLA E PALMA ..................... 80

TABELA 17 REMOO DE NUTRIENTES DO RESDUO SUNO APS A

SEPARAO DA BIOMASSA DE MICROALGAS ................... 83

TABELA 18 REMOO DE NITROGNIO AMONIACAL DE DIFERENTES

TRABALHOS ............................................................................ 83

LISTA DE SIGLAS

ABIOVE Associao Brasileira das Indstrias de leos

Vegetais

BHT Butilhidroxitolueno

CEPPA Centro de Pesquisa e Processamento de Alimentos

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

DBO Demanda Bioqumica de Oxignio

DQO Demanda Qumica de Oxignio

EMPRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica

KOH Hidrxido de potssio

NPDEAS Ncleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia

Autossustentvel

PVC Poli Cloreto de vinila

TECPAR Instituto de Tecnologia do Paran

LISTA DE ABREVIATURAS

cl Clulas

g Grama

pg Picograma

ha Hectare

Kg Quilograma

L Litro

m Metros cbicos

mg Miligrama

Mha Mega hectare

mm Milmetros

min Minutos

mL Mililitros

N Nitrognio

nm Nanmetros

P Fsforo

rpm Rotao por minuto

U Unidade de atividade enzimtica

W Watts

C Graus Celsius

p Teste T de Student

LISTA DE SMBOLOS

% Porcentagem

R$ Real

Delta

SUMRIO

1 INTRODUO ............................................................................................ 19

1.1 ORGANIZAO DO DOCUMENTO ........................................................ 20

2 REVISO BIBLIOGRFICA ....................................................................... 22

2.1 MICROALGAS ......................................................................................... 22

2.1.1 Chlorella sp. .......................................................................................... 23

2.1.2 Spirulina sp. ........................................................................................... 24

2.1.3 Dunaliella salina .................................................................................... 24

2.1.4 Haematococcus pluvialis ....................................................................... 25

2.1.5 Scenedesmus sp. .................................................................................. 25

2.2 BIODIESEL .............................................................................................. 27

2.2.1 Biodiesel de microalgas......................................................................... 30

2.3 DEJETO SUNO ....................................................................................... 32

2.4 FORMAS DE PRODUO DE MICROALGAS ........................................ 37

2.4.1 Sistemas abertos ................................................................................... 38

2.4.2 Sistemas fechados ................................................................................ 39

2.5 CULTIVO DE MICROALGAS NO NPDEAS ............................................. 41

3 DESAFIOS E OBJETIVOS ......................................................................... 45

3.1 OBJETIVO GERAL .................................................................................. 45

3.1.1 Metas..................................................................................................... 45

4 MATERIAIS E MTODOS .......................................................................... 48

4.1 SELEO DAS MICROALGAS ............................................................... 48

4.2 COLETA E MANUTENO DO EFLUENTE SUNO BIODIGERIDO ...... 49

4.3 MEIO DE CULTIVO E CONDIES DE CULTIVO ................................. 49

4.4 AVALIAO DO CULTIVO ...................................................................... 52

4.4.1 Determinao da densidade celular ...................................................... 52

4.4.2 Determinao da absorbncia ............................................................... 53

4.4.3 Determinao de biomassa seca .......................................................... 54

4.4.4 Determinao de lipdeo totais .............................................................. 56

4.4.5 Determinao do pH dos cultivos .......................................................... 58

4.5 RECUPERAO DA BIOMASSA ............................................................ 59

4.6 EXTRAO E ANLISE DE PERFIL LIPDICO DO LEO DE

MICROALGAS ......................................................................................... 60

4.7 SNTESE DO BIODIESEL ....................................................................... 60

4.8 ANLISE DA BIORREMEDIO DO RESDUO SUNO ......................... 62

4.9 ANLISE ESTATSTICA .......................................................................... 62

5 RESULTADOS E DISCUSSO .................................................................. 64

5.1 VERIFICAO DA MELHOR CONDIO DE DILUIO DO EFLUENTE

SUNO PARA CULTIVO DAS MICROALGAS ......................................... 64

5.2 CULTIVO EM REATOR AIRLIFT ............................................................. 72

5.2.1 Quantificao de lipdeos totais e sntese do biodiesel ......................... 76

5.2.2 Biorremediao do efluente suno ......................................................... 82

6 CONCLUSO ............................................................................................. 86

6.1 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................... 87

REFERNCIAS .............................................................................................. 88

ANEXOS ....................................................................................................... 103

19

1 INTRODUO

A demanda energtica nos dias atuais aumentou exponencialmente e o

desenvolvimento de combustveis alternativos e renovveis consiste em uma

importante tarefa. O desenvolvimento tecnolgico requer que as matrizes

fornecedoras de energia sejam cada vez mais eficientes e numerosas. As

fontes convencionais e fsseis de energia, apesar de abundantes, no so

renovveis e sua queima acarreta problemas ambientais, como o aquecimento

global e a chuva cida. A pesquisa de energias renovveis e com menores

ndices de poluio ganha destaque e se mostra fundamental para o futuro.

Nesse contexto, uma alternativa promissora consiste na utilizao de

microalgas como matria-prima para obteno de leo e produo de biodiesel

a fim de atender a demanda de combustvel e gerao de energia para outros

fins especficos.

Apesar de apresentar vantagens, como a no competio com

alimentos e reas agriculturveis (podendo ser cultivadas em vrios locais), o

cultivo de microalgas para biocombustveis apresenta-se hoje como tecnologia

cara e sem capacidade de competir com fontes tradicionais de leo como, por

exemplo, as espcies vegetais oleaginosas. Dessa forma, aprimorar os

processos envolvidos na produo de biomassa de microalgas de forma vivel

um importante passo para se atingir certa autonomia energtica no

dependente do petrleo. Os principais desafios apresentados por essa

tecnologia so: o aprimoramento dos processos de cultivo e de isolamento do

leo e a relao custo/produtividade dos meios de cultivo necessrios para

produo da biomassa.

Tradicionalmente as microalgas tm sido empregadas na gerao de

alimentos para a aquicultura, na produo de alevinos e na cultura do camaro.

Alm disso, devido sua capacidade de assimilar nutrientes presentes na

gua, as microalgas podem ser utilizadas na biorremediao e tratamento de

guas contaminadas. De acordo com Abdel-Raouf, Al-Homaidan e Ibraheem

(2012), o uso de culturas de microalgas para o tratamento de guas residuais

de alta carga orgnica iniciou-se h 75 anos inicialmente com os gneros

20

Chlorella e Dunaliella. Esse biotratamento interessante devido converso

da energia solar em biomassa e incorporao de nutrientes como o nitrognio

e o fsforo, que poderiam ocasionar o fenmeno da eutrofizao de corpos

hdricos (de la NOE e de PAUW, 1988).

Pensando sustentavelmente, os resduos originrios da criao de

porcos podem se mostrar como alternativa para o barateamento e simplificao

dos meios de cultivo das microalgas. Tais resduos so ricos em nitrognio e

fosfato e so hoje dispensados em sua maior parte de forma incorreta,

colocando em perigo a integridade ambiental e at mesmo a sade dos seres

vivos. Alm de agregar valor cadeia produtiva de protena animal, prope-se

um ganho de produtividade microalgal (e de produo de biodiesel) e uma

alternativa a um problema ambiental atual.

Neste contexto, o presente trabalho motivou-se pelo desenvolvimento

de um meio de cultivo alternativo baseado em resduos sunos biodigeridos,

como alternativa aos meios de cultivos sintticos. Desta forma, com a

substituio dos nutrientes qumicos, props-se a reduo do custo de

produo de biomassa com a avaliao concomitante da produtividade dos

cultivos. O resultado do melhor processo desenvolvido foi submetido extrao

de leo e converso biodiesel. Como contrapartida, desenvolveu-se no

processo um sistema para fixao de nutrientes e gerao de gua

ambientalmente adequada ao descarte.

1.1 ORGANIZAO DO DOCUMENTO

Esse documento encontra-se dividido em 6 sees. A primeira seo

apresentou a introduo e a organizao do documento. A segunda seo

apresenta uma reviso bibliogrfica acerca dos assuntos abordados nessa

dissertao: microalgas, suas utilizaes e espcies; o biodiesel, sua utilizao,

produo, panorama no Brasil e suas perspectivas; o dejeto proveniente da

suinocultura, potencial problema ambiental e sugesto de reaproveitamento

como meio de cultivo; formas de produo de microalgas e produo de

21

microalgas no Ncleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia

Autossustentvel (NPDEAS) da Universidade Federal do Paran. Na terceira

seo demonstra-se os objetivos propostos e metas traadas para se alcan-

los. A quarta seo consiste das metodologias e materiais utilizados nesse

trabalho para se obter os resultados, que esto apresentados e discutidos na

quinta seo. Por fim, a quinta parte desse documento apresenta a concluso a

que se permite chegar atravs desse trabalho e recomendaes para trabalhos

futuros. Nos anexos so apresentados os laudos das anlises realizadas de

perfil lipdico e teores de nutrientes.

