camila agner e luiza schroeder (2009)
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UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARANA DEPARTAMENTO ACADMICO DE QUMICA E BIOLOGIA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM QUMICA AMBIENTAL
CAMILA AGNER DAQUINO LUIZA SCHROEDER
PROPOSTA DE SISTEMA DE BAIXO CUSTO PARA CULTIVO DE MICROALGAS
TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO
CURITIBA 2009
CAMILA AGNER DAQUINO LUIZA SCHROEDER
PROPOSTA DE SISTEMA DE BAIXO CUSTO PARA CULTIVO DE MICROALGAS
Trabalho de Concluso de Curso, apresentado disciplina de Trabalho de Concluso de Curso 2, do Curso Superior de Tecnologia em Qumica Ambiental do Departamento Acadmico de Qumica e Biologia DAQBI da Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR, como requisito parcial para obteno do ttulo de Tecnlogo. Orientador: Prof Dr. Marcelo Real Prado Co-orientador: Msc. Alexandre Akira Takamatsu
CURITIBA 2009
Camila Agner DAquino Dedico este trabalho... ...aos meus amados pais, Everson e Ieda, por todo amor, carinho e incentivo que sempre me deram e por serem meus exemplos de vida, ...aos meus irmos, Isa, Rafinha e Bruno, que completam essa famlia maravilhosa; sem vocs eu nada seria, ...ao meu amor, Helder, cuja presena me ensinou a ser uma pessoa melhor.
Luiza Schroeder Dedico este trabalho minha famlia, em especial minha me Margareth pelo seu amor, exemplo e eterno apoio.
AGRADECIMENTOS Em meio a tantas pessoas que nos ajudaram no decorrer do desenvolvimento deste trabalho, gostaramos de agradecer em especial, Ao Prof. Dr. Marcelo Real Prado pela orientao, incentivo e confiana depositada desde o incio neste projeto; Ao nosso co-orientador, chefe, amigo e mestre, Msc. Alexandre Akira Takamatsu pela credibilidade em ns depositada, por sempre nos mostrar o caminho e pelos conselhos sempre muito vlidos; A todos nossos colegas da Diviso de Tecnologias Sociais, em especial Sakuma, Elisa e Gabriel, pela criatividade e esprito inovador, essenciais neste projeto e pelos inmeros momentos de descontrao e amizade; Aos Laboratrios de Qumica Ambiental e Qumica Industrial, pela concesso dos equipamentos fundamentais realizao do projeto, em especial a Thiago Villa, Guilherme Zemke, Marco Netzel e Homero Arajo; A Diviso de Manuteno, pela pacincia e pela concesso de ferramentas; A Dra. Roberta Mara Zge pelo fomento aos materiais do equipamento desenvolvido; Ao Laboratrio de Microbiologia, em especial a Izabel Figel e Carmen Etsuko pela simpatia e contribuio fundamental no projeto; Ao Instituto Ambiental do Paran, em especial biloga Ana Carolina Wosiack, pelas informaes cedidas; Ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia e Cincia de Materiais, em especial ao Dr. Andr Bellin Mariano, pela consultoria e apoio; A Fundao Araucria pelo fomento dado ao projeto atravs da Iniciao Cientfica; banca, pelas correes atenciosas; As nossas famlias, pelo amor, amizade, compreenso e apoio dados durante o desenvolvimento desse trabalho e pelo porto seguro que sempre foram; A Deus que sempre esteve ao nosso lado e foi nosso apoio em momentos difceis; A todos que, de alguma forma, contriburam ao desenvolvimento deste trabalho.
Quem nunca errou nunca experimentou nada novo. (Albert Einstein)
S a experincia prpria capaz de tornar sbio o ser humano. (Sigmund Freud)
RESUMO DAquino, Camila Agner; Schroeder, Luiza. Proposta de fotobiorreator de baixo custo para cultivo de Microalgas. 2009. 100 folhas. Trabalho de Concluso de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Qumica Ambiental), Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Curitiba, 2009.
O presente trabalho teve por objetivo construir e implementar um fotobiorreator para cultivo de microalgas, utilizando materiais e mtodos de baixo custo. Para isto, utilizou-se uma cultura mista de microalgas coletada no Parque Tingui, aps levantamento bibliogrfico. Inicialmente, testou-se a utilizao de efluente de biodigestor para fornecimento de nutriente cultura em cmara fotossinttica com iluminao artificial, o crescimento da cultura mista nesse meio foi avaliado segundo a concentrao de clorofila-a, extrada com acetona 90%. Foram testadas as concentraes de 10%, 20% e 30% de efluente de biodigestor, o ensaio foi realizado em triplicata. Os testes que obtiveram o melhor resultado foram de 10% e 20% de efluente. Para obteno de um volume inculo suficiente para o fotobiorreator, os inculo iniciais foram repicados em sua fase de crescimento exponencial. Paralelamente, o fotobiorreator foi projetado segundo dados da literatura, objetivando maximizar a utilizao da luz solar, empregando-se materiais de baixo custo e otimizao do sistema de entrada, sada e controle de temperatura. O material utilizado foi o PETG e o modelo escolhido foi um fotobiorreator semi-aberto de placas planas adaptadas com chicanas para aumentar o tempo de reteno da cultura dentro do equipamento. Foi realizado um teste de comparao entre o meio formulado Chu e efluente de biodigestor, em termos de produtividade de biomassa e cintica de crescimento dos cultivos. O efluente de biodigestor mostrou-se to adequado quanto o meio CHU para o crescimento da cultura mista, com fase de adaptao menor, em torno de 3 a 5 dias, e produtividade mxima em torno de 100mg.L-1.d-1. No equipamento foram inoculadas culturas que apresentavam o melhor estado fisiolgico de acordo com a relao clorofila-a/feofitina-a no momento da partida. Foram determinados os gneros predominantes no projeto, verificou-se que aps a estabilizao do funcionamento do fotobiorreator, o gnero Chlorococum (clorofcea) predominou no meio, com mnima presena de bactrias e protozorios. Obtiveram-se resultados distintos para as trs bateladas realizadas durante o projeto, variando a quantidade de inculo e de efluente, sendo que a melhor batelada foi a segunda, cujo resultado de produtividade chegou a 34,67 mg.L -1.d-1. Dos cultivos tem se que as microalgas adaptaram-se bem ao efluente e este apresentou boa depurao da carga poluidora aps o cultivo, diminuindo a concentrao de fsforo, nitrognio e demandas de oxignio. O fotobiorreator apresentou regies de quebra de carga, resultando na sedimentao das microalgas, no entanto o crescimento em termos de biomassa foi considerado satisfatrio. Palavras-chave: Fotobiorreator. Microalgas. Efluente de Biodigestor. PETG.
ABSTRACT D'Aquino, Camila Agner, Schroeder, Luiza. Proposal for low-cost photo bioreactor for cultivation of microalgae. 2009. 100 folhas. Conclusion of Undergraduate (Technology in Environmental Chemistry), Federal Technological University of Paran. Curitiba, 2009. The goal of this work was to build and implement a photobioreactor to grow algae using low cost methodologies and materials. A non axenic algae culture collected at Tingui Park (Curitiba Parana State Brazil) was used. Digester effluent was the nutrient source for growing initially inside an artificial illumination chamber. The development of the non axenic culture was evaluated by determination of chlorophylla extracted with acetone (90%). The effluent concentrations used were 10%, 20% and 30% in triplicate. The results used were 10% and 20%. To obtain inoculum enough for batch photobioreactor cultivation, the non-axenic algae culture was reinoculated successively during exponential growing phase. The photobioreactor was designed according to compilation from many bibliographic sources aiming to maximize solar light use. Using low cost materials and temperature control, input and output optimization. The material used was PETG and the model chosen was a partially open, plate photobioreactor with baffles to increase retention time. A comparison test was made to compare synthetic nutrient medium (CHU medium) with digestor effluent in terms of biomass productivity kinetic. The digestor effluent showed results as good as the synthetic medium with the advantage of less adaptation time (3 to 4 days) and maximum productivity around 100mg.L -1.d-1. The photobioreactor inoculum used was evaluated to be in a good physiological state based on chlorophyll-a and pheophtin relationship. The predominant algae genres were determined and after stabilization of the cultivation in the photobioreactor, the genre Chlorococum was predominant, with a little contamination of bacteria and protozoa. Different results were obtained during the three batches made that varied inoculum and effluent volume used. The best result came from the second batch where the productivity reached 34,67 67 mg.L -1.d-1. The algae adapted well to effluent as the nutrient source at the same time decreasing its pollution load. Decreasing levels of phosphorous, nitrogen and dissolved organic carbon. The photobioreactor showed regions of flow rate resulting in cells sedimentation, although the biomass growth was considered satisfactory. Key-words: Photobioreactor. Microalgaes. Digester Effluent. PETG.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Molcula de clorofila-a .............................................................................. 22 Figura 2 - Obteno da feofitina-a a partir da clorofila-a. .......................................... 23 Figura 3 - Esquema de sistema de cultivo por lagoas abertas. ................................. 26 Figura 4 - Esquema de fotobiorreator de coluna vertical ........................................... 28 Figura 5 - Esquema de fotobiorreator de placa plana ............................................... 29 Figura 6 - Esquema do cultivo em fotobiorreatores tubulares ................................... 29 Figura 7 - Parque Tingui vista area. ..................................................................... 35 Figura 8 - Cmara Fotossinttica Vista frontal ....................................................... 39 Figura 9 Esquema de repique das culturas ............................................................ 41 Figura 10 Cultivo de microalgas em diferentes concentraes de efluente ........... 52 Figura 11 - Crescimento de biomassa em diferentes concentraes de efluente. .... 53 Figura 12 Curva de Crescimento do Cultivo EFLU-10 ........................................... 54 Figura 13 Curva de Crescimento do Cultivo EFLU 20 ......................................... 55 Figura 14 Desvio padro da Curva de Crescimento EFLU-10. .............................. 57 Figura 15 Desvio Padro da Curva de Crescimento EFLU-20. .............................. 57 Figura 16 - Amostras repicadas - Cmara Fotossinttica ......................................... 58 Figura 17 Mdia de pH e temperatura para os cultivos EFLU-10........................... 60 Figura 18 Mdia de pH e temperatura para os cultivos EFLU-20........................... 60 Figura 19 - Tubos de centrfuga com extrato de clorofila-a ....................................... 63 Figura 20 Concentraes de clorofila-a e feofitina-a no - Amostra EFLU10......... 63 Figura 21 Concentraes de clorofila-a e feofitina-a - Amostra EFLU 20 ........... 64 Figura 22 - Crescimento em meio sinttico X efluente .............................................. 65 Figura 23 Aspecto visual do cultivo em meio CHU e em efluente .......................... 66 Figura 24 - Closterium spp ........................................................................................ 68 Figura 25 - Micrografia do cultivo em bancada Closterium spp .............................. 69 Figura 26 - Scenedesmus spp................................................................................... 69 Figura 27 - Navicula spp ........................................................................................... 70 Figura 28 - Chlorococcum spp .................................................................................. 71 Figura 29 - Transmisso de luz do PETG ................................................................. 73 Figura 30 - Crescimento da biomassa no FBRT 1 batelada ................................. 76 Figura 31 - Valores de temperatura e pH 1 Batelada ............................................ 77 Figura 32 - Crescimento da biomassa no FBRT 2 batelada ................................. 78 Figura 33 - Valores de pH e temperatura 2 batelada ............................................ 79 Figura 34 - Crescimento da biomassa no FBRT 3 batelada ................................. 80 Figura 35 - Valores de pH e temperatura 3 batelada ............................................ 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Vantagens e limitaes de vrios sistemas de cultivo de microalgas. ..... 30 Tabela 2 - Planejamento Experimental do Experimento B ........................................ 39 Tabela 3 - Composio do meio CHU. ...................................................................... 40 Tabela 4 Resultado dos ensaios laboratoriais do efluente de biodigestor filtrado .. 51 Tabela 5 Concentraes de Nutrientes do Efluente Diludo ................................... 51 Tabela 6 - Ensaio de Clorofila-a/Feofitina-a para Amostra Pura ............................... 53 Tabela 7 - Produtividades mximas dos cultivos em bancada .................................. 56 Tabela 8 Parmetros Fsico-qumicos antes e depois do cultivo ............................ 67 Tabela 9 - Resultado do teste de impacto anterior e posterior ao envelhecimento ... 72 Tabela 10 Valores do ensaio de biomassa encontrados na 1 batelada ................ 75 Tabela 11 - Valores do ensaio de biomassa encontrados na 2 batelada ................. 78 Tabela 12 - Valores do ensaio de biomassa encontrados na 3 batelada ................. 80 Tabela 13 Comparativo das bateladas realizadas no fotobiorreator ...................... 82 Tabela 14 Valores de mercado dos materiais utilizados para confeco de fotobiorreatores ......................................................................................................... 85
