CULTIVO DE MICROALGAS PARA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍV EIS

Djuna Priscila Camurça Santos1, Arion Zandoná Filho2, Marcos Henrique Luciano Silveira3

1. Acadêmico do curso de Tecnologia em Bioprocessos e Biotecnologia da Universidade Tuiuti do Paraná (Curitiba, PR);

2. Centro de Pesquisa em Química Aplicada – (CEPESQ) – PR, Brasil, Profº Doutor da Universidade Tuiuti do Paraná(Curitiba, PR); pesquisador do CEPESQ;

3. Centro de Pesquisa em Química Aplicada – (CEPESQ) – PR, Brasil, Doutorando em química da Universidade Federal do Paraná.

Endereço eletrônico para correspondência: djunapriscila@hotmail.com

Endereço: rua Alfredo Barcick nº 320, Curitiba- PR.

CEP: 82980-150

Telefone: (41) 9983-0126

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Resumo:

Uma maneira de se produzir biocombustíveis e que por sua vez vem ganhando força

é o cultivo de microalgas para a geração de biomassa e produção de biodiesel. Uma

das características mais marcantes das microalgas é a sua ampla variedade com

mais de 100 mil espécies de pigmentos variados, formas e tamanhos, e seu

crescimento de baixo impacto ambiental. Todas as microalgas são compostas de

proporções diferentes dos seguintes componentes: proteínas, carboidratos, lipídios e

ácidos nucléicos. O presente estudo tem como objetivo realizar o cultivo da

microalga Scenedesmus subspicatus e fazer o balanço mássico do óleo obtido

através do processo de esterificação. A espécie utilizada é de origem do Núcleo de

Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto-sustentável – NPDEAS/UFPR. O meio

padrão utilizado para o cultivo das microalgas foi o CHU. O cultivo foi realizado em

um reator da marca Marconi®/SP, modelo MA. 502/25/1, com controle de

iluminação, aeração, temperatura e agitação. O crescimento da espécie foi

acompanhado por contagem de células e análise da absorbância. A biomassa algal

foi separada através de floculação com hidróxido de sódio e em seguida centrifuda.

O processo de esterificação foi realizado com a biomassa úmida em um sistema de

refluxo, usando o n-heptano como solvente, onde no final deste processo uma

alíquota foi transferida para um Eppendorf com peso bruto descontado e levado a

secura, a fim de se obter o balanço mássico. A esterificação do óleo obtido

apresentou rendimento mássico de 6.18% em relação a massa de microalga obtida.

Desta maneira, considerando uma produção anual com 13 cultivos, empregando o

mesmo meio de nutrientes em escala que possa produzir uma tonelada de massa

seca para cada cultivo, teríamos uma produção anual de 815,61 kg de óleo de

microalga.

Palavras-chave: Scenedesmus subspicatus, biomassa, esterificação

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ABSTRACT :

One way to produce biofuels and that in turn has been gaining strength is the

cultivation of microalgae for the generation of biomass and biodiesel production. One

of the most striking features of microalgae is its wide range of over 100 000 species

of pigments varied shapes and sizes, and growth of low environmental impact. All

microalgae are composed of different proportions of the following components:

proteins, carbohydrates, lipids and nucleic acids. This study aims to make the

cultivation of microalgae Scenedesmus subspicatus and make the mass balance of

the oil obtained from the esterification process. The species used is the source of the

Center for Energy Research and Development of Self-sustaining - NPDEAS / UFPR.

The standard medium used for cultivation of microalgae was the CHU. The culture

was grown in a reactor at the Marconi brand ® / SP model MA. 502/25/1 with lighting

control, aeration, temperature and agitation. The growth of this species was

accompanied by cell counting and analysis of absorbance. The algal biomass was

separated by flocculation with sodium hydroxide and then centrifuda. The

esterification process was carried out with the wet biomass in a reflux system using

n-heptane as a solvent, where at the end of this process an aliquot was transferred to

an Eppendorf discounted gross weight and taken to dryness in order to obtain the

mass balance. The esterification of oil obtained had a yield of 6.18 mass% on the

mass of microalgae obtained. Thus, considering an annual production of 13 crops,

employing the same means of nutrients on a scale that can produce one ton of dry

matter for each crop, we would have an annual production of 815.61 kg of oil from

microalgae.