22

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 MICROALGAS

Microalgas so micro-organismos autotrficos presentes em sistemas

aquticos. Apresentam grande diversidade de formas, caractersticas e funes

ecolgicas e podem tambm ser economicamente exploradas em diversos

campos (CAMPOS, BARBARINO e LOURENO, 2010). A partir de 1950 as

microalgas comearam a ser utilizadas como fonte de alimento e de

substncias biologicamente ativas (AZEREDO, 2012). Em 1960 iniciou-se seu

uso em escalas comerciais com o gnero Chlorella e a partir de 1970 as

microalgas foram destinadas aquicultura e outros fins biotecnolgicos

(SPOLAORE et al., 2006).

Na alimentao, animal e humana, as microalgas representam uma

fonte suplementar de protenas, carboidratos, cidos graxos, pigmentos

naturais (como os carotenoides), vitaminas, entre outras substncias capazes

de enriquecer o valor nutricional dos alimentos e produzir efeitos benficos

sade como: melhoria da resposta imune, fertilidade e controle do peso

(SPOLAORE et al., 2006; DERNER et al., 2006). Alm disso, apresentam

atividades probiticas e imunomodulatrias, respostas de melhora na sade e

aparncia externa dos animais (SPOLAORE et al., 2006).

Algumas espcies podem ser utilizadas para obteno de compostos

de interesse, como por exemplo, cidos graxos, cidos aminados e pigmentos,

para indstrias de alimentos, farmacutica e qumica (DERNER et al., 2006;

CAMPOS, BARBARINO e LOURENO, 2010). Os extratos microalgais

tambm podem ser encontrados em produtos para a pele (cremes anti-idades,

regenerativos ou refrescantes) (SPOLAORE et al., 2006).

A composio bioqumica das microalgas, concentrao total de

protenas, lipdeos e carboidratos, podem variar com as espcies e com as

condies de cultivo, como a intensidade da luz, temperatura, nutrientes,

agitao, pH e fase de crescimento (BROWN et al., 1997; MIAO e WU, 2004).

23

O interesse no uso de microalgas para obteno de biocombustveis

vem crescendo recentemente (CHISTI, 2007). Os biocombustveis que podem

ser obtidos de microalgas so: o biogs a, partir da biodigesto anaerbia da

biomassa microalgal; o biodiesel, a partir do leo da microalga e o bio-

hidrognio gasoso produzido fotobiologicamente.

O cultivo desses micro-organismos apresenta vrias caractersticas

interessantes quando comparado cultura dos vegetais superiores, uma vez

que possuem maior eficincia fotossinttica e podem ser cultivadas em

condies que seriam adversas a culturas convencionais (regies desrticas;

guas degradadas, salinas ou salobras, entre outras) (BENEMANN, 1997).

Alm disso, so eficientes na fixao de CO2 (dixido de carbono) e possuem

produtividade maior em biomassa seca quando comparada com espcies

vegetais (TEIXEIRA e MORALES, 2006).

Ao final do processo de extrao do leo das microalgas para a

produo de biodiesel, a biomassa residual pode ainda ser utilizada na

produo de bioetanol, metano ou biofertilizantes devido sua alta relao

nitrognio/fsforo ou, ainda, pode ser simplesmente queimada para gerao de

energia em sistemas de cogerao (SINGH e GU, 2010; MATA, MARTINS e

CAETANO, 2010).

As espcies de microalgas mais cultivadas nos dias atuais no mundo

so: Chlorela sp. e Spirulina sp., utilizadas principalmente para a

suplementao alimentar; Dunaliela salina, fonte de caroteno e Haematococus

pluvialis, para produo e processamento de astaxantina (AZEREDO, 2012).

2.1.1 Chlorella sp.

A microalga Chlorella sp. considerada boa fonte de protenas devido

fcil assimilao dos aminocidos presentes na sua composio e, assim

sendo, utilizada para a suplementao alimentar humana e tambm como

alimento para a piscicultura. Em 1975 a produo mundial dessa espcie era

de 200 toneladas por ano. Na dcada de 90 a produo atingiu os patamares

24

de 2000 toneladas por ano (RICHMOND, 2004). Hoje, os ndices de produo

de Chlorela sp. so de aproximadamente 5000 toneladas por ano. Dentre os

pases produtores, destacam-se Japo e Taiwan e o preo de venda praticado

de vinte mil dlares por tonelada (LUNDQUIST et al., 2010; AZEREDO, 2012)

2.1.2 Spirulina sp.

Como a Chlorella sp., a microalga Spirulina sp. utilizada na

alimentao, desde aproximadamente o ano de 1300, principalmente devido

sua alta concentrao proteica (RICHMOND, 2004). Alm disso, possui

reconhecido interesse farmacutico. A ingesto dessa microalga seria

responsvel por inmeros benefcios. Relatos descrevendo a melhora da

defesa e sistema imunolgico do organismo, inibio e preveno de diversos

tipos de cncer e diminuio das taxas de colesterol so comumente

encontrados na literatura (RICHMOND, 2004; CHEONG et al., 2010; KIM et al.,

2010; JOVENTINO et al., 2012). As localidades lderes na produo dessa

espcie microalgal so a sia e os Estados Unidos. A produo de

Spirulina sp. era de aproximadamente 1000 toneladas por ano nos anos 90 e

hoje produz-se at 5000 toneladas anuais a um preo de 10 mil dlares por

tonelada (LUNDQUIST et al., 2010).

2.1.3 Dunaliella salina

A Dunaliella salina uma das espcies de microalgas mais robustas

encontradas na natureza. Resiste a vrios tipos de ambientes hostis, como

guas salobras e salgadas e variadas temperaturas, desde as mais baixas at

as mais elevadas (AZEREDO, 2012). Possui interesse econmico

principalmente pela sua produo de carotenoides. Os principais centros de

produo de Dunaliella salina so locais onde h intensa luminosidade, como

25

por exemplo a ustrlia, China, Israel e Estados Unidos (del CAMPO, GARCA-

GONZLEZ e GUERRERO, 2007). Sob condies ideais de temperatura e

luminosidade, a taxa de -caroteno em biomassa seca de 10% (BEN-

AMOTZ, 1999). O custo de produo da microalga Dunaliella salina de

aproximadamente 3,2 dlares por quilograma (KITTO, 2012), enquanto que o

preo comercializao da biomassa seca varia de 215 a 2150 euros por

quilograma (BRENNAN e OWENDE; 2010).

2.1.4 Haematococcus pluvialis

A Haematococcus pluvialis tambm produzida com o objetivo de

explorao de seus carotenoides, principalmente a astaxantina. Porm, essa

espcie consideravelmente mais sensvel que a Dunaliella salina no que se

refere a condies ambientais, alm de ser mais suscetvel ao ataque de outros

seres vivos que, consequentemente, contaminam seus cultivos. (AZEREDO,

2012). Por isso, a principal forma de cultivar a Haematococus pluvialis em

reatores fechados (RANJBAR et al., 2008) com controle do mximo de

parmetros possveis. Isso faz com que os custos se elevem

consideravelmente quando comparados ao cultivo de outras espcies. A

tonelada do carotenoide astaxantina custa 10 mil dlares e a produo mundial

de apenas 100 toneladas por ano, devido alta sensibilidade da espcie

(LUNDQUIST et al., 2010). Essa substncia utilizada como pigmento da

carne de peixes, como salmes e trutas (LORENZ e CYSEWSKI, 2000).

2.1.5 Scenedesmus sp.

A microalga Scenedesmus sp. tem sido utilizada como agente

biorremediador na remoo de nutrientes da gua, melhorando sua qualidade a

curto prazo (MARTINEZ et al., 2000). Em condies adequadas, as microalgas

26

utilizam energia luminosa, carbono e nutrientes para gerar biomassa que pode

ser posteriormente utilizada como matria-prima para diversos produtos, como

biocombustveis (MATA, MARTINS e CAETANO, 2010). Como a espcie

utilizada nesse trabalho foi a Scenedesmus sp., fez-se um levantamento da

literatura sobre os objetos de estudos recentes realizados com essa microalga.

Esse levantamento pode ser observado na TABELA 01.

TABELA 01 - TRABALHOS REALIZADOS COM A MICROALGA Scenedesmus sp. (1996 - 2013)

OBJETO DE ESTUDO MICROALGA AUTORES

Biorremediao de

resduos

Scenedesmus acuminatus

Scenedesmus sp.

Scenedesmus obliquus

Voltolina (1999); Adamsson (2000);

Kim et al. (2007); Godos et al.

(2010)

Suplementao

alimentar


Scenedesmus sp.

Bishop (1996);

Yen, Chiang e Sun (2012)

Produo de

biocombustveis

Scenedesmus incrassatulus


Ho, Chen e Chang (2010); Choi et

al. (2011); Miranda, Passarinho e

Gouveia (2012); Arias-Pearanda

et al. (2013)

FONTE: O autor (2013)

O resultado do levantamento dos ttulos de artigos na base de dados

ISI (Web of Knowledge) do termo Scenedesmus forneceu o seguinte resultado:

biofuel (3), bioenergy (1), waste (16), food (14), biodiesel (15), swine (4),

supplement (4), oil (26), wastewater (31), photobioreactor (6), pond (13),

sewage (7), biomass (40), methane (3), bioremediation (2), biodigester (0),

pigment (35), ethanol (1), hydrogen (17). O resultado pode ser observado na

FIGURA 01. Data da pesquisa 11/07/13.