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
CETESB CO2 ETA FBRT HCl IAP INDAC Mg2+
Companhia Ambiental do Estado de So Paulo Molcula de dixido de carbono
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente Estao de Tratamento de gua Fotobiorreator cido Clordrico Instituto Ambiental do Paran Instituto Nacional Para Desenvolvimento Do Acrlico on magnsio Bicarbonato de Sdio Hidrxido de Sdio on amnio on nitrato Molcula de oxignio Politereftalato de etileno poli(tereftalato ciclohexileno) PO43TECPAR on fosfato Instituto de Tecnologia do Paran de etileno-co-tereftalado de 1,4-ciclohexadimetil-
NaHCO3 NaOH NH4+ NO3O2 PET PETG
SUMRIO
1 INTRODUO ........................................................................................................ 11 2 OBJETIVOS ............................................................................................................ 13 3 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................... 14 3.1 MICROALGAS .................................................................................................... 14 3.1.1 Classificao .................................................................................................. 15 3.1.2 Aspectos Limnolgicos do Desenvolvimento de Microalgas .......................... 18 3.1.3 Aplicaes biotecnolgicas das microalgas .................................................... 23 3.1.4 Microalgas no tratamento de efluentes ........................................................... 24 3.2 SISTEMAS DE CULTIVO ................................................................................... 25 3.2.1 Lagoas abertas ............................................................................................... 25 3.2.2 Fotobiorreatores fechados .............................................................................. 26 3.3 CONDICIONANTES EM FOTOBIORREATORES .............................................. 31 3.3.1 Luz .................................................................................................................. 31 3.3.2 Velocidade de escoamento ............................................................................ 32 3.3.3 Necessidade de nutrientes ............................................................................. 32 3.3.4 Fonte de carbono............................................................................................ 33 3.3.5 Inculo ............................................................................................................ 34 4 MATERIAIS E MTODOS ...................................................................................... 35 4.1 COLETA DAS MICROALGAS ............................................................................ 35 4.2 COLETA DO EFLUENTE E CARACTERIZAO DOS PARMETROS FSICOQUMICOS .................................................................................................................. 36 4.3 DISPOSITIVO PARA GERAO DE CO2 .......................................................... 37 4.4 CULTIVO DE MICROALGAS EM ESCALA DE BANCADA ................................ 38 4.4.1 Experimento A Cultivo em diferentes concentraes de efluente ................ 38 4.4.2 Experimento B Cultivo para obteno do inculo ........................................ 39 4.4.2.1 Escalonamento do cultivo em bancada ........................................................ 41 4.4.2.2 Avaliao do crescimento da cultura de microalgas ..................................... 42 4.4.2.3 Avaliao da depurao do efluente pelo cultivo de microalgas .................. 43 4.5 IDENTIFICAO MORFOLGICA DE MICROALGAS ...................................... 44 4.6 CONSTRUO DO FOTOBIORREATOR EM ESCALA PILOTO ...................... 44 4.6.1 Material ........................................................................................................... 46 4.6.1.1 Teste de envelhecimento.............................................................................. 47 4.6.1.2 Teste de absortividade ................................................................................. 48 4.6.1.3 Teste de escoamento ................................................................................... 48 4.6.2 Partida no fotobiorreator ................................................................................. 48 4.7 AVALIAO DO CRESCIMENTO NO FOTOBIORREATOR ............................. 49 4.7.1 1 batelada...................................................................................................... 49 4.7.2 2 batelada...................................................................................................... 50 4.7.3 3 Batelada ..................................................................................................... 50 4.8 ANLISE DE VIABILIDADE ECONMICA ......................................................... 50 5 RESULTADOS E DISCUSSO .............................................................................. 51 5.1 ENSAIOS LABORATORIAIS DO EFLUENTE DE BIODIGESTOR .................... 51 5.2 Experimento A .................................................................................................... 52 5.3 Experimento B .................................................................................................... 53 5.3.1 Determinao Quantitativa do Cultivo em Cmara ......................................... 59 5.3.2 Fatores que influenciaram no crescimento ..................................................... 59 5.3.2.1 Temperatura e pH ........................................................................................ 59
5.3.2.2 Meio De Cultivo e Fonte De Carbono ........................................................... 61 5.3.2.3 Agitao e Aerao ...................................................................................... 62 5.3.3 Estado Fisiolgico dos Cultivos em Bancada ................................................. 62 5.4 Comparao do crescimento em meio efluente e em meio CHU ....................... 64 5.5 ANLISE DA DEPURAO DO EFLUENTE DE BIODIGESTOR ..................... 66 5.6 ANLISE QUALITATIVA DAS MICROALGAS ................................................... 68 5.7 TESTES COM O MATERIAL .............................................................................. 72 5.7.1 Teste de Envelhecimento ............................................................................... 72 5.7.2 Teste de absortividade/transmisso de luz..................................................... 73 5.8 FOTOBIORREATOR .......................................................................................... 74 5.8.1 Partida ............................................................................................................ 74 5.8.2 Cultivos ........................................................................................................... 75 5.8.2.1 Primeira batelada ......................................................................................... 75 5.8.2.2 Segunda batelada ........................................................................................ 77 5.8.2.3 Terceira batelada .......................................................................................... 80 5.9 VIABILIDADE ECONMICA ............................................................................... 83 6 CONSIDERAES FINAIS .................................................................................... 86 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................ 88 APNDICE A Modelagem 3D do fotobiorreator ....................................................... 96 APNDICE B Coleta de microalgas ......................................................................... 97 APNDICE C Biodigestor......................................................................................... 97 APNDICE D Termomoldagem do Fotobiorreator ................................................... 98
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1 INTRODUO
H dcadas j se conhece a diversidade de produtos derivados das microalgas. Produtos farmacuticos, qumicos, alimentos para humanos e raes animais, so alguns exemplos (ANDERSON; KOMMAREDDY; SCHIPULL, 2002). Mais recentemente, vem crescendo o interesse no uso de microalgas para obteno de biocombustveis. O cultivo de microalgas apresenta vrias caractersticas interessantes, como custos relativamente baixos para transporte, menor gasto de gua - comparados aos de cultivo de plantas. As microalgas apresentam maior eficincia fotossinttica do que os vegetais superiores e podem ser cultivadas em meios de baixo custo e em condies no adequadas para a produo de culturas convencionais; alm disto, so eficientes fixadoras de CO2 (TEIXEIRA; MORALES, 2006). Se compararmos as algas com os vegetais superiores, o controle das condies ambientais (gua, temperatura, nutrientes) pode ser mais simplificado para manter os valores adequados por um longo perodo de tempo e em larga escala para culturas microalgais. As plantas vasculares esto sujeitas a limitaes quanto disponibilidade de gua, concentrao de CO2 atmosfrico, assim como os macro e micronutrientes que geralmente no se encontram disponveis. Assim sendo, o uso de gua, para produzir um g/m2 pequeno para as microalgas e grande para irrigar as plantas de agricultura (BENEMANN; OSWALD, 1996). Segundo Borowitzka (1999), estes organismos podem ser cultivados em diversos sistemas de produo com volume variando desde poucos at bilhes de litros. Os sistemas comumente empregados so pouco sofisticados, uma vez que existem vrias iniciativas de desenvolvimento de cultivos a cu aberto, sob condies naturais de iluminao e temperatura, e com baixo ou nenhum controle destes parmetros ambientais. Segundo Tredici (2004 apud DERNER et al., 2006) alguns cultivos tm sido desenvolvidos em equipamentos especficos, denominados fotobiorreatores (photobioreactors), nos quais, os cultivos so realizados em sistema fechado, onde possvel controlar as condies de cultivo (quantidade dos nutrientes, temperatura, iluminao, pH etc.). Isto implica em uma elevada produtividade, viabilizando a
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produo comercial de uma srie de compostos de elevado valor com necessidade superficial muito menor do que a de tanques abertos (PREZ, 2007). Segundo Duarte Filho, Radmann e Costa (2003) pesquisas relacionadas com a interao entre intensidade luminosa, temperatura, agitao e concentrao de nutrientes podem contribuir para a otimizao do cultivo, auxiliando na diminuio do custo desses sistemas. Vonshak (1997 apud ANDRADE; COSTA, 2008) afirma que em cultivos de microalgas a fonte de nutrientes consiste no segundo maior componente dos custos de produo. Assim, pressupe-se que a busca por fontes de nutrientes de baixo custo uma das variveis que mais resultaria na diminuio do custo para a produo em larga escala. Estudos vm sendo realizados devido a capacidade das microalgas em utilizar nutrientes provindos de resduos agropecurios no incremento de biomassa, diminuindo a carga de nutrientes nos crregos devido ao lanamento indevido desses resduos (ANDERSON; KOMMAREDDY; SCHIPULL, 2002). As microalgas apresentam um importante potencial de aplicao em biotecnologia ambiental, como resultado de suas habilidades em assimilar nutrientes, como matria orgnica, NO3-, PO43-, NH4+, CO2 e metais pesados (LOPES, 2007), sendo assim, uma alternativa no tratamento de efluentes com elevada carga poluidora como, por exemplo, o da suinocultura. Vrias tm sido as alternativas utilizadas no tratamento de efluentes da suinocultura; entretanto, todas elas geram um custo adicional para o produtor que, na maioria das vezes, est impossibilitado de arcar com este nus, pois so, geralmente, pequenos produtores rurais que j trabalham com pequena margem de lucro (RODRIGUES; BELLI, 2004). A algocultura acoplada a um sistema de tratamento de dejeto de suno tem como principal objetivo, alm de reciclar o efluente, agregar valor ao processo, devido ao alto valor nutritivo da massa algal produzida (RODRIGUES; BELLI, 2004).