27

FIGURA 01 REPRESENTAO DE TRABALHOS LEVANTADOS NA BASE ISI DE ARTIGOS RELACIONANDO Scenedesmus COM PALAVRAS-CHAVE DE INTERESSE FONTE: O autor (2013)

No foram encontrados na literatura dados referentes ao custo de

produo da biomassa nem produo mundial desta microalga. Desta forma,

existe o potencial de desenvolvimento de uma nova matria-prima baseado no

cultivo da microalga Scenedesmus sp. para diversas finalidades.

2.2 BIODIESEL

A diminuio das reservas de petrleo e os impactos ambientais

ocasionados pela emisso de gases oriundos da combusto do diesel fssil

fazem com que a produo de combustveis alternativos ganhe ateno. O

consumo energtico mundial duplicou no perodo de 1971 a 2001 e a

estimativa que a demanda por energia aumente mais 53% at 2030

28

(TALEBIAN-KIAKALAIEH, AMIN e MAZAHERI, 2013). Devido ao seu potencial

para uso misturado ao diesel, o biodiesel, que caracterizado como

combustvel renovvel e biodegradvel, apresenta um crescente interesse

cientfico (XIONG et al., 2008).

Grande parte da ateno global tem sido para reduzir emisses de

carbono atravs utilizao de fontes de energias no convencionais e

combustveis renovveis, visando minimizao da liberao de CO2 bem

como o desenvolvimento da economia com baixos teores de gases produtores

de efeito estufa (MATHEWS, 2008).

De acordo com dados do Balano Energtico Nacional de 2009, o

petrleo atingiu 41,9% da produo de energia primria do pas, porm um

combustvel no renovvel (EPE, 2010). Para a substituio da matriz

energtica petrolfera, prope-se a utilizao de misturas de biodiesel em diesel

com perspectivas para substituio completa ao diesel fssil. Contudo,

encontrar um substituto para o diesel em escala e preo apresenta-se como um

grande desafio tecnolgico a ser vencido.

Segundo a Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e

Biocombustveis, (ANP, 2013), as matrias-primas mais utilizadas para a

produo desse biocombustvel so o leo de soja (75,65%), gordura bovina

(17,23%), leo de algodo (1,00%), leo de fritura (1,13%), leo de

palma/dend (1,11%), gordura de porco (0,43%) e fontes diversas (3,45%). A

TABELA 02 mostra ndices aproximados por matria-prima segundo a

Associao Brasileira das Indstrias de leos Vegetais (ABIOVE, 2013) at

2012. Pode-se notar a alta dependncia da soja e a pequena diversificao de

matrias-primas para a produo do biodiesel.

A Lei Federal N. 11.097 de 13 de janeiro de 2005 define biodiesel

como: biocombustvel derivado de biomassa renovvel para uso em motores a

combusto interna com ignio por compresso ou, conforme regulamento,

para gerao de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou

totalmente combustveis de origem fssil. Alm disso, essa lei fixa em, no

mnimo, um percentual de 5% de biodiesel adicionado ao leo diesel tradicional

para poder ser comercializado no Brasil. A legislao em relao ao biodiesel

foi atualizada em 2008 com a resoluo n 7 da ANP, na qual o biodiesel

29

descrito como combustvel composto de alquil steres de cidos graxos de

cadeia longa, derivados de leos vegetais ou de gorduras animais conforme a

especificao contida no Regulamento Tcnico, parte integrante desta

Resoluo.

TABELA 02 MATRIAS-PRIMAS USADAS PARA A PRODUO DO BIODIESEL NO BRASIL DE 2008 A 2012 (VALORES EXPRESSOS EM m)

MATRIA-PRIMA 2008 2009 2010 2011 2012

leo de soja 801.320 (69%)

1.250.577 (78%)

1.960.822 (82%)

2.152.298 (81%)

2.042.730 (75%)

Sebo bovino 206.966 (18%)

258.035 (16%)

327.074 (14%)

357.664 (13%)

469.215 (17%)

leo de Algodo 18.353 (2%)

59.631 (4%)

57.458 (2%)

84.711 (3%)

123.325 (5%)

Outras 140.489 (12%)

40.206 (2%)

41.086 (2%)

78.088 (3%)

83.683 (3%)

Total 1.167.128

(100%) 1.608.448

(100%) 2.386.438

(100%) 2.672.760

(100%) 2.718.954

(100%)

FONTE: Adaptado de ABIOVE (2013)

Comparado ao diesel convencional, o biodiesel contm maiores taxas

de oxignio e menores taxas de enxofre e nitrognio, alm de menor emisso

de benzeno, tolueno e monxido de carbono em sua combusto (TICA et al.,

2010). A reduo na emisso de poluentes da ordem de 68% de

hidrocarbonetos no queimados, 40% de material particulado, 44% de

monxido de carbono, 100% de xidos de enxofre, e 80% a 90% de

hidrocarbonetos aromticos policclicos (LEDUC et al., 2009; WU e LEUNG,

2011).

O encarecimento e a escassez dos combustveis fsseis fazem com

que o interesse econmico da produo de biodiesel aumente

consideravelmente (HUANG et. al., 2010). Porm, os custos envolvidos na

produo do biodiesel so altos quando comparados ao diesel tradicional,

mesmo com intenso incentivo dos governos Federal/Estaduais destinados a

30

isso. Os dados representados na TABELA 03 demonstram um comparativo

entre as mdias de preos do diesel fssil e do biodiesel e comprovam que de

2008 a 2012 o preo do biodiesel foi, em mdia, 23,5% maior que o preo do

diesel. Pesquisas que objetivem a reduo de custos, simplificao de

processos e explorao de matrias-primas so importantes e de fundamental

importncia no cenrio atual (MENG et. al., 2009).

TABELA 03 COMPARATIVO DE PREOS ENTRE O DIESEL FSSIL E BIODIESEL DE 2008 A 2012 (R$/m)

2008 2009 2010 2011 2012

Diesel (preos nominais distribuidora) 1.844,33 1.838,00 1.769,33 1.791,33 1.858,67

Biodiesel (preos nominais de leiles

da ANP) 2.256,11 2.279,48 2.102,33 2.214,00 2.384,20

FONTE: Adaptado de ABIOVE (2013)

2.2.1 Biodiesel de microalgas

Mais de 95% do biodiesel de primeira gerao produzido mundialmente

provm de leos de espcies vegetais comestveis. Deste modo, os

biocombustveis de primeira gerao podem impactar negativamente a

produo de alimentos, encarecendo seu valor de mercado (DEMIRBAS,

2011).

No caso da soja, a maior parte da matria-prima destina-se produo

de rao animal e, assim, a utilizao de parte do leo para produo de

biodiesel no afeta a produo de alimentos. Alm disso, houve substituio do

leo de soja pelo leo de palma na produo de gordura hidrogenada j que

esta fornece material livre de ismeros trans. Desta forma, a fabricao de

biodiesel contribuiu economicamente com a cadeia produtiva da soja. Contudo,

deve-se levar em considerao, em especial no caso da soja, as questes

referentes ao alto uso de fertilizantes, pesticidas e agrotxicos na monocultura

31

(MILAZZO et al., 2013), bem como o uso de espcies transgnicas, cujos

efeitos deletrios ainda esto em constante avaliao (GARCA et al., 2009).

Os biocombustveis de segunda gerao, produzidos a partir de leo

de cozinha usado ou gordura animal, no causam impactos na produo de

alimentos, porm a sua produo exige que alguns desafios ainda sejam

superados (AHMAD et al., 2011). A grande quantidade de cidos graxos

saturados presente na gordura animal a torna slida em temperatura ambiente

e confere propriedades ruins no fluxo a frio desses biocombustveis (AHMAD et

al., 2011). Alm disso, essas matrias primas no apresentam escala de

produo significativa ao ponto de fornecer material suficiente para substituir o

diesel. Outras matrias-primas consideradas de segunda gerao para a

produo de biocombustveis so as plantas oleaginosas no comestveis

como o pinho-manso, jojoba e a mamona.

O leo obtido a partir das microalgas classificado como matria-prima

de biocombustveis de terceira gerao. uma potencial alternativa econmica

interessante em relao aos combustveis de outras geraes. A produo de

leo por microalgas pode ser 20 vezes maior se comparada a espcies

vegetais oleaginosas (CHISTI, 2007; AHMAD et al., 2011; FENG, LI e ZHANG,

2011).

As microalgas so eficazes conversoras de energia luminosa em

energia qumica e podem ser cultivadas em reas ociosas no apropriadas

para a agricultura e, dependendo da espcie, em guas com altas taxas de

sais e/ou contaminantes (HUBER, IBORRA e CORMA, 2006; GORDON e

POLLE, 2007).

O contedo lipdico das clulas das microalgas varia, em mdia, de

20% a 40% em termos de biomassa seca, porm, alguns estudos relatam um

contedo de lipdeos de mais de 85% para certas espcies de microalgas (MA

e HANNA, 1999; LUQUE et al., 2010; MAIRET et al., 2011). Esses micro-

organismos podem produzir de 25 a 220 vezes mais triglicerdeos do que

plantas oleaginosas terrestres (AHMAD et al., 2011). A TABELA 04 mostra um

comparativo da produo de leo de microalgas e de plantas oleaginosas.

O custo de produo da biomassa de microalgas corresponde, em 75%,

ao meio de cultivo utilizado para sua produo. Uma forma de desonerar os

32

processos de cultivo seria a utilizao de resduos com altas quantidades de

nitrato e fosfato como, por exemplo, efluentes da suinocultura, bovinocultura,

etc.