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2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver um sistema de baixo custo em escala piloto para cultivo de microalgas.
2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Caracterizar o efluente proveniente de biodigestor em relao aos parmetros fsico-qumicos; Avaliar a utilizao de efluente proveniente de biodigestor como fonte de nutrientes para o cultivo de microalgas coletadas em parque da cidade de Curitiba;
Identificar das espcies da cultura mista obtida no projeto; Avaliar a capacidade de depurao do efluente de biodigestor atravs do cultivo de microalgas; Verificar condicionantes de escalonamento do inoculo de microalgas a ser utilizado no fotobiorreator; Construir, implementar e avaliar fotobiorreator em escala piloto, associado ao cultivo de microalgas em cultura mista, com melhor relao
custo/benefcio; Comparar a viabilidade econmica em relao a outros sistemas j existentes.
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3 REVISO BIBLIOGRFICA
3.1
MICROALGAS
As algas compreendem um grupo bastante heterogneo de organismos no que diz respeita morfologia, ao grau de complexidade da estrutura celular e ainda ao tamanho. Devido a esta grande variabilidade, as algas so geralmente divididas em Microalgas e Macroalgas (LAMBRIA et al.,2007) Consideram-se Microalgas aquelas que so visualizadas somente com a ajuda de uma lupa ou microscpio, apresentam dimenses muito reduzidas (existem algas com apenas 0,001 mm de dimetro). So, via de regra, organismos simples, constitudos por uma clula ou um nmero relativamente pequeno de clulas. As microalgas unicelulares constituem a base das cadeias trficas aquticas. Vivem em suspenso (fitoplncton) ou aderidas ao substrato consolidado ou arenoso (microfitobentos), podendo estar isoladas ou em cadeias. As caractersticas taxonmicas e a dinmica espao-temporal das comunidades microalgais so estabelecidas pelo regime meteorolgico, circulao e caractersticas
geomorfolgicas regionais, podendo ser alteradas por impactos antropognicos nas reas costeiras (BRANDINI et al., 1997) e por fatores biolgicos, sobretudo nas relaes trficas. A diversidade das microalgas evidenciada por apresentar nove divises de organismos eucariticos e duas divises de procariticos. Estes organismos ocupam praticamente todos os tipos de habitats da Biosfera: gua doce, salgada, gelo, solos, rochas e cascas de rvores, ocorrendo nos ambientes mais extremos como regies polares e desrticas graas as suas eficientes adaptaes morfo-fisiolgicas (HOEK; MANN; JAHNS 1995). Caracteristicamente fotoautotrficas, produzem oxignio durante a
fotossntese e crescem em meio inorgnico em que o dixido de carbono a nica fonte de carbono. Podem ser unicelulares, ou se organizarem em colnias de clulas, atravs de filamentos. Diferentemente das plantas superiores, as algas no possuem sistema vascular, a maioria assimila os nutrientes diretamente do ambiente. Quando as condies do meio so favorveis, a reproduo das algas
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tende a ser assexuada, porm, dependendo das condies, tambm podem se reproduzir de forma sexuada, o que provoca aumento da variabilidade gentica. Algumas realizam simbiose com fungos, outras so epfitas (crescem em outras plantas). As algas contribuem em grande parte na produtividade primria (converso de CO2 em carbono orgnico) dos oceanos e ambientes aquticos e so essenciais no ciclo do oxignio. Estimativas da importncia da fotossntese das microalgas sugerem que elas produzem 50% do oxignio liberado na atmosfera pela fotossntese (KETCHUM,1988). Entretanto, quando a populao de algas se torna massiva em conseqncia da poluio das guas com nutrientes contendo nitrognio e fosfatos, o crescimento excessivo de microalgas diminui a transparncia da gua, causando morte de outros organismos. O carbono fixado pelas microalgas incorporado na forma de carboidratos, lipdios e protenas. Desse modo, energia, produtos e alimentos podem ser produzidos a partir da biomassa microalgal. As caractersticas metablicas das microalgas fazem com que estes microrganismos apresentem uma importante fonte de recursos a serem explorados. Associados ao metabolismo fotossinttico, a respirao e a fixao de nitrognio constituem importantes rotas metablicas, passveis de serem exploradas biotecnologicamente para diversos propsitos (SUBRAMANIAN; THAJUDDIN, 2005 apud LOPES, 2007).
3.1.1 Classificao
Sob a denominao microalgas esto includos organismos com dois tipos de estrutura celular: estrutura procaritica, com representantes nas Divises Cyanophyta (cianobactrias) e Prochlorophyta; estrutura celular eucaritica, com representantes nas Divises Chlorophyta, Euglenophyta, Rhodophyta, Haptophyta (Prymnesiophyta), Heterokontophyta (Bacillariophyceae, Chrysophyceae,
Xantophyceae etc.), Cryptophyta e Dinophyta, segundo Hoek; Mann e Jahns (1995),
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apud DERNER et al. (2006). A seguir, apresenta-se uma breve descrio das divises de microalgas identificadas neste projeto.
3.1.1.1
Cianobactrias
As cianobactrias so organismos procariticos, logo no apresentam sistema endomembranar, o que permite que determinadas estruturas internas sejam isoladas do citoplasma e desempenhem a sua funo de forma autnoma. A fotossntese nestas microalgas estimulada por baixos teores de O 2, o que justifica a sua adaptao atmosfera do Pr-Cambriano, caracterizada pela ausncia de O2 livre. Existem cianobactrias unicelulares, coloniais e filamentosas. Alguns gneros produzem clulas diferenciadas como heterocistos (clulas aparentemente sem contedo quando observadas em microscpio), especializados na fixao de nitrognio. No que diz respeito aos pigmentos fotossintticos, a maioria possui clorofila-a juntamente com vrias protenas chamadas ficobilinas (que do clula a tpica cor azulada); outros gneros no possuem ficobilinas e tm clorofila-b alm da a, o que lhes confere uma colorao verde brilhante. Atualmente, a maioria dos gneros de algas azuis encontra-se em gua doce, mas algumas so marinhas ou podem ser encontradas em solos midos. Outros gneros so endossimbiontes em lquens ou em vrios protistas, fornecendo energia aos seus hospedeiros (HOEK; MANN; JAHNS 1995). um grupo que representa riscos potenciais em curto prazo, pois se desenvolvem com rapidez em locais eutrofizados. Alguns deles apresentam vacolos gasosos e as suas floraes tm um aspecto de nata verde na superfcie do corpo dgua.
3.1.1.2
Clorfitas ou Algas Verdes
No grupo das Clorfitas, algas eucariticas, existem desde formas microscpicas at formas que podem atingir 8 metros de comprimento. Morfologicamente, um grupo muito diversificado, existindo formas unicelulares, coloniais e filamentosas. A grande maioria dos gneros, aproximadamente 90%, de gua doce, apresentando uma ampla distribuio no planeta. o grupo
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predominante do plncton de gua doce. A maior parte das formas marinhas encontra-se em guas tropicais e subtropicais, fazendo parte dos bentos. Sua cor varia de verde amarelado, verde intenso ao acastanhado, predominantemente a clorofila associada aos carotenides e xantofilas. Esses pigmentos so localizados em estruturas denominadas plastos, cloroplastos, ou cromatforos. O amido que se deposita no plastos em estruturas denominadas pirenides material de reserva (BARSANTI; GUALTIERI, 2005). um grupo problemtico em uma Estao de Tratamento de gua (ETA) quando entram em florao pelo fato de produzirem matria orgnica que deve ser retirada no processo de decantao. Especialmente quando filamentosas, pois criam problemas com os flocos que ao invs de decantarem acabam flotando.
3.1.1.3
Diatomceas
Sua principal caracterstica est na presena de uma carapaa denominada frstula, constituda de slica e formada de duas metades ou valvas que se encaixam encerrando a clula. As diatomceas podem apresentar duas vistas diferentes: uma vista valvar em que a alga apresenta apenas uma das valvas e a outra vista plural em que se pode ver o lado da alga, isto , a linha de encaixe entre as duas valvas (BARSANTI;GUALTIERI, 2005).
3.1.1.4
Euglenfitas ou Algas Flageladas
So algas dotadas de flagelos como meio de locomoo e no se enquadram nos grupos anteriores. Todos os seres flagelados possuem em comum clorofila e flagelos, quanto aos outros caracteres pode haver outras variaes uma vez que pertencem a vrios grupos diferentes. Portanto, podem apresentar plastos que variam do verde, amarelo ao pardo contendo clorofila, carotenides, e xantofilas (HOEK; MANN; JAHNS 1995). Este grupo importante, pois vrios deles so indicadores de despejo de matria orgnica ou produzem mesmo quando em pequena quantidade na gua bruta, problemas de sabor e odor na gua final, ou entupimentos de filtros.
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3.1.2 Aspectos Limnolgicos do Desenvolvimento de Microalgas
3.1.2.1
Luz
A fotossntese ocorre somente nas camadas superficiais lquidas que recebem luz. Em lagos profundos, observa-se a existncias de duas regies, quanto ao ambiente lumnico: a superior, onde h luz suficiente para que a quantidade de oxignio produzido por meio da fotossntese exceda a requerida para a respirao em 24 horas e, a inferior ou profunda, na qual o consumo de oxignio excede a quantidade produzida por fotossntese, pois a luz escassa ou ausente. A intensidade luminosa que atinge a superfcie do lago diminui exponencialmente com a profundidade devido absoro por compostos orgnicos dissolvidos, pelas molculas de gua e partculas suspensas, as quais tambm causam a disperso da luz, influindo na distribuio vertical das algas. Alm do uso da energia solar por organismos fotossintticos, esta dissipada na forma de calor e define a estrutura trmica dos lagos (BARSANTI; GUALTIERI, 2005).
3.1.2.2
Calor e Temperatura
Durante a primavera e vero em regies temperadas ou durante pocas de calmaria em regies tropicais, o calor acumulado principalmente na superfcie de lagos, de forma que a gua superficial mais quente, apresenta menor massa especfica e o lago se estratifica termicamente. A regio intermediria se reveste de grande importncia para o fitoplncton, pois quando os organismos que esto sedimentando a alcanam so freados pelo fato de ser menor a massa especfica da gua e a permanece, o que explica a grande quantidade de algas nessa regio. Quando a temperatura do ar diminui, a gua da superfcie resfriada em grau suficiente para promover mistura das zonas e eliminar a estratificao, e o plncton se distribui de maneira relativamente uniforme desde a superfcie at profundidades maiores (ESTEVES,1998). A temperatura tima para o crescimento de microalgas e cianobactrias, situa-se geralmente entre 25C a 35C (GROSSMAM et al., 1994).
19
Alm do efeito nas caractersticas fisiolgicas de cada gnero, a temperatura possui relao inversamente proporcional com a dissoluo do dixido de carbono, representando uma limitao aos processos de transferncia de massa nestes sistemas.