TABELA 04 RENDIMENTO ANUAL DE LEO PARA PLANTAS OLEAGINOSAS UTILIZADAS NA PRODUO DE BIODIESEL

CULTURA RENDIMENTO ANUAL DE LEO REA

NECESSRIA (Mha)

a (L/ha) (L/m

2)

Milho 172 0,02 1540

Soja 446 0,04 592

Canola 1190 0,12 223

Coco 2689 0,27 99

leo de palma 5950 0,60 45

Microalga b

136.900 13,69 2

Microalga c

58.700 5,87 4,5

Microalga d

19.567 1,96 13,5

FONTE: Adaptado de Chisti (2007) NOTA:

a Para atender 50% de todos os combustveis necessrios aos transportes no EUA;

b 70% leo (peso por) em biomassa;

c 30% leo (peso por) em biomassa;

d 10% leo (peso por) em biomassa

2.3 DEJETO SUNO

Um dos principais problemas enfrentados pelos criadores de porcos o

descarte inadequado do dejeto gerado pelos animais. Antigamente as criaes

eram compostas por poucos exemplares, o que fazia com que o volume de

dejeto fosse pequeno. Nesses casos, o resduo era aplicado nas plantaes da

fazenda onde eram produzidos na forma de biofertilizantes. Porm, o crescente

nmero de sunos fez com que os espaos de confinamento destinados sua

criao tenham se tornado insuficientes, dificultando a dissipao e depurao

dessa nova maior concentrao de dejeto (BARLOW et al., 1975).

Outro problema enfrentado pela prtica de reaproveitamento do

resduo em plantaes so as necessidades particulares de diferentes

nutrientes de cada espcie vegetal, a vulnerabilidade e suscetibilidade dos

33

ecossistemas vizinhos e o custo da energia em decorrncia da aplicao do

dejeto (FLOTATIS et al., 2009).

A TABELA 05 mostra a evoluo do nmero efetivo de cabeas de

porco no Brasil no perodo de 1990 a 2009. Uma informao muito relevante

em relao a esse tema consiste no fato de que em algumas cidades

pequenas, a produo de resduos decorrentes da suinocultura corresponde

produo de esgoto sanitrio de grandes centros urbanos.

Ainda de acordo com o IBGE (2010), o Paran o terceiro maior

criador de porcos do Brasil, respondendo por 14,7% de todo o rebanho suno

nacional. O estado possui 5.096.224 cabeas e o municpio de Toledo o

terceiro municpio com maior quantidade de sunos do pas (490.780

exemplares).

TABELA 05 EFETIVO SUNO NO BRASIL (1990 2009)

ANO EFETIVO DE REBANHO ANO EFETIVO DE REBANHO

1990 33.623.186 2000 31.562.111

1991 34.290.275 2001 32.605.102

1992 35.532.168 2002 32.013.227

1993 34.184.187 2003 32.304.905

1994 35.141.839 2004 33.085.299

1995 36.062.103 2005 34.063.934

1996 29.202.182 2006 35.173.824

1997 29.637.109 2007 35.945.015

1998 30.006.946 2008 36.819.017

1999 30.838.616 2009 38.045.454

FONTE: Adaptado de IBGE (2010)

O dejeto suno um dos resduos agroindustriais mais poluentes

atualmente no mundo e, se no processadas de maneira adequada, as altas

concentraes de matria orgnica, fsforo e nitrognio podem causar

34

inmeros problemas ambientais como a eutrofizao de rios e corpos hdricos

(CARPENTER et al., 1998), contaminao de solos e mananciais subterrneos

(KRAPAC et al., 2002), volatilizao de amnia e degradao de solos frteis

devido super-fertilizao dos mesmos (APSIMON, KRUSE e BELL, 1987). A

TABELA 06 aponta as quantidades de compostos nitrogenados e fsforo

presentes no efluente suno. Alm disso, pode-se encontrar grandes

concentraes de metais pesados (como o cobre, chumbo e zinco) nesse

resduo (de la TORRE et al., 2000).

TABELA 06 COMPOSIO MDIA DE RESDUO SUNO BIODIGERIDO

NUTRIENTES QUANTIDADE DE NUTRIENTES POR

VOLUME DE DEJETO LQUIDO (g.L-1

)

Nitrognio amoniacal 0,92

Nitrognio orgnico 0,21

Nitrognio total 1,15

Fsforo total 0,34

FONTE: Adaptado de Kebede-westhead, Pizarro e Mulbry (2006)

Uma forma de se avaliar a carga orgnica de um efluente e,

indiretamente, seu potencial poluente consiste na determinao da demanda

bioqumica de oxignio (DBO). Nesta anlise, mensura-se a quantidade de

oxignio necessrio para a oxidao completa da matria orgnica por unidade

atravs de micro-organismos. Assim, altas taxas de DBO correspondem a

efluentes com maiores teores de matria orgnica e, desta forma, um material

com maior potencial poluente.

Quando comparado ao esgoto domstico, os dejetos sunos se

mostram extremamente poluentes. A DBO desses resduos

aproximadamente 200 vezes maior que a dos esgotos comuns, sendo a DBO

do esgoto domstico de 200 mg.L-1 enquanto a de resduos sunos de

40.000 mg.L-1 (TECPAR, 2002).

A prtica da digesto anaerbia, apesar de combinar a remoo de

matria orgnica e produo de biogs para diversos fins, apresenta alguns

inconvenientes como a baixa remoo de nutrientes (nitrognio e fsforo), a

necessidade de um complexo sistema de controle de processos e variveis e a

35

relao desfavorvel de carbono/nitrognio de efluentes sunos (BURTON e

TURNER, 2003). A relao carbono/nitrognio importante no que diz respeito

eficincia na produo de biogs. As bactrias demandam nitrognio para

produzir protenas e consumir o carbono presente no resduo e, por isso, deve

haver uma proporo correta entre essas duas espcies qumicas, que

normalmente da ordem de 20 a 30 partes de carbono para uma de nitrognio

(ARRUDA et al., 2002; SGORLON et al., 2011).

O peso dos porcos influi diretamente sobre a quantidade de dejeto

produzida por eles (EMBRAPA, 2003). A gua ingerida determina a quantidade

de urina e a mdia de produo de dejetos slidos pelos sunos de 2,4 kg por

dia. A TABELA 07 mostra a produo dos principais tipos de dejeto produzido

em fazendas de suinocultura bem como a variao dessa produo em

diferentes categorias de porcos.

TABELA 07 PRODUO DE DEJETO POR DIFERENTES CATEGORIAS DE SUNOS

CATEGORIA

ESTERCO

(KG/DIA)

ESTERCO E

URINA

(KG/DIA)

DEJETOS

LQUIDOS

(L/DIA)

ESTRUTURA PARA

ARMAZENAMENTO

(m3/ANIMAIS.MS)

ESTERCO +

URINA

DEJETOS

LQUIDOS

25 100 kg 2,3 4,9 7,0 0,16 0,25

Porcas de

reposio,

cobrio e

gestantes

3,6 11,0 16,0 0,34 0,48

Porcas em

lactao com

leites

6,4 18,0 27,0 0,52 0,81

Macho 3,0 6,0 9,0 0,18 0,28

Leites 0,35 0,95 1,40 0,04 0,05

Mdia 2,35 5,8 8,6 0,17 0,27

FONTE: Adaptado de TECPAR (2002)

36

A remoo de nutrientes de resduos por microalgas j executada h

anos. Essa tcnica vantajosa frente aos sistemas tradicionais de tratamento

como os reatores aerbios e anaerbios, que so mais caros, de operao

complexa e requerem grandes quantidades de energia para sua utilizao

(HOFFMANN, 1998; OLGUN, 2003; RUIZ et al., 2011). Contudo, a forma

utilizada para esse processamento apresenta-se como sistemas abertos,

consistindo em lagoas de estabilizao contendo as microalgas. No h nesse

processo qualquer controle quanto contaminao do sistema por protozorios

e bactrias e, alm disso, nenhuma forma de controle em relao as taxas de

aerao, concentrao de biomassa produzida ou nutrientes removidos.

Quando no existe uma preocupao na destinao desses efluentes e

os dejetos so destinados aos cursos d'gua, comum encontrar grandes

quantidades de biomassa de microalgas em reas de descartes de efluentes.

As microalgas produzem oxignio e fazem com que a velocidade da

degradao da matria orgnica em resduos seja aumentada (ASLAN e

KAPDAN, 2006; BRITO et al., 2007; HODAIFA et al., 2010; HODAIFA,

MARTNEZ e SNCHEZ, 2010).

Nesse contexto, uma alternativa que pode-se mostrar eficaz a

utilizao de resduos de suinocultura na composio e suplementao dos

meios de cultivo das microalgas. De acordo com Basso (2003), os sistemas de

confinamento utilizados hoje para a criao de porcos esto cada vez mais

numerosos, aumentando a chance de contaminao de solos, mananciais de

gua e recursos naturais. Tais dejetos j so utilizados como aditivo para

aumentar a fertilidade de solos destinados a plantaes.