3.1.2.3
Oxignio dissolvido
A principal fonte desse gs na gua a atmosfera, e sua solubilidade depende da temperatura; baixas temperaturas dissolvido maior quantidade de oxignio na gua, de modo que, na poca fria e sobretudo quando um lago no se encontra mais estratificado, maior a quantidade de oxignio dissolvido. Em poca quente, mesmo quando a gua da superfcie se encontra saturada menor o teor de oxignio dissolvido. Os fitoplnctons constituem fonte importante de oxignio. A respirao de organismos e a decomposio de matria orgnica podem causar o consumo de uma frao considervel do oxignio dissolvido e esgot-lo nas camadas mais profundas, restringindo a vida planctnica nessa zona
(ESTEVES,1998).
3.1.2.4
Dixido de Carbono e pH
A solubilidade do dixido de carbono na gua elevada, o que assegura sua dissoluo a partir da interface com a atmosfera . Durante o dia, quando h luz suficiente, as algas assimilam gs carbnico durante a fotossntese, enquanto, no perodo noturno, ocorre a sua liberao para o meio. A elevao gradativa do pH no meio de cultura, indicativa do crescimento microalgal . Redues no valor inicial do pH do meio de cultivo so observadas apenas em concentraes de dixido de carbono iguais ou superiores a 50%. O incremento do pH ocorre devido atividade biolgica das clulas que produz uma reduo no contedo de carbono inorgnico dissolvido atravs do consumo necessrio ao crescimento celular, forando um deslocamento do equilbrio carbonato-bicarbonato no sistema tampo (BERENGUEL et al., 2004). As clulas das microalgas so capazes de utilizar trs diferentes vias de assimilao de carbono inorgnico: (1) assimilao direta do dixido de carbono
20
atravs da membrana plasmtica; (2) utilizao de bicarbonato atravs da induo da enzima anidrase carbnica, que converte os ons HCO 3- em CO2; (3) transporte de bicarbonato diretamente atravs da membrana plasmtica. Estes mecanismos so consistentes com diversos resultados da literatura para microalgas, com altos requerimentos de dixido de carbono, capazes de acumular elevados nveis de carbono inorgnico interno (CUARESMA et al., 2006). A reatividade do gs carbnico em solues aquosas estabelece vrios equilbrios em seu contato com a gua. O primeiro equilbrio refere-se dissoluo do gs na gua formando cido carbnico. O cido carbnico sofre dissociao quase instantnea em ons bicarbonato e carbonato, sendo a concentrao de carbono inorgnico total dada pelo somatrio das espcies CO 32-, HCO3- e CO2 (RORRER; MULLIKIN, 1999). Em termos de solubilidade, o dixido de carbono aproximadamente 10 vezes mais solvel em gua que o gs oxignio. Entretanto, devido baixa solubilidade de ambos os gases em solues aquosas, ocorre a necessidade de se fornecer estes elementos ao longo de todo o processo (KLASSON et al., 1991).
3.1.2.5
Nutrientes
Os nutrientes inorgnicos de maior importncia para o fitoplncton so os compostos de nitrognio e fsforo. Os fosfatos e nitratos so consumidos com rapidez na superfcie nos perodos de florescimentos intensos do fitoplncton enquanto, no fundo, h maior concentrao desses nions devido decomposio da matria orgnica e sua liberao a partir de sedimentos, especialmente em condies anxicas (ausncia de oxignio) (BARSANTI, GUALTIERI, 2005).
3.1.2.6
Formas de Nutrio de Microalgas
Microalgas podem ser tanto autotrficas quanto heterotrficas. Se forem autotrficas, utilizam compostos inorgnicos como fonte de carbono. As autotrficas podem ser fotoautotrficas (utilizando a luz solar para obteno de energia); ou quimioautotrficas (oxidando os compostos inorgnicos para obterem energia). J as microalgas heterotrficas, utilizam compostos orgnicos para crescimento. As
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microalgas heterotrficas podem ser fotoheterotrficas, utilizando a luz como fonte de energia, e quimioheterotrficas, que oxidam a matria orgnica para obter energia. Todavia, as microalgas heterotrficas podem ser fagocitrias, adsorvendo partculas de sua nutrio em vacolos digestivos, ou osmticas, adsorvendo as partculas nutritivas atravs de sua membrana celular. Alguns gneros de microalgas heterotrficas vivem sobre material em decomposio, e so chamados de saprfitas. A maior parte das algas fotossintticas so mixotrficas (heterotrficas facultativas), ou seja, capazes de assimilar compostos orgnicos dissolvidos no meio (LEE, 1999).
3.1.2.7
Pigmentos fotossintetizantes
a) Clorofila Clorofilas so pigmentos verdes encontrados em todos os organismos capazes de realizar fotossntese (DOLPHIN, 1978), sendo que na natureza, o nmero de clorofilas no muito grande. Aproximadamente cerca de 10 tipos de clorofilas tm sido isoladas de partes verdes de plantas. Em alguns organismos, apenas uma clorofila detectada, enquanto em outros, a clorofila majoritria acompanhada por outros pigmentos verdes auxiliares. O componente verde mais abundante a clorofila-a, seguido pela clorofila-b, as clorofilas c (c1 e c2), clorofila d e protoclorofila. Em bactrias fotossintticas tm-se as bacterioclorofilas (DOLPHIN, 1978). A clorofila-a encontrada em todas as plantas que tem a participao do oxignio durante o processo de fotossntese e a principal clorofila encontrada nas algas e em plantas que produzem sementes, podendo ser facilmente extrada destes vegetais (SOARES, 2006). Trata-se do nico pigmento verde encontrado em algas amarelo-verdes, azul-verdes e algumas algas vermelhas. A clorofila-a uma clorina metalada com um on Mg2+ e que contm uma cadeia fitlica (por aluso ao lcool fitol) anexa ao anel porfirnico. A presena desta cadeia longa e apolar confere uma alta hidrofobicidade molcula. A clorofila-a, bem como os seus derivados que contm a cadeia fitlica so insolveis em meio aquoso. O espectro de absoro da clorofila-a mostra alta absoro na regio de 660 a 670 nm.
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A molcula de clorofila-a representada na Figura 1, ela pode ser modificada para a sua verso desmetalada a qual chamada feofitina a onde o on metlico Mg2+ substitudo por dois tomos de hidrognio. A obteno deste derivado se d atravs da reao de hidrlise cida (DUJARDIN et al, 1975).
Figura 1 - Molcula de clorofila-a Fonte: SOARES (2006).
A acidificao do extrato contendo clorofila, ou seja, a hidrlise cida converte a clorofila em feopigmentos. A chamada feofitinizao promove a desmetalao da molcula de clorofila-a, de acordo com a reao de hidrlise cida representada pela Figura 2.
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Figura 2 - Obteno da feofitina-a a partir da clorofila-a. Fonte: Adaptado de Soares (2006)
A clorofila-a sensvel ao pH, enzimas, temperatura, luz e oxignio, os quais tem maior ou menor influncia na sua degradao de acordo com a atividade de gua do meio (LAJOLO, 1971 apud MALHEIROS,2007). A relao entre clorofilaa/feofitina-a um indicador, portanto, do estado fisiolgico das clulas microalgais.
3.1.3
Aplicaes biotecnolgicas das microalgas
Atualmente, destaca-se o estudo bioqumico, principalmente, devido ao interesse comercial dos produtos derivados do seu metabolismo. Investigaes farmacolgicas dos metablitos produzidos por vrias gneros de microalgas mostraram diversas atividades biolgicas, entre elas, atividade antibitica para a microalga Phaeocystis sp, atividade antiviral em cianobactrias e atividade antioxidante nas microalgas Dunalliela primolecta e Haematococcus pluvialis (PELEGRIN, 2001). No Quadro 1, so exemplificadas as principais aplicaes comerciais das microalgas.
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rea
Aplicao
I. Alimentos II. Alimentao animal III. Terapias
Suplemento protico /fortificao de dietas de adultos e crianas desnutridas
Suplemento de protenas e vitaminas para peixes, aves e frutos do mar. Produo de pigmentos para tratamento de cncer. Regulao da sntese de colesterol. Produo de antibiticos. Produo de pigmentos para indstria alimentcia, e reagentes analticos.
IV.Pigmentos
V. Qumica Fina
Polissacardeos para gomas. Glicerol para alimentos, cosmticos.
VI. Combustveis
Extrao de lipdios para produo de biocombustveis. Hidrognio. Biogs.
VII. Hormnios
Auxinas, giberilinas. Hormnios
VIII. Outros
Condicionador de solos. Tratamento de Efluentes.
Quadro 1 Aplicaes comerciais das microalgas Fonte: Adaptado de Becker,1994
3.1.4
Microalgas no tratamento de efluentes
Segundo Benemann e Oswald (1996), a utilizao de lagoas de maturao o tratamento de efluentes utilizando microalgas apresentam a vantagem de possurem menores custos e serem mais eficientes do que os processos convencionais de estabilizao biolgica e o conhecimento mais detalhado da utilizao de microalgas em sistemas de tratamento de resduos tem sido relatado em tratamento de efluentes em lagoas de alta taxa (OSWALD apud LOPES, 2007). Estes sistemas permitem a remoo simultnea de compostos carbonatados, nitrogenados e fosforados em diferentes etapas nos sistemas convencionais de tratamento de efluentes (QUEIROZ et al., 2007). A algocultura acoplada a um sistema de tratamento de dejeto de suno tem como principais vantagens, alm da reciclagem do efluente atravs da estabilizao dos compostos poluentes, a agregao valor ao processo, produo de bioprodutos
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de interesse comercial, como por exemplo, pigmentos, cidos graxos, fertilizantes e biocombustveis como H2, CH4 e biodiesel (RODRIGUES; BELLI; 2004; CUARESMA et al., 2006).
3.2
SISTEMAS DE CULTIVO
3.2.1
Lagoas abertas
Tradicionalmente, o cultivo de microalgas tem sido realizado em tanques abertos, como indicado na Figura 3, com numerosas instalaes comerciais existentes (SPERAZZO; BAGHERPOUR, 1998). Segundo Bennemann et al. (1982), o conceito de Lagoas de Alta Taxa (High Rate Pond - HRP) tm sido elaborado desde 1950, nos Estados Unidos, Alemanha, Israel e Japo baseando-se em lagoas abertas, canalizadas, rasas e de baixo escoamento. Nestes sistemas, em forma de circuito fechado, no qual o meio de cultivo impulsionado por paletas rotatrias, geralmente requerem grandes reas (500-5000m2), mas tem como vantagem o baixo custo de produo de biomassa algal (FLORES; PENA-CASTRO; FLORESCOTERA, 2003). Os tanques so, geralmente, construdos em concreto, fibra de vidro, policarbonato, com fundo de terra ou revestido com material plstico (BOROWITZA, 1999). Vrias configuraes de lagoas foram testadas, sendo algumas de forma circular ou oval, sendo que sua profundidade pode variar de 10 a 100 cm e a intensidade de mistura limitada (PROKOP; ERICKSON, 1994). Elas tm sido menos usadas devido a sua baixa produtividade e a dificuldade de se manter turbulncia suficiente para que as clulas das microalgas possam utilizar o mximo da fonte luminosa (MORITA et al., 2000 apud DUARTE FILHO; COSTA; BAUER, 2003).