Alm disso, ao remover nitrognio, carbono e fsforo da gua, as

microalgas podem ajudar a diminuir a eutrofizao dos ecossistemas aquticos

(RUIZ et al., 2011; OLGUN, 2003). Microalgas crescem de maneira

considerada rpida e em condies desfavorveis, como em guas no

potveis e reas no apropriadas para a produo de alimentos (MATA,

MARTINS e CAETANO, 2010; MATA et al., 2011). Desta forma, sistemas

produtivos de microalgas destinadas produo de biomassa para

biocombustveis no enfrentariam as crticas normalmente referenciadas aos

biocombustveis tradicionais como o biodiesel de soja e milho.

37

2.4 FORMAS DE PRODUO DE MICROALGAS

Vrios artigos, trabalhando com a microalga Scenedesmus,

descreveram modificaes bioqumicas e fisiolgicas nas clulas da microalga

em funo de alteraes no meio de cultivo, ocasionando desta forma

mudanas nas condies de crescimento e composio da biomassa

(McLACHLAN, 1973; NICHOLS, 1973; KIM e GIRAUD, 1989; KIM e SMITH,

2001). Uma grande variedade de meios de cultivo para microalgas foi

desenvolvida, podendo ser citados como exemplo o Erdschreiber, Grund, ES,

CHU, f/2 e ASP (McLACHLAN, 1973; NICHOLS, 1973). Porm, esses meios

apresentam limitaes, j que carecem de nutrientes selecionados e

necessrios para o aumento da produo microalgal em perodos de tempo de

longo prazo (KIM e GIRAUD, 1989). Vale lembrar que a maioria dos meios de

cultivos de microalgas foram tradicionalmente elaborados para manter as

microalgas viveis em ceprios, bem como, servir de produo de alimentos

para camares e alevinos. Neste caso, excessos de nutrientes ocasionam

toxicidade a esses organismos e a concentrao de nutrientes no adequada

para produo de biomassa com foco em produtividade. O custo do meio de

cultivo, em funo da sua composio, por muitas vezes cara, dificultando e

encarecendo ainda mais o processo de produo de biomassa como um todo.

A TABELA 08 mostra a composio qumica do meio CHU (CHU, 1942)

modificado, utilizado para o cultivo de microalgas no Ncleo de Pesquisa e

Desenvolvimento de Energia Autossustentvel (NPDEAS) da Universidade

Federal do Paran.

O custo para a produo de 1000 litros de meio de cultivo CHU

modificado de R$ 32,02 (valores de 2013).

Existem vrios formatos de produo de microalgas. Os principais tipos

de sistemas de produo so: tanque aberto, lagoa tipo pista e

fotobiorreatores. Os dois primeiros so sistemas abertos enquanto o ltimo

fechado. Esses sistemas de produo diferem entre si em parmetros como

contaminao, evaporao da gua, produtividade, custos de processos e

operao, entre outros (CHEN et al., 2009).

38

TABELA 08 COMPOSIO QUMICA DO MEIO CHU MODIFICADO

REAGENTE FRMULA QUANTIDADE (g.L-1

)

Nitrato de sdio NaNO3 0,25

Cloreto de clcio di-hidratado CaCl2.2H2O 0,025

Sulfato de magnsio hepta-hidratado MgSO4.7H2O 0,075

Fosfato de potssio dibsico K2HPO4 0,075

Fosfato de potssio monobsico KH2PO4 0,175

Cloreto de sdio NaCl 0.025

Trplex III/EDTA C10H14N2Na2O8.2H2O 0,05

Hidrxido de potssio KOH 0,031

Sulfato ferroso hepta-hidratado FeSO4 0,00498

cido brico H3BO3 0,01142

Sulfato de zinco hepta-hidratado ZnSO4.7H2O 8,82 10-6

Cloreto de mangans tetra-hidratado MnCl2.4H2O 1,44 10-6

Molibdato de sdio NaMoO4.2H2O 1,19 10-6

Sulfato de cobre penta-hidratado CuSO4.5H2O 1,57 10-6

Nitrato de cobalto hexa-hidratado Co(NO3)2.6H2O 0,49 10-6


2.4.1 Sistemas abertos

Tanques abertos simulam o habitat natural das microalgas. Possuem

variados formatos, sendo o mais comum o de tipo pista de corrida (PULZ,

2001). Esses sistemas so geralmente constitudos por uma nica ou mltiplas

unidades conjuntas com agitao produzida por meio de uma roda de ps,

hlices ou bombas (CHEN et al., 2009). Uma variao desse sistema so as

lagoas tipo pista circulares. A FIGURA 02 mostra as formas de lagoas tipo pista

e cultivo de tanque aberto.

39

FIGURA 02 TRS PRINCIPAIS SISTEMAS ABERTOS DE PRODUO DE

MICROALGAS. (A) LAGOAS TIPO PISTA, (B) LAGOA TIPO CIRCULAR, (C) TANQUE ABERTO.

FONTE: Adaptado de Chen et al (2009).

Esse modo de cultivo apresenta problemas tcnicos devido s

caractersticas inerentes do sistema. Dentre eles citam-se as significantes

perdas de gua por evaporao, a difuso de CO2 para a atmosfera, altos

ndices de poluio e contaminao dos cultivos, baixa difuso da luz solar em

todo o cultivo, alm da grande rea requerida para a instalao desses

sistemas (PULZ, 2001). Durante vrios anos os sistemas abertos foram os

principais meios de cultivo de microalgas (RICHMOND, 1990).

2.4.2 Sistemas fechados

Os sistemas fechados, tambm conhecidos como fotobiorreatores,

possibilitam o controle de quase todos os parmetros de cultivo e, por

consequncia, apresentam melhores desempenhos em produo de biomassa

de microalga em relao aos sistemas abertos. Dentre eles, pode-se citar:

menor risco de contaminao, menores perdas de CO2, maior reprodutibilidade

de condies e cultivos, controle de temperatura e design variado de acordo

com as necessidades e possibilidades disponveis (PULZ, 1992). A densidade

celular alcanada em cultivos realizados em sistemas fechados alta devido

ao controle relativo que se possui do ambiente de cultivo (LEE, 2001; UGWU,

AOYAGI e UCHIYAMA, 2008).

A B C

40

Fotobiorreatores tubulares compactos, construdos com vidro

transparente, acrlico ou plsticos so os sistemas fechados de produo em

massa de microalgas mais comuns e podem ser horizontais, verticais ou

inclinados. (UGWU, AOYAGI e UCHIYAMA, 2008). A circulao realizada por

bombas ou pela simples injeo de ar (sistema airlift). A FIGURA 03 demonstra

algumas configuraes de fotobiorreatores tubulares.

As vantagens de fotobiorreatores tubulares so o melhor

aproveitamento da luz, contribuindo para um maior crescimento de clulas e,

por consequncia, uma concentrao celular muito maior quando comparada a

sistemas abertos; maior rea iluminada e menores ndices de contaminao

(CHEN et al., 2009). Dentre as desvantagens pode-se ressaltar as quantidades

de oxignio dissolvido e CO2 ao longo dos tubos crescimento e adeso das

microalgas s paredes dos tubos (CHEN et al., 2009).

Em reatores fechados, as trocas gasosas so dificultadas devido ao

longo tempo que as microalgas levam para atingir a coluna de troca de gases.

Por isso, as quantidades de CO2 ao longo dos tubos podem ser insuficientes

para a reao de fotossntese, causando uma diminuio do crescimento

microalgal. A alta quantidade de oxignio nos cultivos acaba por inibir o

processo fotossinttico e, por consequncia, diminui o crescimento de

biomassa das microalgas. O excesso de luz gera excesso de eltrons, os quais

reagem com o oxignio produzido na fotossntese produzindo radicais livres e

outros compostos reativos, como o H2O2 (MURATA et al., 2007). Alm disso, a

luz estimula a formao de oxignio nascente altamente reativo por

fotoativao, resultando na perda de atividade fotossinttica e morte celular

(TRIANTAPHYLIDES, et al., 2008; SOUSA et al., 2013).

Alm disso, os valores relacionados construo de fotobiorreatores

so elevados. Os altos custos de reatores fechados se devem, principalmente,

s caractersticas dos materiais envolvidos na sua construo (DASGUPTA et

al., 2010). Os tubos devem ser transparentes; flexveis e durveis; no oferecer

toxicidade; resistentes a agentes qumicos, metablitos produzidos pelas

microalgas e s condies climticas (DASGUPTA et al., 2010).

41

FIGURA 03 DIFERENTES CONFIGURAES DE FOTOBIORREATORES TUBULARES.

A) PROTTIPO MINI-FOTOBIORREATOR B) REATOR TIPO AIRLIFT C) FOTOBIORREATOR DE 10 m

3


2.5 CULTIVO DE MICROALGAS NO NPDEAS

O Ncleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentvel

(NPDEAS), situado na Universidade Federal do Paran, produz microalgas

com a finalidade de produzir leo e, posteriormente, biodiesel. O objetivo ser

A B

C

42

um prdio autossustentvel, produzindo toda a energia consumida a partir

desses micro-organismos.

O ncleo conta com todas as etapas produtivas, desde a coleta de

microalgas e manuteno de cepas at o processamento e produo final do

leo obtido das microalgas. Primeiramente, os micro-organismos so cultivados

em escala laboratorial para a produo de pr-inculo. Gradativamente a

produo escalonada at se estabelecer o cultivo nos fotobiorreatores.

Aps a coleta, a biomassa microalgal seca para posterior extrao dos

lipdeos. Os resduos dos cultivos so reaproveitados atravs de um

biodigestor para a produo de biogs. A FIGURA 04 demonstra um

fluxograma das operaes realizadas no NPDEAS.

FIGURA 04 FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES REALIZADAS NO NPDEAS FONTE: Adaptado de Satyanarayana, Mariano e Vargas (2011).

Os fotobiorreatores situados no NPDEAS so compostos por tubos de

PVC transparentes e cada um possui volume de 10 m3. Os cultivos so

desenvolvidos com meios variados, a aerao realizada por compressores

industriais e a circulao do cultivo feita atravs de bombas centrfugas. Os

43

fotobiorreatores podem ser observados detalhadamente na FIGURA 03-C e

FIGURA 05.

FIGURA 05 FOTOBIORREATOR DE 10 m

3 SITUADO NO NPDEAS. (A)

FOTOBIORREATOR, (B) BOMBA DE CIRCULAO E COLUNA DE TROCAS GASOSAS, (C) VISO DETALHADA DOS RAMAIS.

FONTE: O autor (2011).

O NPDEAS estabeleceu-se como referncia no desenvolvimento de

fotobiorreatores para produo de biomassa de microalgas. Atualmente so

trs fotobiorreatores construdos. No total, j foram produzidas 11 dissertaes

de mestrado, 1 tese de doutorado, 7 artigos em peridicos e mais de 50

trabalhos completos em anais de congressos.

Alm dos professores (5), complementam a equipe de pesquisa 2

tcnicos, 12 alunos de mestrado, 2 alunos de doutorado, 2 engenheiros, 4

alunos de graduao (iniciao cientfica), 10 alunos do ensino tcnico, uma

secretria e uma auxiliar de servios gerais, totalizando 37 pessoas. A TABELA

09 resume as principais produes cientficas desenvolvidas pelo NPDEAS de

2008 a 2013.

A

B

C

44

TABELA 09 - PRINCIPAIS PRODUES CIENTFICAS DESENVOLVIDAS PELO NPDEAS DE 2008 A 2013

PATENTES

Vargas et al., 2011. Photobioreactor System (Depsito nos Estados Unidos da Amrica) US2012088296-A1 / WO2012050608-A1.

ARTIGOS

Ribeiro et al., 2008. Transient modeling and simulation of compact photobioreactor.

Torrens et al., 2008. Biodiesel from microalgae: the effect of fuel properties on pollutant emissions.

Morais et al., 2009. Phaeodactylum tricornutum micralagae growth rate in heterotrophic and mixotrophic conditions.

Ribeiro et al., 2009. The temperature response of compact tubular microalgae photobioreactors.

Carvalho Jnior et al., 2011. Microalgae biodiesel via in situ methanolysis.

Satyanarayana, Mariano e Vargas, 2011.

A review on microalgae, a versatile source for sustainable energy and materials.

D'Aquino et al., 2012. A simplified mathematical model to predict PVC photodegradation in photobioreactors.

Oliveira et al., 2012a. Comparao entre trs bioprocessos para a produo de enzimas proteolticas utilizando resduos agroindustriais.

Oliveira et al., 2012b. Production of methyl oleate with a lipase from an endophytic yeast isolated from castor leaves.

Oliveira et al., 2013. Utilizao de resduos da agroindstria para a produo de enzimas lipolticas por fermentao submersa.

Silva et al., 2013. Life cycle assessment of biomass production in microalgae compact photobioreactors. (aceito para publicao).

Sugai-Guerios et al., 2013 Mathematical model of the CO2 solubilization reaction rates developed for the study of photobioreactors. (aceito para publicao).

CAPTULO DE LIVRO

Soares et al., 2010. Metodologias para obteno de biomassa e extrao de lipdeos de microalgas marinhas. In: Pereira, T. C. G. (Copel - Paran). Dossi de Pesquisa Fontes Renovveis de Energia.


45

3 DESAFIOS E OBJETIVOS

A reviso bibliogrfica apresentou as formas de cultivo de microalgas

para a produo de biocombustveis. Apesar das potenciais vantagens

apresentadas por esses micro-organismos para essa finalidade, se faz

necessrio aprimorar e/ou desenvolver processos e tecnologias que diminuam

os custos envolvidos em sua produo. A separao da biomassa do meio de

cultivo e a extrao do leo e sntese do biodiesel correspondem a

aproximadamente 30% dos custos no processo de produo de microalgas,

alm de demandarem grandes quantidades de energia, prejudicando o balano

energtico da produo do biocombustvel. Alm disso, fatores como

diminuio da contaminao dos cultivos, melhores adaptaes e designs de

reatores que objetivem a maximizao de ganho de biomassa microalgal,

prospeco de espcies robustas e com alto teor lipdico e simplificao e

diminuio de custos envolvidos na extrao do leo e sntese do biodiesel

devem ser observados e otimizados.

3.1 OBJETIVO GERAL

Dentre os desafios apresentados, selecionou-se o de diminuir custos

atravs da utilizao de resduo agroindustrial (efluente de suinocultura) para

produo de biomassa de microalgas. Alm disso, props-se tambm resolver

o problema ambiental do descarte inadequado desse resduo.

3.1.1 Metas

Para atingir o objetivo geral, o trabalho foi dividido nas seguintes

metas:

46

1. Coletar e caracterizar o resduo suno biodigerido;

2. Avaliar o crescimento das microalgas frente ao resduo suno em

pequena escala no laboratrio e determinar melhor condio de cultivo;

3. Produzir biomassa de microalgas em FBR tipo Airlift de 12 L em

condies externas avaliando produtividade em biomassa, leo e composio

de lipdeos;

4. Avaliar a eficincia de biorremediao do resduo suno em relao

aos parmetros fosfatos e nitrognio total, orgnico, amoniacal;

5. Extrair lipdeo da biomassa cultivada, determinar sua composio e

produzir biodiesel atravs de esterificao enzimtica.

A FIGURA 06 relaciona as metas estabelecidas com as respectivas

estratgias para se alcanar o objetivo proposto.

47

FIGURA 06 FLUXOGRAMA DAS METAS E ESTRATGIAS DE TRABALHO


Coletar e caracterizar o

resduo suno biodigerido

Avaliar o crescimento das

microalgas frente ao resduo

suno em pequena escala no

laboratrio e determinar

melhor condio de cultivo

Produzir biomassa de

microalgas em FBR tipo Airlift

de 12 L em condies

externas avaliando

produtividade em biomassa,

leo e composio de lipdeos

Avaliar a eficincia de

biorremediao do resduo

suno em relao aos

parmetros fosfato e

nitrognio total, orgnico,

amoniacal

Extrair lipdeo da biomassa

cultivada, determinar sua

composio e produzir

biodiesel atravs de

esterificao enzimtica,

Coleta de efluente suno de

biodigestor em Castro PR e

anlise de nutrientes

Avaliao de densidade

celular, anlise de

absorbncia, determinao de

biomassa seca, e anlise de

pH

Avaliao de densidade

celular, anlise de

absorbncia, determinao de

biomassa seca, anlise de

pH, determinao de lipdeos

totais e anlise do perfil

lipdico

Determinao das cargas dos

nutrientes aps o cultivo

Extrao de lipdeo a frio com

solventes, anlise da

composio dos cidos

graxos e esterificao

enzimtica por lpases

fngicas

METAS ESTRATGIAS

48

4 MATERIAIS E MTODOS

4.1 SELEO DAS MICROALGAS

A microalga Scenedesmus sp utilizada nesse trabalho foi isolada e

obtida a partir da rede de fornecimento aps a circulao de gua por alguns

dias nos fotobiorreatores do NPDEAS, na Universidade Federal do Paran,

sem qualquer adio de nutrientes ou inculo. A manuteno e repique das

cepas foram realizados em sala de cultivo climatizada, podendo ser observada

na FIGURA 07.

FIGURA 07 SALA DE CULTIVO. (A) VISO GERAL DA SALA, (B) MICROGRAFIA DA MICROALGA Scenedesmus sp COM AUMENTO DE 400X


A B A

49

4.2 COLETA E MANUTENO DO EFLUENTE SUNO BIODIGERIDO

O dejeto suno foi coletado de biodigestor de propriedade particular

situada em Castro-PR e acondicionado em freezer. A FIGURA 08-A mostra o

local da coleta. Foram realizadas trs diluies distintas para os experimentos

realizados com o efluente. O dejeto foi diludo em gua destilada nas

propores de 5%, 10% e 30%. O efluente suno bruto foi submetido analise

de cargas de fosfato, nitrato, nitrito, nitrognio total, nitrognio orgnico e

nitrognio amoniacal, para posterior avaliao do grau de biorremediao.

FIGURA 08 BIODIGESTOR DE ONDE FOI COLETADO O EFLUENTE SUNO

(CASTRO PR). (A) BIODIGESTOR TIPO LAGOA COBERTA, (B) EFLUENTE BIODIGERIDO COLETADO EM LAGOA DE ESTABILIZAO


4.3 MEIO DE CULTIVO E CONDIES DE CULTIVO

Os cultivos foram realizados em escala laboratorial (frascos tipo

Erlenmeyer contendo aerao) e em reator tipo airlift de 12 L com meio CHU

A B

50

modificado (TABELA 04), havendo a substituio de xido de molibdnio por

molibdato de sdio. Levando em considerao as caractersticas do resduo

suno, a formulao de meio de cultivo utilizando o dejeto biodigerido foi

realizada nas seguintes propores: 5%, 10% e 30%. A escolha das diluies

foi baseada em experimentos prvios no laboratrio do NPDEAS que levaram

em considerao a turbidez do meio e as quantidades de fosfato e nitrognio

total em comparao ao meio sinttico CHU. Diluies do dejeto biodigerido

acima de 30% no resultaram em crescimento de microalgas. A TABELA 10

demonstra a quantidade de nitrognio e fosfato em cada diluio proposta.