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Coleta Alimentao
Ps de mistura
Defletores
Sentido do escoamento
Defletores
Figura 3 - Esquema de sistema de cultivo por lagoas abertas. Fonte: microalgas-producao.blogspot.com
3.2.2
Fotobiorreatores fechados
Fotobiorreatores FBRT - podem ser definidos como sistemas utilizados para o desenvolvimento de reaes fotossintticas. Os cultivos so realizados em sistema fechado, em painis de forma achatada, serpentinas, espirais ou cilindros, construdos com tubos de plstico, vidro ou policarbonato (PREZ, 2007). Estes equipamentos podem ser classificados de acordo com o modo de alimentao da mistura reagente (descontnuo ou contnuo), atravs do tipo de escoamento (mistura completa ou pistonada), pelo tipo de cultivo empregado (clulas livres ou imobilizadas) e atravs da configurao do biorreator (reatores abertos ou fechados) (MUOZ, 2005). Os reatores de mistura completa so caracterizados pela intensa homogeneizao da cultura. A concentrao dos compostos a mesma em
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qualquer parte do sistema, bem como na sada do reator. Por outro lado, nos reatores de fluxo pistonado, o meio reacional move-se atravs do reator sem que ocorra a mistura radial dos componentes, de forma que a estabilizao ocorre atravs de gradientes de concentrao na direo longitudinal do sistema (NIELSEN; VILLADSEN; LIDN, 2003). Desta forma, os reatores de mistura completa so utilizados preferencialmente quando os compostos presentes provocam a inibio celular, uma vez que permitem a diluio das concentraes. Quando no h problemas de inibio, os reatores tubulares so preferidos, por permitirem o cultivo de microrganismos em elevadas concentraes de nutrientes, favorecendo a taxa de crescimento (TCHOBANOGLOU; BURTON; STENSEL, 2003). Os reatores de fluxo pistonado, entretanto, no so comumente utilizados em sistemas com microalgas, devido necessidade de agitao intensa associado a elevadas reas de exposio energia luminosa, caractersticas facilmente obtidas em sistemas de tanques agitados (GROBBLELAAR, 1994). As configuraes mais comuns utilizadas em fotobiorreatores so os reatores tubulares (coluna de bolhas e air-lift), reatores do tipo flatplate e sistemas tubulares arranjados em espiral (MERCHUK; WU, 2004; MOLINA GRIMA et al., 1999). No entanto, a classificao mais utilizada faz referncia ao tipo de fotobiorreator - FBRT, sendo os mais conhecidos os reatores de coluna vertical, os reatores de placas planas e os reatores tubulares verticais ou horizontais.
3.2.3
Reatores de coluna vertical
Segundo Ugwu, Aoyagi e Uchiyama (2007), fotobiorreatores de coluna vertical so compactos, de baixo custo e fcil de operar. A mistura nesses fotobiorreatores geralmente se d por coluna de bolhas, sendo assim, os mesmos so muito conhecidos tambm como reatores de coluna de bolhas. A Figura 4 representa essa configurao de fotobiorreator.
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Figura 4 - Esquema de fotobiorreator de coluna vertical Fonte: Adaptado de Lopes (2007)
3.2.4
Reatores de placas planas
So os reatores que possuem maior rea superficial de iluminao, como pode ser observado na Figura 5, e comparado a outros sistemas de cultivo, possuem a configurao ideal para um elevado rendimento (PULZ;
SCHEINBENBOGEN, 1998). Hu, et. al. (1998), reportou crescimentos de at 84 g/L em fotobiorreator de placa plana, sob uma intensidade luminosa de 2000 moles.s -1.m-2 (ANDERSON, 2002). Nesses reatores, o acmulo de oxignio baixo, quando comparado com fotobiorreatores tubulares, sendo assim, mais uma vantagem que possibilita um crescimento elevado de biomassa algal (RICHMOND, 2000).
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Figura 5 - Esquema de fotobiorreator de placa plana Fonte: Adaptado de Lopes (2007)
3.2.5
Reatores tubulares
Entende-se por fotobiorreatores tubulares (Figura 6) aqueles que possuem uma relao comprimento/dimetro elevada (COSTA; MORAIS, 2007). Dessa forma, os mesmos ocupam um grande espao para a construo, so caros para construo, so difceis de manter; no entanto, possuem uma produo de biomassa relativamente alta (SNCHEZ et al., 2001).
Figura 6 - Esquema do cultivo em fotobiorreatores tubulares Fonte: Adaptado de Radmann e Costa (2008)
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Segundo Pulz e Scheinbenbogen (1998), nesse tipo de sistema, a cultura suspensa geralmente re-circulada por bombas ou pela tecnologia conhecida como airlift, sendo esta ltima a mais comum, na qual a mistura ocorre pela difuso do gs pelo meio. Assim, alguns autores costumam tratar esses reatores como fotobiorreatores do tipo airlift.
Tabela 1 - Vantagens e limitaes de vrios sistemas de cultivo de microalgas. Sistema Vantagens Limitaes Baixo controle das condies, difcil Relativo baixo custo, fcil limpeza, Lagoas abertas bom rendimento para cultivo de microalgas crescimento de culturas em um longo perodo de tempo, necessidade de grandes reas para instalao, fcil contaminao Elevada transferncia de massa, fcil mistura com baixo Fotobiorreatores de coluna vertical cisalhamento de clulas, baixo consumo de energia, fcil controle de parmetros, fcil imobilizao de algas, reduzida foto-inibio e fotooxidao Maior rea superficial para Fotobiorreatores de placas planas iluminao, adequado para cultivo em ambientes externos, relativamente barato, fcil limpeza, baixa produo de oxignio Maior rea superficial para Fotobiorreatores tubulares iluminao, adequado para cultivo em ambientes externos, relativo bom crescimento de biomassa Fonte: Adaptado de Ugwu, Aoyagi e Uchiyama. (2007) Em larga escala necessita de muitos compartimentos e material de suporte, difcil controle de temperatura da cultura, crescimento na parede, possibilidade de stress hidrodinmico Concentrao de CO2 e oxignio dissolvido ao longo dos tubos, algum crescimento na parede, requer grandes espaos para construo, em comparao com outros fotobiorreatores Pequena rea superficial para iluminao, necessidade de materiais sofisticados
31
3.3
CONDICIONANTES EM FOTOBIORREATORES
3.3.1
Luz
Diversos estudos esto sendo conduzidos com foco no efeito provocado por diferentes intensidades luminosas incidentes em fotobiorreatores (PULZ,
SCHEINBENBOGEN, 1998; MOLINA GRIMA et al., 1999; KITAYA; AZUMA; KIYATA, 2005). Sendo que a influncia dos ciclos de luz tem sido relatada como um fator determinante na atividade fotossinttica e nas taxas de crescimento de microalgas em fotobiorreatores (JANSSEN et al., 2003). Alm dos critrios relatados, a otimizao dos sistemas deve ser feita em funo do gnero em particular do microrganismo, uma vez que as caractersticas fisiolgicas e de crescimento iro determinar o desempenho dos sistemas (GARCIAGONZLEZ et al., 2005). Experimentalmente difcil obter as condies de cultura tal que todas as clulas recebam a mesma intensidade de luz e no estejam sombreadas (PROKOP; ERICKSON, 1994), Kommareddy e Anderson (2004) estudaram o design para uma eficiente fonte de luz em fotobiorreatores e afirmam que o mesmo requer conhecimento de vrios aspectos de necessidade de luz para o desenvolvimento da biomassa. Alguns dos fatores que influenciam o crescimento da cultura algal so:
1. Tipo de cultura; 2. Tipo de fonte de luz; 3. Intensidade da fonte de luz; 4. Efeito de determinada fonte de luz sobre a cultura especfica; 5. Perodo escuro requerido pela cultura.
Segundo Prokop e Erickson (1994), tem sido dada ateno especial aos efeitos da luz em curto prazo. Demonstraram-se vrias vezes que a turbulncia em uma densidade ptica aumenta a eficincia na utilizao da luz pela fotossntese.
32
3.3.2
Velocidade de escoamento
A velocidade tima de escoamento depende da profundidade do tanque, da concentrao celular e do estado fisiolgico da microalga (VONSHAK, 1997). Altas velocidades de escoamento tambm proporcionam um movimento dinmico da fase clara e escura para cada clula da microalga, o que representa maior produtividade da cultura. Entretanto, altas velocidades podem danificar a cultura, devido ao estresse hidrodinmico imposto clula da microalga, conforme mostrado por CAMACHO et al. (2000) que no cultivo da microalga Porphyridium cruentum em elevadas agitaes observaram o processo de estresse celular hidrodinmico. Desta maneira, requisitos mnimos de agitao so capazes de evitar principalmente a sedimentao das clulas e o aumento de oxignio dissolvido no meio de cultura (TANAKA et al., 1995).
3.3.3
Necessidade de nutrientes
De acordo com Becker (1994), os meios de cultura podem ser agrupados em trs principais grupos: a) meios completamente sintticos, b) aqueles que so baseados na composio natural da gua, enriquecido com suplementos minerais e c) efluentes lquidos, como resduos fermentados, esgotos domsticos, industriais, etc. Considerando que muitos meios so formulados se baseando nas condies naturais, outros so baseados em condies timas de crescimento. As principais consideraes no desenvolvimento do meio nutriente para cultivo de algas so resumidas abaixo: (VONSHAK apud BECKER, 1994) a. b. c. Concentrao total de sal, dependente da cultura utilizada; Fonte de carbono; Escolha de uma fonte adequada, e tambm econmica, de nitrognio.
Nitrato, amnia e uria so amplamente utilizados, dependendo do gnero e do pH timo de cultivo. Depois do carbono, o nitrognio o elemento mais importante no
33
crescimento da biomassa algal, uma vez que 10% dessa biomassa consiste em nitrognio. Alm disso, o fornecimento de nitrognio ser essencial para a rota metablica da alga e, conseqentemente, na composio do organismo; d. Concentrao da maioria dos elementos, como potssio, magnsio,
sdio, sulfato e fosfato; e. O valor mdio de pH. Valores neutros ou levemente cidos so usados,
geralmente, principalmente para se evitar a precipitao de determinados elementos; f. Elementos traos, os essenciais so fornecidos em pequenas
quantidades por via de solues. Para aumentar a solubilidade de alguns desses elementos (especialmente o ferro) agentes quelantes, como o EDTA, so utilizados; g. Adio de componentes orgnicos e substncias que promovam o
crescimento (vitaminas, hormnios, etc.) Vonshak apud Andrade e Costa (2008) afirma que em cultivos de microalgas, a fonte de nutrientes consiste no segundo maior componente dos custos de produo, portanto, estudos tm sido realizados no sentido de diminuir gastos com este parmetro. Segundo levantamento realizado por Bertoldi et al. (2008), dentre os meios de culturas alternativos utilizados para a produo de biomassa de microalgas destacam-se: esgoto domstico esterilizado (PIPES;GOTAAS, 1960), efluente de biodigestores (RODULFO; MARMOL; EMRALINO, 1980), lodo digerido (WONG;LAY, 1980), despejos industriais purificados (JUSSIAK; DUSZOTA; MYCIELSKI, 1984), vinhaa de cana-de-acar (OLIVEIRA, 1988), guas residuais da produo de azeite de oliva (SNCHEZ et al., 2001) e resduos da suinocultura (RODRIGUES, 2000; TRAVIESO et al., 2006).