Todos os cultivos foram realizados em batelada.

TABELA 10 PROPORES DE NITROGNIO E FSFORO INICIAIS DOS CULTIVOS COM RESDUO SUNO

DILUIES FOSFATO

(mg P.L-1

)

NITROGNIO

ORGNICO (mg.L-1

)

NITROGNIO

AMONIACAL

(mg NH3 N.L-1

)

NITROGNIO

TOTAL

(mg NH3 N.L-1

)

5% 3,72 20,93 109,40 130,32

10% 7,43 41,86 218,79 260,65

30% 22,30 125,58 656,36 781,94

CHU 61,58 - - 41,18*

FONTE: O autor (2013) NOTA: *concentrao de nitrognio em nitrato de sdio

Os cultivos realizados em escala laboratorial ocorreram em frascos

Erlenmeyer de 2 L, utilizando um volume inicial de 1,6 L em cada frasco,

composto por 400 mL de inculo com uma concentrao de 200 x104 cl.mL-1;

aproximadamente 100 mL de solues-estoque de meio de cultivo

autoclavadas e 1000 mL de gua destilada esterilizada. Nos experimentos com

efluente suno, as solues estoque autoclavadas e a gua destilada foram

substitudas pelas diluies do dejeto biodigerido nas propores 5%, 10% e

30%. Os frascos foram mantidos sob constante iluminao (2 lmpadas de

40 W cool daylight), sem fotoperodo, sob aerao contnua atravs de

compressor da marca Schulz com injeo de ar vazo de 2 litros.minuto-1 e

sob a temperatura de 17 C. A FIGURA 09 apresenta a disposio dos frascos

de cultivo. Todas as condies foram realizadas em triplicatas e, assim, para

51

cada experimento foram realizados 12 cultivos independentes. Os cultivos

foram realizados em batelada.

FIGURA 09 DISPOSIO DOS CULTIVOS EM ESCALA LABORATORIAL FONTE: O autor (2012)

Os cultivos realizados nos reatores airlift foram realizados ao ar livre e

demandaram um volume aproximado de 11 L de inculo com uma

concentrao inicial da ordem de 250 x104 cl.mL-1 realizados em meio de

cultivo CHU modificado e dejeto suno na diluio de 10%, totalizando 11 L de

cultivo. A aerao e agitao foram realizadas com ar atmosfrico atravs de

compressor da marca Schulz, com fluxo de ar de aproximadamente 4 L.min-1. A

FIGURA 10 mostra a configurao dos cultivos. Os cultivos foram realizados

em triplicata. De acordo com a experincia de cultivos anteriores realizados no

NPDEAS, estabeleceu-se perodo de 15 dias de cultivo para avaliao dos

parmetros de cultivo. Ao final dos 15 dias as microalgas encontram-se na fase

estacionria.

52

FIGURA 10 CULTIVOS EM REATORES TIPO AIRLIFT FONTE: O autor (2012)

4.4 AVALIAO DO CULTIVO

A avaliao dos cultivos foi realizada em funo da determinao dos

seguintes parmetros: determinao da densidade celular, anlise

espectrofotomtrica, anlise e quantificao de biomassa seca, anlise e

determinao da quantidade de lipdeos totais, e determinao de pH.

4.4.1 Determinao da densidade celular

A densidade celular dos cultivos foi determinada por meio de

contagens em microscpio ptico com aumento de 400X com o auxlio de

cmaras de Neubauer e realizados ao longo dos dias de cultivo (LOURENO,

2006). As contagens sempre foram realizadas em triplicata. O resultado foi

53

representado como a mdia 2 vezes o desvio padro. Os resultados foram

representados em nmeros de clulas por mililitros de cultivo (cl.mL-1). Essa

metodologia permite a identificao da fase estacionria e determinao do

perodo de acmulo de lipdeos pelas clulas. A FIGURA 11 demonstra uma

curva tpica do crescimento das microalgas. Nesse grfico possvel observar

as distintas fases do crescimento dos micro-organismos em cultivos do tipo

batelada que consistem em: fase de adaptao ou fase lag, fase de

crescimento exponencial, fase de crescimento linear, fase estacionria e fase

de declnio ou morte celular.

FIGURA 11 CURVA TPICA DE CRESCIMENTO CELULAR. (1) FASE LAG, (2) FASE DE

CRESCIMENTO EXPONENCIAL, (3) FASE DE CRESCIMENTO LINEAR, (4) FASE ESTACIONRIA, (5) FASE DE DECLNIO

FONTE: Adaptado de Mata, Martins e Caetano (2010)

4.4.2 Determinao da Absorbncia

A determinao da absorbncia dos cultivos foi realizada em

espectrofotmetro da marca Perkin-Elmer atravs do software Lambda 25 -

54

UV/VIS Spectrometrer com cubetas de caminho ptico de 1 cm e comprimento

de onda de 540 nm. A gua destilada foi utilizada como branco para zerar a

leitura do equipamento. Atravs da anlise de absorbncia pode-se determinar

a turbidez dos cultivos, indicando maior ou menor presena de clulas e

biomassa de microalgas. Como visto na FIGURA 10-B, o efluente suno possui

natureza escura. Os cultivos realizados com o resduo apresentaram colorao

mais turva de acordo com a proporo de diluio em gua. Por esse motivo,

para a obteno de dados de aumento real desse parmetro, descontou-se o

valor inicial da absorbncia de cada ponto da curva em todos os cultivos,

incluindo o cultivo controle ( de absorbncia).

Para se evitar distores nas leituras e interpretaes incorretas dos

dados, quando a medida de absorbncia resultou em valor superior a 0,5

realizou-se diluies para se atingir a faixa de 0,1 a 0,5. Isso consiste em uma

prtica comumente realizada para determinao de absorbncia quando se

realiza estimativa do crescimento celular com micro-organismos.

4.4.3 Determinao de biomassa seca

A determinao de biomassa seca (g.L-1) foi realizada diariamente

atravs de metodologia gravimtrica sempre em triplicata em todos os cultivos.

Foram utilizados microfiltros de fibra de vidro Macherey-Nagel GF-1, dimetro

de 47 mm para filtragem utilizando bomba a vcuo. Primeiramente, os

microfiltros foram levados estufa com temperatura de 60 C at atingirem

massa constante para a retirada de sua umidade natural. A massa dos

microfiltros secos foi aferida.

Depois disso, trs amostras de 10 mL dos cultivos foram retiradas e

filtradas separadamente. Os microfiltros com as amostras foram levados

estufa a temperatura de 60 C at atingirem massa constante. O aparato de

filtragem, consistindo de bomba, filtro, membrana e filtrado pode ser observado

na FIGURA 12. As massas foram aferidas em balana analtica.

55

FIGURA 12 SISTEMA DE FILTRAO FONTE: O autor (2012)

O clculo do mtodo gravimtrico utilizado para mensurao da

biomassa seca em gramas por litros (g.L-1) foi:

V

FFLgBs 121 ).(

(1)

onde:

Bs biomassa seca da amostra (g.L-1)

F1 massa do microfiltro seco (g)

F2 massa do microfiltro com biomassa seca (g);

V volume de cultivo filtrado (L).

O efluente suno apresenta grande quantidade de slidos totais em sua

composio. Para uma avaliao mais correta do crescimento de biomassa, o

valor de biomassa seca inicial de cada cultivo foi subtrado das respectivas

56

medidas dirias desse parmetro ( de biomassa). Desta forma, eliminando-se

a interferncia dos slidos totais presentes no resduo nas diferentes

concentraes trabalhadas, est sendo considerada apenas a biomassa

produzida pelos cultivos.

4.4.4 Determinao de lipdeos totais

Para o clculo e mensurao dos lipdeos totais dos cultivos foi

realizada a metodologia de extrao a frio desenvolvida por Bligh e Dyer (1959)

e adaptada de Rodrguez et al. (2007). Para a extrao dos lipdeos utilizou-se

uma soluo de metanol e clorofrmio. As anlises foram realizadas em

triplicata.

Em cada uma das triplicatas, foram maceradas e aferidas a massa de

50 mg de biomassa seca anteriormente em estufa at massa constante. Aps,

foram colocadas em tubos de polipropileno de 15 mL. A cada uma das

amostras foi adicionado 3 mL da soluo de clorofrmio:metanol (2:1, v:v) e

10 L de soluo de butilhidroxi tolueno (BHT) 1% em metanol, como proteo

antioxidante e preservao da estrutura dos lipdeos poli-insaturados. Aps, as

amostras foram submetidas por 3 ciclos de 15 minutos em banho de ultrassom

(Unica Ultra Cleanner 1400, frequncia de 40 kHz). As amostras foram envoltas

em papel alumnio para proteo contra a luz e evitar a foto-degradao do

material. Tambm foram incubadas a 4 C por 24 horas para favorecer e

aumentar a extrao de lipdeos.

Em seguida, as amostras foram submetidas a mais 3 ciclos de

15 minutos em banho no ultrassom e depois centrifugadas por 20 minutos a

5000 rpm e 5 C. O sobrenadante foi recuperado e reservado. Adicionou-se

1,5 mL da soluo de clorofrmio:metanol biomassa que foi sedimentada

aps a centrifugao e essa mistura foi novamente centrifugada nas condies

anteriores. A fase lquida foi recuperada e adicionada ao reservado.

Por fim, adicionou-se 2 mL de gua destilada e 1 mL de clorofrmio ao

reservado, agitou-se e centrifugou-se as amostras a 5000 rpm por 10 minutos a

57

5 C. A fase inferior foi recuperada e reservada em vial de massa conhecida. A

fase aquosa foi lavada com 1 mL de clorofrmio, agitada e centrifugada nas

mesmas condies anteriores. A fase inferior foi transferida ao vial e este foi

levado capela de exausto, onde permaneceu at que todo o solvente

evaporasse. A seguir o vial teve sua massa novamente quantificada. A

FIGURA 13 representa o fluxograma referente extrao dos lipdeos. O

clculo do mtodo gravimtrico utilizado para a mensurao de lipdeos foi:

1000).( 121

C

BVVLmgLipdeos (2)

onde:

V1 massa do vial vazio (g);

V2 massa do vial com lipdeos (g);

B biomassa seca do cultivo (g.L-1);

C biomassa seca (g);

A determinao do teor de lipdeos em porcentagem consistiu em:

C

VVLipdeos

100(%) 12

(3)

58

FIGURA 13 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE EXTRAO A FRIO DE LIPDEOS PARA DETERMINAO ANALTICA


4.4.5 Determinao do pH dos cultivos

O pH dos cultivos foi determinado diariamente em phmetro digital da

marca Gehaka PG 1800. Microalgas e organismos fotossintetizantes

necessitam de dixido de carbono para o processo de fotossntese e produo

de seu prprio alimento. A anlise do pH importante para avaliar

indiretamente o consumo de CO2 pelas microalgas fornecido no processo de

aerao. O gs carbnico confere uma natureza cida aos cultivos e medida

que o pH se eleva a disponibilidade de dixido de carbono diminui,

normalmente relacionado a uma grande presena de clulas e,

consequentemente, uma maior demanda pelo gs citado.

59

4.5 RECUPERAO DA BIOMASSA

Para a separao da biomassa microalgal do meio de cultivo foi

utilizado o mtodo de floculao qumica por cloreto frrico heptahidratado

(FeCl3.7H2O). As condies de agitao foram: agitao rpida (500 rpm) por

2 minutos, agitao lenta (250 rpm) por 5 minutos e perodo de sedimentao

de 24 horas. A quantidade de cloreto frrico adicionada foi a necessria para

se obter uma soluo final de cultivo + floculante de 0,3 mmol.L-1. A FIGURA

14 mostra as etapas de antes, durante e depois do processo de floculao.

FIGURA 14 PROCESSO DE FLOCULAO QUMICA. (A) ANTES, (B) ADIO DE CLORETO FRRICO HEPTAHIDRATADO E AGITAO, (C) MICROALGAS FLOCULADAS


A B

C

60

4.6 EXTRAO E ANLISE DO PERFIL LIPDICO DO LEO DE

MICROALGAS

Aps a determinao da melhor condio de cultivo em escala

laboratorial, o experimento conduzido em reator airlifting (11 L) forneceu

biomassa suficiente para extrao do leo e posterior sntese de biodiesel.

Uma amostra de leo isolada dessa biomassa foi submetida anlise para

investigao do perfil lipdico e presena de cidos graxos (ANEXO 01). A

anlise foi realizada pelo CEPPA (Centro de Pesquisa e Processamento de

Alimentos) da Universidade Federal do Paran atravs de cromatografia

gasosa.

Os cidos graxos da biomassa foram extrados por saponificao. A

biomassa contendo cerca de 80% de umidade foi diretamente saponificada na

presena de NaOH (0,25 g.g de biomassa-1) e etanol (96,5% v/v 10 mL.g-1 de

biomassa), e agitada em Shaker durante uma hora a 180 rpm e 60 C

utilizando metodologia aprimorada por Schroeder et al. (2011).

Depois disso, realizou-se hidrlise cida com a adio de HCl

concentrado soluo alcolica at pH 1,0 para liberao dos cidos graxos

livres. Desse meio os cidos graxos foram obtidos atravs de extrao

utilizando hexano. O solvente foi posteriormente evaporado e os cidos graxos

isolados.

4.7 SNTESE DO BIODIESEL

A sntese do biodiesel a partir do leo extrado das microalgas foi

realizada por mtodo enzimtico atravs de lipases fngicas de Penicillium

sumatrense e Aspergillus fumigatus, gentilmente cedidas pela biotecnloga

Anne Caroline Defranceschi Oliveira. Tais enzimas foram cultivadas por

Fermentao em estado slido (FES) utilizando semente de girassol como

substrato. O slido fermentado passou por processo de delipidao a fim de

61

impedir a interferncia do material graxo presente no slido fermentado nas

reaes de sntese.

Para delipidao, o slido fermentado foi seco e submetido extrao

do material graxo atravs da adio de 10 mL de hexano para cada grama de

slido fermentado seco e incubados em shaker a 180 rpm e temperatura

ambiente por 1 hora.

Aps a delipidao obteve-se o extrato bruto enzimtico pela adio de

5 mL de soluo de NaCl 1% para cada grama de substrato slido, sendo este

mantido em agitao por 1 hora a 100 rpm. Filtrou-se e centrifugou-se a

2000 rpm por 8 min, desprezando-se o precipitado. Com o meio fermentado

recuperado, o extrato bruto foi liofilizado.

A esterificao dos cidos graxos de microalgas foi realizada em

frascos erlenmeyers de 125 mL, contendo um volume reacional de 10 mL. Em

cada frasco foram adicionados o slido fermentado numa proporo

equivalente a 60 U (unidade de atividade enzimtica), 50 mmol.L-1 de cido

graxo, 450 mmol.L-1 de metanol e 10 mL de hexano. As reaes foram

incubadas em Shaker a 30 C e 180 rpm, e acompanhadas por 12 horas.

Para a determinao da converso de cidos graxos em steres foi

utilizado um mtodo espectrofotomtrico descrito por Lowry e Tinsley (1976).

Este mtodo foi usado previamente em trabalhos descritos na literatura, e

apresentou grande preciso na quantificao de cidos graxos, demonstrados

pelo acompanhamento simultneo da quantificao dessas substncias atravs

de cromatografia gasosa (BARON et al., 2005; FERNANDES et al., 2007).

Essa metodologia baseia-se na ligao entre os cidos graxos livres e

os ons Cobre II em meio orgnico, possibilitando a avaliao do percentual de

cidos graxos convertidos a steres. Desta forma, o acompanhamento da

reao de converso de cidos graxos em steres fundamentou-se no

acompanhamento do desaparecimento do substrato no meio reacional. Quando

a quantidade de cidos graxos diminui em 100%, considerou-se que a reao

teve 100% de converso biodiesel (metil steres). Assim sendo, para a

realizao das anlises, a quantidade de 0,2 mL do meio reacional foram

adicionados a 2,4 mL de tolueno e 0,5 mL da soluo de piridina e acetato de

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cobre (5%). As reaes foram agitadas em vrtex por 30 segundos e a fase

orgnica lida em espectrofotmetro em 715 nm.

4.8 ANLISE DA BIORREMEDIAO DO RESDUO SUNO

Aps o processo de separao e floculao qumica do cultivo de

microalgas (descrito no item 4.5), o sobrenadante e o efluente suno bruto

foram submetidos analise de cargas de fosfato, nitrato, nitrito, nitrognio total,

nitrognio orgnico e nitrognio amoniacal para determinao de remoo de

matria orgnica e biorremediao do resduo suno pelas microalgas

(ANEXO 02 e ANEXO 03).

4.9 ANLISE ESTATSTICA

Os valores grficos de densidade celular, biomassa seca, absorbncia

e pH apresentados nessa dissertao so as mdias das triplicatas das

amostras de cada experimento duas vezes o desvio padro. O desvio padro

foi multiplicado por 2 para abranger 95% de confiabilidade das amostras

considerando uma distribuio normal, conforme a FIGURA 15.

Para verificar se houve diferena estatstica entre os valores obtidos

em todos os parmetros foi realizada a anlise de varincia pelo teste t com o

auxlio do software ASSISTAT, verso 7.6 beta. O teste t foi aplicado ao nvel

de 95% de confiabilidade de diferena estatstica (p < 0,05). Os pontos

assinalados com asterisco (*) nos grficos demonstram que houve diferena

estatstica entre as condies comparadas.

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FIGURA 15 REPRESENTAO NORMAL SIMTRICA FONTE: Adaptado de Rodrigues (2008)

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5 RESULTADOS E DISCUSSO

A microalga Scenedesmus sp. foi cultivada em batelada por perodos

de at 15 dias em escala laboratorial sob condies controladas e em reatores

airlifting expostos a condies ambientais, ou seja, sem controle de

temperatura e luminosidade. Nos cultivos de escala laboratorial foram

realizadas diariamente contagens celulares, quantificao de biomassa seca e

biodiesel de microalgas cultivadas em dejeto suíno biodigerido

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