3.3.4
Fonte de carbono
A biomassa microalgal apresenta cerca de 50% de carbono na sua composio, assim o fornecimento deste nutriente aos cultivos representa um importante componente dos custos de produo, seja gasoso na forma de dixido de
34
carbono, ou slido, principalmente na forma de bicarbonato (VONSHAK apud ANDRADE et al., 2008). A concentrao de dixido de carbono na corrente de ar do fotobiorreator um parmetro determinante no cultivo fotossinttico de microalgas, j que a concentrao deste composto no dever ser excessivamente baixa, de modo a limitar a disponibilidade de carbono s clulas, e tambm no dever exceder um limite superior, evitando perdas de CO2 que no so utilizadas pelo microrganismo e so liberadas para a atmosfera (CHENG et al., 2006).
3.3.5
Inculo
Inculo pode ser definido como a poro de uma amostra ou de uma cultura, contendo uma quantidade de microorganismos, suficiente para iniciar um crescimento quando transferida para um meio adequado (KNIE,2004).
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4 MATERIAIS E MTODOS
4.1 COLETA DAS MICROALGAS
A partir de dados de monitoramento do fitoplncton cedidos pelo Instituto Ambiental do Paran (IAP), optou-se por coletar microalgas no Parque Tingi (Figura 7), na cidade de Curitiba PR, visto que a concentrao de clorofila-a, parmetro considerado no projeto, maior na mdia anual, em detrimento de outros locais da cidade (Parque Barigi, Passeio Pblico), partindo-se assim de uma amostra pura com maior crescimento fitoplantnico. As coletas foram feitas com rede de plncton de 25m (abertura da malha) com arrastes verticais e horizontais nos primeiros 30cm de superfcie.
Figura 7 - Parque Tingui vista area. Fonte: Prefeitura Municipal de Curitiba
No quadro 2, tem-se as concentraes de clorofila-a dos lagos do Parque Tingi estimadas pelo monitoramento do Instituto Ambiental do Paran, bem como os gneros de microalgas predominantes.
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Perodo Gnero predominante Tipo de Alga Clorofila a (g.L )-1
06/2006 Rhaphidiopsis spp azul 141,23
03/2007 Chlorococcales NI verde 67,34
08/2007 Closterium spp verde 174,4
Quadro 2 - Monitoramento fitoplantnico Parque Tingui
A coleta de microalgas pode ser identificada no Apndice B.
4.2 COLETA DO EFLUENTE E CARACTERIZAO DOS PARMETROS FSICO-QUMICOS
A coleta foi realizada na propriedade do Sr. Miguel Socek, localizada no municpio de So Jos dos Pinhais - PR, Regio Metropolitana de Curitiba - PR. Foram coletados 10 litros de efluente, na sada de um biodigestor horizontal (APNDICE C) proveniente da atividade de suinocultura da propriedade, e acondicionados em bombonas de 5 litros. O efluente foi levado aos Laboratrios de Qumica Ambiental e de Fertilizantes e Calcrios para caracterizao fsico-qumica preliminar, na qual foram realizadas as anlises de Demanda Qumica de Oxignio (DQO), Demanda Bioqumica de Oxignio (DBO), Carbono Orgnico, Nitrognio Total e Amoniacal, Fsforo, Sdio e Potssio, uma vez que so os principais padres de lanamento de efluentes em corpos hdricos. Fez-se a quantificao de slidos sedimentveis em cone de Imhoff, e a separao dos slidos em filtro de pano, o filtrado foi encaminhado para as anlises citadas acima, armazenado em garrafa PET e colocado em refrigerao (0C) at o momento de sua utilizao. Para fins de verificao da capacidade de depurao do efluente a partir do cultivo de microalgas, as anlises de DQO, DBO, nitrognio total, nitrognio amoniacal e fsforo tambm foram realizadas aps a ltima batelada no fotobiorreator. Dessa forma, foram obtidos valores para se verificar a possibilidade de lanamento do efluente final em corpos hdricos. Para esta comparao, foram
37
utilizao as seguintes legislaes: Resoluo CONAMA 357/2005 e Resoluo SEMA/IAP N 031/98.
4.3 DISPOSITIVO PARA GERAO DE CO2
Foi confeccionado um dispositivo para gerao de CO2 qumico a partir da reao de bicarbonato de sdio e cido clordrico. O carbono inorgnico ento fornecido por gs carbnico de fonte qumica, a partir da seguinte reao: HCl + NaHCO3 H2CO3 + NaCl H2CO3 H20 + CO2
(1) (2)
Este sistema usualmente utilizado para promoo de CO 2 em aqurios. Considerando a massa atmica dos elementos ( Na=23, H=1, C=12, O=16, Cl=35,5), ento, um mol de HCl necessita de um mol de NaHCO 3 para ser neutralizado e gerar um mol NaCl , um mol de CO2 e um mol de gua. Logo, 84g de Bicarbonato de Sdio reagiro com 36,5g de cido clordrico e geraro 18g de gua, 58,5g de sal de cozinha e 44g ou 22,4 litros de CO2. Um mol de qualquer gs ocupa nas condies da CNTP, 22,4 litros, desta forma, mantendo a mesma relao, para cada litro de gua consegue-se diluir aproximadamente 100g de Bicarbonato de Sdio e gerar 26,7 litros de CO2 (a 1 atm e 25 C). Por se tratar de uma reao qumica, o processo de produo contnuo sem que haja qualquer influncia na produo, em decorrncia da temperatura comparada com outros processos. O sistema composto por um kitassato de soluo de bicarbonato de sdio e uma garrafa de material deformvel (para exercer presso) de soluo cida, interligaes entre as garrafas com controlador de vazo de sada de cido, e mecanismo de regulagem de sada de gs carbnico, o qual ser acoplado ao fotobiorreator por meio de vlvula.
38
4.4 CULTIVO DE MICROALGAS EM ESCALA DE BANCADA
Foram realizados dois experimentos, o experimento A com objetivo de verificar a concentrao ideal de efluente de biodigestor como meio de cultivo e o experimento B com objetivo de obter um inculo para o fotobiorreator a partir da concentrao de efluente que obteve efetivo crescimento no Experimento A.
4.4.1
Experimento A Cultivo em diferentes concentraes de efluente
No ms de maio de 2009 foi realizada a primeira coleta, utilizando rede de plncton 25m, as condies climticas estavam favorveis, temperatura de 16C e pH neutro. Escolheu-se uma rea do parque em que se podia observar visualmente um crescimento fitoplantnico. Em laboratrio, a amostra foi filtrada com a prpria rede de fitoplancton com objetivo de separar sedimentos e zooplancton e armazenada em garrafas PET dentro da cmara fotossinttica. O experimento foi realizado em cmara de cultivo de microalgas, construda em madeira, revestida por papel alumnio, com 8 lmpadas de 20W conectadas em paralelo, com luminosidade de 2000lux, medido em luxmetro digital modelo ICEL LD-500. O cultivo foi realizado a partir da amostra coletada com concentraes de 30%,20% e 10% em volume de meio de cultivo diludo 10 vezes em erlenmeyers de 250 mL, durante 5 dias em cmara com fotoperodo de 12horas determinado por timer. Na Figura 7, tem-se os erlenmeyers de 250mL j com os cultivos em diferentes concentraes de efluente de biodigestor. O volume total do cultivo no erlenmeyer foi de 200mL, sendo composto de: 20 mL de meio efluente: 180 mL de amostra coletada; 40 mL de meio efluente: 160 mL de amostra coletada; 60 mL de meio efluente: 140 mL de amostra coletada.
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Figura 8 - Cmara Fotossinttica Vista frontal
No perodo de cultivo avaliaram-se as concentraes de clorofila-a diariamente para anlise do crescimento de biomassa algal nas diferentes concentraes de efluente. Neste experimento no houve agitao, nem aerao, sendo a difuso do gs carbnico, portanto, apenas na superfcie do cultivo.
4.4.2
Experimento B Cultivo para obteno do inculo
Foi realizada coleta de 5 litros de amostra no Parque Tingi com rede de plncton. A partir dos resultados mais satisfatrios do experimento A, em laboratrio, foi realizado o planejamento experimental constante na Tabela 2:
Tabela 2 - Planejamento Experimental do Experimento B Amostra Cultivo com 10% de efluente 1 Cultivo com 10% de efluente 2 Cultivo com 10% de efluente 3 Cultivo com 20% de efluente 1 Cultivo com 20% de efluente 2 Cultivo com 20% de efluente 3 Cultivo com 20% de meio CHU Sigla EFLU - 101 EFLU - 102 EFLU - 103 EFLU - 201 EFLU - 202 EFLU -203 CHU Volume de ensaio (L) 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 % Efluente de Biodigestor 10% 10% 10% 20% 20% 20% ----
40
Os cultivos foram feitos em erlenmeyers de 500mL, com mangueiras de aerao conectadas a uma bomba de diafragma(bomba de aqurio) com objetivo de manter a oxigenao da cultura, fornecer o gs carbnico necessrio fotossntese e evitar que as clulas se sedimentassem no fundo do erlenmeyer, cobertos por algodo, em cmara fotossinttica de 2000lux com aplicao de fotoperodo de 12horas, durante 7 dias. Para que a avaliao fosse eficaz, paralelamente foi realizado cultivo em meio nutriente, que consiste em um meio composto por vrias substncias que, misturadas em propores definidas, garantem o desenvolvimento das microalgas (KNIE, 2004). O meio escolhido foi o meio CHU, que possui a composio como descrita na Tabela 3:
Tabela 3 - Composio do meio CHU. Soluo 1 2 3 4 5 6 7 Hidrxido de potssio 9 Sulfato ferroso hepta-hidratado cido brico Sulfato de zinco hepta-hidratado Cloreto de mangans tetra-hidratado 10 xido de molibdnio Sulfato de cobre penta-hidratado Nitrato de cobalto hexa-hidratado Fonte: Adaptado de Knie (2004). Nitrato de sdio Cloreto de clcio di-hidratado Sulfato de magnsio hepta-hidratado Fosfato de potssio dibsico Fosfato de magnsio monobsico Cloreto de sdio Titriplex III Reagente Frmula NaNO3 CaCl3.2H2O MgSO4. 7H2O K2HPO4 KH2PO4 NaCl C10H14N2Na2O8.2H2O KOH FeSO4 . 7H2O H3BO3 ZnSO4 . 7H2O MnCl2 . 4H2O MoO3 CuSO4 . 5H2O Co (NO3)2 . 6H2O Massa.L 25 g 2,5 g 7,5 g 7,5 g 17,5 g 2,5 g 50 g 31 g 4,98 g 11,42 g 8,82 mg 1,44 mg 0,71 mg 1,57 mg 0,49 mg-1
41
Determinaes de pH e Temperatura em peagmetro Denver Instrument, anlise da concentrao de clorofila-a para a determinao da biomassa, foram realizadas diariamente.
4.4.2.1
Escalonamento do cultivo em bancada
Para aumentar o volume de inculo, at se atingir um mnimo suficiente para a partida no FBRT, foi realizado o procedimento de repique dos cultivos, os quais funcionaram de acordo com a Figura 9. Na avaliao da fase exponencial de crescimento do inculo inicial, os cultivos foram repicados para 500 mL, o volume adicionado foi de gua e a quantidade respectiva de efluente em relao ao volume total final. Por exemplo, no repique do cultivo EFLU - 10 para 1L foi adicionado 100mL de meio efluente (10%do volume) e o restante do volume foi de gua.
500 mL
MEIO DE CULTURA
CRESCIMENTO 1L INCULO INICIAL MEIO DE CULTURA
2L INCULO DO FBRT Figura 9 Esquema de repique das culturas
42
Quando se atinge a fase de crescimento mximo o inculo j em volumes maiores segundo a Figura 8, uma pequena parte do volume do recipiente utilizada para inocular o FBRT enquanto que o restante volume serve para inocular o volume igual ao primeiro. Assim, manteve-se sempre um volume de produo para testes no FBRT e outro de manuteno em bancada.
4.4.2.2
Avaliao do crescimento da cultura de microalgas
A anlise de crescimento das microalgas foi realizada segundo metodologia proposta pela Companhia Ambiental do Estado de So Paulo (CETESB) atravs da norma L5.306 (1990). Diariamente foram filtradas alquotas das amostras em porta-filtro para filtrao sob presso com membranas de celulose Millipore de 0,45m e 47 mm de dimetro. O procedimento foi realizado na ausncia de luz, devido fotodegradao da clorofila-a. As membranas de celulose foram dobradas e embaladas em papel alumnio contendo a identificao da amostra e data da filtrao. Em seguida, armazenadas em freezer. As membranas do filtrado foram colocadas em tubos de centrfuga, acrescidos de 10 mL de acetona 90%, embalados em papel alumnio e deixados em freezer por 24horas para completar a extrao da clorofila-a. Aps o perodo de extrao, os tubos foram centrifugados em centrfuga Excelsa modelo 206BL por 20 minutos a 2600 rpm. O sobrenadante foi lido em cubeta espectrofotomtrica de caminho ptico de 1 cm contra um branco de acetona 90% em trs comprimentos de onda, em 750 nm, 664 nm e 665 nm, sendo que a leitura em 665 nm foi realizada aps acidificao com uma gota de cido clordrico 0,1N, em espectrofotmetro Aquamate. Foi determinada tambm a concentrao de feofitina-a, produto da degradao da clorofila-a. - Expresso dos resultados: Clorofila a (g/L) = 26,73 (D664 D665) . (v) / V.L Feofitina a (g/L) = 26,73, (1,7D665 D664) . (v) / V.L
(3) (4)
43
Onde: V = volume, em litros, de amostra filtrada para extrao V = volume, em mL, da acetona 90% usada L = caminho ptico, em cm, da cubeta espectrofotomtrica D664 = densidade ptica a 664 nm, corrigida pela leitura de 750nm de turbidez da amostra D665 = densidade ptica a 665 nm, corrigida, (obtida aps acidificao). Com os dados de clorofila-a e feofitina-a, possvel quantificar indiretamente a quantidade de biomassa. Na determinao de biomassa a partir da metodologia proposta no Standard Methods of Examination Of Water and Wastewater, assumese que a clorofila-a constitui em mdia, 1,5% do peso seco microalgal. Desse modo, estimou-se a biomassa multiplicando o valor da clorofila-a por um fator de 67. Curvas de crescimento foram elaboradas para cada cultivo do experimento B. O estado fisiolgico do fitoplncton foi avaliado pela relao entre clorofila-a e feofitinaa (produto da degradao da clorofila-a).
4.4.2.3
Avaliao da depurao do efluente pelo cultivo de microalgas
Do mesmo modo que foi realizada a caracterizao inicial do efluente de biodigestor para ser utilizado como meio nutriente para as microalgas, ao final da batelada do FBRT, foi feita a caracterizao dos mesmos parmetros fsico-qumicos a fim de se observar o consumo dos mesmos pelos gneros de microalgas que cresceram no cultivo piloto, desse modo, depurando o efluente para lanamento em corpos hdricos.
44
4.5
IDENTIFICAO MORFOLGICA DE MICROALGAS
Simultaneamente aos cultivos em bancada, foi realizada a avaliao qualitativa das microalgas presentes na amostra em microscpio ptico Olympus e invertido. Esta etapa teve por objetivo identificar os principais gneros de algas de interesse para o tratamento de guas e esgotos.
4.6
CONSTRUO DO FOTOBIORREATOR EM ESCALA PILOTO
A construo foi realizada atravs de termomoldagem com aquecimento por sopradores de calor, de forma que o material se modelasse de acordo com molde previamente construdo, conforme mostrado no Apndice D. O sistema foi projetado composto por duas unidades, sendo uma um tanque de recirculao e a outra, o fotobiorreator propriamente dito. A unidade de recirculao se constitui em um galo de 20 litros de gua mineral opaca, com um cano flexvel para entrada de material e um cano de PVC para sada. Na unidade de recirculao encontra-se uma bomba submersa, para recalque da biomassa e uma bomba de aerao - a fim de se promover agitao do meio e introduo do CO2 atmosfrico, alm de aumentar a disperso do oxignio. Nessa unidade, alm do armazenamento do material, h a introduo do meio de cultura quando assim foi necessrio e a retirada de biomassa para renovao do meio ou para anlises de biomassa a fim de se verificar o crescimento no equipamento. As unidades que compem o sistema ficaram sob iluminao natural direta, e, em conseqncia disso, o perodo de exposio luz, denominado fotoperodo, variou de acordo com o fotoperodo de ambiente natural. Foram calculados, baseados em dados da literatura: tempo de reteno, velocidade, concentrao de corte, volume do tanque de recirculao e volume do fotobiorreator.
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O volume total inserido no equipamento foi de vinte litros, sendo que aproximadamente sete litros sejam do fotobiorreator em si. No equipamento houve o controle de temperatura realizado por um data logger, modelo Registrador Eletrnico LogBox-DA. Atravs deste controle, foi possvel verificar a necessidade de resfriamento ou aquecimento do sistema. O FBRT foi instalado no terrao do Bloco B do Instituto de Tecnologia do Paran, h aproximadamente 10 metros de altura.
Figura 11 - Sistema de fechamento do fotobiorreator
Figura 12 - Unidade de recirculao do fotobiorreator
46
4.6.1 Material
Considerando as caractersticas do projeto, que propem um equipamento de baixo custo, selecionamos para a confeco do equipamento o material polimrico PETG poli (tereftalato de etileno-co-tereftalado de 1,4-ciclohexadimetilciclohexileno) uma vez que o custo menor do que os materiais comumente utilizados policarbonato e acrlico e proporciona as mesmas caractersticas de resistncia e transparncia. O PETG, segundo Quental (2004), produzido atravs do processo de policondensao, assim como o PET, no entanto, durante a polimerizao, parte do dietileno glicol substituda pelo 1,4-dimetanol-ciclohexano, junto ao cido tereftlico, assim como indicado na Figura 13. Segundo especificaes do fabricante, este material de 15 a 20 vezes mais resistente do que o acrlico de uso geral e de 2 a 5 vezes mais resistente do que o acrlico modificado anti-choque, apresentando excelente transparncia e custos menores do que outros polmeros. Outra vantagem apresentada que, devido ausncia de uma fase cristalina, o PETG possui uma menor barreira de gases (QUENTAL, 2004), aumentando, assim, as trocas gasosas.
Teste de envelhecimento
Figura 13 Estrutura do PETG e seus monmeros Fonte: Quental (2004).
47
4.6.1.1
Teste de envelhecimento
O envelhecimento foi realizado em cmara especfica com lmpadas UltraVitalux E27/ES em um perodo de 240 horas. Posterior ao envelhecimento foi realizado teste de impacto no Gardner Impactor Tester, visando testar sua resistncia direta a impactos, mas tambm indireta a intempries, devido sua permanncia sobre a luz solar direta. O ensaio e o tratamento dos resultados ocorreram de acordo com a norma da ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS: NBR 14289:1999 (Perfil de PVC Rgidos para Forros - Determinao da resistncia ao impacto). Foi selecionada essa norma devido ausncia de normas especficas para o polmero em questo e por estar se apresentar a mais prxima ao tipo de resultado que gostaramos de obter. - Expresso dos resultados: A energia mdia de ruptura calculada a partir da expresso:
MFE = h x w
(5)
Sendo que: - MFE a energia mdia de ruptura, em Joules; - h a altura mdia de ruptura em metros, calculada de acordo com a expresso: h = h0 + 0,05 (A/N 0,5) onde: h0 a menor altura em que ocorreu ruptura de corpo de prova; N o nmero total de rupturas;
(6)
A = i x nii=0
k
(7)
48
i = 0, 1, 2,..., k (contador iniciado em h0) ni o nmero de rupturas ocorridas em hi hi = h0 = 0,05i
4.6.1.2
Teste de absortividade
Alm do teste de envelhecimento, fez-se necessrio a anlise de quais os comprimentos de onda no seriam absorvidos pelo material e sim transmitidos para a cultura, uma vez que a absoro de ondas nos comprimentos do violeta, azul e vermelho prejudicaria o cultivo, por ser a faixa de utilizao das microalgas durante a fotossntese. Para esse ensaio, uma tira do material foi recortada e colocada em cubeta de quartzo de caminho ptico de 1 cm e completado com gua, contra um branco contendo apenas gua, no Espectrofotmetro Aquamate nos comprimentos de onda de 250 nm a 670 nm.
4.6.1.3
Teste de escoamento
O teste de escoamento foi realizado adicionando-se p de serra na unidade de recirculao a fim de se observar o comportamento do mesmo quando circulando dentro do fotobiorreator. A partir deste teste, foi possvel observar os pontos de quebra de carga e o comportamento do fluxo.
4.6.2
Partida no fotobiorreator
A partida no fotobiorreator foi dada no momento em que foi obtido um inculo em condies de bom estado fisiolgico e em fase de crescimento exponencial. Sendo que, para se saber este momento, foram acompanhadas as curvas de crescimento obtidas a partir do Experimento B Cultivo em diferentes concentraes do efluente.
49
4.7
AVALIAO DO CRESCIMENTO NO FOTOBIORREATOR
Para avaliao da eficincia do equipamento, foram realizadas trs bateladas, sendo que ao final de cada uma, a concentrao mxima de biomassa (Xmx mg.L-1) foi determinada. A produtividade (P, mg.L -1.d-1) foi calculada a partir da equao P = (Xt-X0).(tx-t0)-1, onde Xt a concentrao de biomassa (mg.L-1) no tempo tx (d) e X0 a concentrao de biomassa inicial (mg L-1) no tempo t0 (d), sendo a produtividade mxima (Pmx, mg.L-1.d-1) o maior valor de produtividade obtido. Tambm foi calculada a velocidade especfica mxima de crescimento ( mx, d-1), uma vez que este resultado indica a qualidade da interao entre a cultura, o meio e o equipamento, sendo assim, um parmetro importante de avaliao. A mesma foi calculada a partir da equao (9): dX/dt = X Onde: X = concentrao da biomassa (mg.L-1) t = tempo (d) = taxa especfica de crescimento (d-1) Integrando: lnX lnX0 = (t t0), usando base log decimal: logX logX0 = (t t0)/2,303 = {(logX logX0).2,303}/(t t0) (8) (9) (10)
4.7.1
1 batelada
A primeira batelada no FBRT foi realizada com um inculo cultivado em 20% de efluente de biodigestor. Sendo um volume total de 20 L, recebeu 1 L de inculo e 2 L de meio preparado com efluente de biodigestor. O perodo experimental foi de 18 dias, realizada entre 28 de agosto e 14 de setembro.
50
4.7.2
2 batelada
A segunda batelada no fotobiorreator foi realizada com inculo cultivado em 10% de meio preparado com o efluente de biodigestor. Sendo o volume total de 20L, recebeu 2L de inculo e 2L de meio. O perodo experimental foi de 14 a 21 de setembro.
4.7.3
3 Batelada
A terceira batelada no fotobiorreator foi realizada com inculo em 20% de meio preparado com o efluente de biodigestor. Sendo o volume total, assim como nas anteriores, de 20L, recebeu 4L de inculo e 4L de meio. O perodo experimental da batelada foi de vinte dias, realizada entre 7 e 28 de outubro de 2009.
4.8
ANLISE DE VIABILIDADE ECONMICA
A anlise de viabilidade encontrada neste projeto deu-se pela forma de comparao de meios, materiais e insumos utilizados no desenvolvimento do projeto em contrapartida dos mesmos utilizados em diversos outros sistemas convencionais. Inicialmente, era quista a comparao entre a produo de um grama de biomassa microalgal seca em um sistema convencional e o mesmo um grama de biomassa microalgal seca no sistema proposto pelo projeto. No entanto, durante o desenvolvimento do mesmo, foi observada a impossibilidade de tal comparao, uma vez que no haveria tempo hbil para a realizao da secagem da biomassa. Tambm no seriam contabilizados os gastos de todos os custos envolvidos na operao de fotobiorreatores, que incluem: manuteno, energia gasta, matriz energtica do pas em que est instalado o equipamento, mo de obra envolvida e relao custo benefcio real de acordo com a microalga utilizada. Assim, a comparao utilizada aqui leva em conta apenas os aspectos tcnicos, sobre os quais pode se realizar uma discusso em termo de diferena de custos.
51
5 RESULTADOS E DISCUSSO
5.1
ENSAIOS LABORATORIAIS DO EFLUENTE DE BIODIGESTOR
A partir da coleta do efluente de biodigestor, obtiveram-se os resultados presentes na Tabela 4 para os parmetros fsico-qumicos:
Tabela 4 Resultado dos ensaios laboratoriais do efluente de biodigestor filtrado Parmetro Resultado Nitrognio amoniacal Nitrognio total Fsforo solvel (P2O5) Fsforo total (P2O5) Potssio solvel em gua (K2O) Clcio solvel em gua (Ca) Carbono orgnico total DQO DBO 4000 mg.L 6000 mg. L 1800 mg. L-1 -1 -1 -1
3200 mg. L P 860 mg. L-1 -1 -1 -1
110 mg. L 47500 mg. L-1
7900 mg. L
861 mg. L O2
O meio preparado para cultivo consistiu no efluente filtrado diludo 10 vezes para que houvesse diminuio da carga orgnica e, assim, facilitar a adaptao das microalgas, sendo que, o meio final possua as concentraes descritas na Tabela 5.Tabela 5 Concentraes de Nutrientes do Efluente Diludo Parmetro Nitrognio amoniacal Nitrognio total Fsforo solvel (P2O5) Fsforo total (P2O5) Potssio solvel em gua (K2O) Clcio solvel em gua (Ca) Carbono orgnico total DQO DBO Resultado 400 mg. L 600 mg. L-1 -1
180 mg. L P 320 mg. L P 86 mg. L 11 mg. L-1 -1 -1 -1
-1
4750 mg. L 790 mg. L-1
-1
86,1 mg. L O2
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5.2 Experimento A Na Figura 10, tem-se o cultivo realizado no experimento A Cultivo em diferentes concentraes de efluente. Os erlenmeyers de 250 mL foram tampados com algodo para evitar possveis contaminaes por bactrias e protozorios.
Figura 10 Cultivo de microalgas em diferentes concentraes de efluente
Durante o perodo de cultivo, foi observado um decrscimo da biomassa indicando que as culturas passaram por um provvel perodo de adaptao ao efluente. Esse decrscimo pode estar relacionado a diversos fatores, tais como o pH do meio, patgenos e carga orgnica elevada. Os resultados obtidos encontram-se na Figura 11. Aps o perodo de adaptao, as culturas em 10% e 20% de efluente apresentaram um crescimento da biomassa algal, sendo que a cultura inoculada em um meio com 10% de efluente foi a que obteve crescimento no menor espao de tempo, a partir do terceiro dia. No entanto, essa mesma cultura apresentou uma rpida queda de biomassa aps o quinto dia, onde apresentou seu mximo crescimento, 17,9 mg.L-1, o decrscimo exponencial pode ter sido conseqncia de produtos metablitos inibitrios.
53
Figura 11 - Crescimento de biomassa em diferentes concentraes de efluente.
Ao contrrio desta, os cultivos inoculados em meios com 20% de efluente de biodigestor apresentou um menor decrscimo no incio, porm levou maior tempo para apresentar crescimento, e aps o quinto dia, houve um incremento de biomassa, sendo que a concentrao mxima obtida foi de 18,8 mg.L -1 . O cultivo em 30% de efluente no apresentou crescimento no perodo considerado.
5.3 Experimento B
Primeiramente, foi realizada a anlise da clorofila-a e feofitina-a na amostra coletada no Parque Tingui a fim de se obter os resultados da Tabela 6.
Tabela 6 - Ensaio de Clorofila-a/Feofitina-a para Amostra Pura Amostra Volume Filtrado (L) Pura 0,065 Clorofila a 111,03 Feofitina a 1,23 Biomassa (mg.L ) 7,4 8,95-1
pH
T (C) 17,3
Estado Fisiolgico 90
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Essa amostra inicial apresentou excelente estado fisiolgico, representado pela relao de clorofila-a/feofitina-a, uma vez que o resultado de 90 demonstra que h 90 vezes mais clulas microalgas em bom estado fisiolgico do que clulas microalgais degradadas. A partir do planejamento experimental proposto no item 4.4.2, o cultivo em triplicata com 10% de efluente apresentou a curva de crescimento da Figura 12, no perodo de 11 de agosto a 20 de agosto. O grfico da Figura 14 foi obtido a partir da mdia da concentrao de biomassa para os cultivos EFLU-101, EFLU-102 e EFLU103.
Figura 12 Curva de Crescimento do Cultivo EFLU-10
J para o cultivo em 20% de efluente, o mesmo apresentou a curva de crescimento da Figura 13, obtida a partir da mdia da concentrao de biomassa para os cultivos EFLU-201, EFLU-202 e EFLU-203.
55
Figura 13 Curva de Crescimento do Cultivo EFLU 20
Das curvas de crescimento representadas pelas Figuras 12 e 13, observa-se que a populao de microalgas sofre no incio do crescimento uma fase de latncia, durante a qual as clulas se adaptam ao novo meio diludo em que se encontram. Aps adaptao passa-se a uma fase de acelerao do crescimento at finalmente se chegar fase de crescimento exponencial. Esta vai prosseguir at que um dos elementos nutritivos essenciais se extingue ou at que as modificaes do meio devido ao desenvolvimento das microalgas perturbem o crescimento, como exemplo: Mudana do pH, devido aos mecanismos de respirao celular e acumulao no meio esttico; Mudana da luminosidade, devido ao crescimento celular e acmulo de clulas no meio nem todas as clulas tero o mesmo acesso a luminosidade mxima do ambiente em que se encontram; Acumulao de um produto txico, gerado pelo metabolismo da clula e que no eliminado do meio de cultura. Quando a populao estagna entra-se na fase estacionria, porm esta no observada nas curvas desse experimento. Logo aps a taxa de mortalidade se torna superior taxa de crescimento de novas microalgas, e esta a fase final de declnio. Em geral, a biomassa recuperada durante a fase estacionria de crescimento.
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Os cultivos obtiveram um pico de crescimento em aproximadamente 5 dias de cultivo. Como o procedimento para anlise da clorofila-a onera 24 horas, as curvas apresentaram decrscimo antes do procedimento de repique. Na Tabela 7 seguem as produtividades mximas obtidas das amostras no perodo de sete dias de cultivo:
Tabela 7 - Produtividades mximas dos cultivos em bancada Produtividade mxima Amostra -1 -1 (mg.L .d ) EFLU-101 EFLU-102 EFLU-103 EFLU-201 EFLU-202 EFLU-203 62 28 41 73 81 33
Dia do cultivo 5 5 4 4 5 5
Os valores obtidos na Tabela 7 apresentam intervalo de variao considervel. Assim sendo, para melhor avaliao dos resultados, na Figura 14 apresentado o desvio da mdia para o cultivo em 10% de efluente. O maior desvio obtido para as mdias dos cultivos EFLU-10 foi do 5 de cultivo, 15 de agosto, justamente quando as culturas apresentaram pico de crescimento. Ressalta-se que os valores de desvios-padro resultam da possvel diferena de aerao das culturas, a qual foi realizada por bomba de diafragma. Assim sendo, a agitao do meio e a difuso do CO 2 bem como disperso do O2 podem ter sido limitantes no processo de obteno do inculo em bancada.
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Figura 14 Desvio padro da Curva de Crescimento EFLU-10.
Na Figura 15, so apresentados os desvios da mdia para o cultivo em 20% de efluente.
Figura 15 Desvio Padro da Curva de Crescimento EFLU-20.
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Nota-se tambm, no caso dos cultivos EFLU-20, o grande intervalo de variao dos desvios da mdia de biomassa, apresentando o desvio maior no pico de crescimento. Por esse motivo, a partir da produtividade mxima obtida em bancada, optou-se pela repicagem das Amostras EFLU - 103, EFLU-202 e EFLU-203, devido ao fato de que, mesmo os outros cultivos apresentando uma produtividade mxima alta em relao aos outros, a mesma no se mantinha em valores altos, decaindo rapidamente para valores muito baixos, enquanto que as amostras escolhidas para repicagem apresentaram taxa contnua e mais uniforme de produtividade. O restante das amostras foi descartado, e as amostras escolhidas foram repicadas dobrando-se o volume quando da verificao do crescimento exponencial conforme a metodologia para a obteno do inculo. A Figura 16 mostra as amostras EFLU-103, EFLU-102 e EFLU-203 repicadas para volumes maiores, conforme a metodologia apresentada para repicagem. Pode-se observar a colorao tpica de crescimento microalgal bem como a agitao do sistema.
Figura 16 - Amostras repicadas - Cmara Fotossinttica
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5.3.1 Determinao Quantitativa do Cultivo em Cmara
Foi realizado procedimento de contagem de clulas do inculo para o fotobiorreator, segundo metodologia de Determinao de Fitoplancton de gua Doce mtodos qualitativo e quantitativo (CETESB, 1991) a qual utiliza uma cmara de Utermohl com a amostra fixada com soluo de Lugol para contagem em microscpio invertido. O nmero aproximado de clulas foi de 15600 clulas/mL. No entanto, o procedimento de contagem de clulas do inculo no foi realizado periodicamente devido ao tempo necessrio contagem bem como indisponibilidade de utilizao constante dos equipamentos para e