Keywords: Scenedesmus subspicatus, biomass, esterif ication

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1. INTRODUÇÃO

O aquecimento global e o esgotamento dos combustíveis fósseis apresentam-

se como problemas mundiais causados pelo acúmulo de gases causadores do efeito

estufa, na atmosfera. O aumento do consumo do petróleo de países de economia

emergente e o contínuo consumo de seus derivados têm requerido maior demanda

por petróleo. Em contrapartida, por ser um recurso finito e devido ao fato de sua

combustão gerar grande quantidade de CO², cada vez mais tem-se pesquisado

novas maneiras de se produzir energia através de métodos renováveis, sustentáveis

e viáveis, gerando o menor impacto possível ao ecúmeno. Frente a esta

problemática, a produção de biodiesel visa à utilização de diversos materiais como

uma fonte de energia alternativa, tais como plantas, microalgas e gordura animal

(Vasudevan e Briggs, 2008).

Uma maneira de se produzir biocombustíveis e, que por sua vez vem

ganhando força, é o cultivo de microalgas para a geração de biomassa e produção

de biodiesel. Microalgas são organismos vivos microscópicos, com estrutura celular

extremamente simples, altas taxas de conversão solar através da fotossíntese e

grande capacidade de assimilação de dióxido de carbono (CO2).

Além disso, uma das características mais marcantes das microalgas é a sua

ampla variedade com mais de 100 mil espécies, de formas, tamanhos e pigmentos

variadas, apresentando ainda crescimento de baixo impacto ambiental. Estes

organismos podem se desenvolver facilmente em condições que contenham apenas

luz solar e dióxido de carbono (CO2).

As microalgas apresentam uma gama de fatores favoráveis ao seu cultivo.

Dentre eles destacam-se:

a) eficiência de conversão fotossintética da luz solar (~10%) cerca de 6 a 12

vezes superior que garante rendimentos em termos de produtividade

(Falkowski e Raven 1997);

b) ausência de estrutura de suporte constituída por polímeros como a lignina o

que elimina a necessidade de pré tratamento para possível produção de

etanol de segunda geração;

c) reduz os custos industriais e aumenta a eficiência de conversão da biomassa

em biocombustíveis;

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d) enorme diversidade ecológica, específica, morfológica, genética e metabólica

o que permite a seleção de espécies mais adequados a determinadas

condições, locais de cultivo e sistemas de colheita (Dismukes et al.,2008);

e) possibilidade de suas vias biossintéticas serem manipuladas e direcionadas,

através da alteração das condições de cultivo e stress ambientais, para a

acumulação substancial dos compostos desejáveis para a produção de

biocombustíveis;

f) contudo, a possibilidade de cultivo da biomassa de algas em diversos

ambientes, elimina a competição por áreas utilizadas para a agricultura e

produção de bens alimentares.

Diferentes estudos realizados mostram que as microalgas possuem o mais

elevado teor de matéria graxa, tornando-se uma excelente alternativa para a

produção de biocombustíveis, devido à sua elevada densidade de lipídios

comparando com as oleaginosas tais como canola, soja, palma, girassol (tabela 1).

Dessa forma, a produção de microalgas poderia, promover um aumento na

produção de óleo por hectare e reduzir o custo de produção de biodiesel (Perez,

2007).

Tabela 1. Rendimento de extração de óleo (Chisti, 2 007) Rendimento de óleo t/ha ano

Mamona 0,5 - 1,0 Soja 0,2 - 0,6

Girassol 0,5 - 1,5 Canola 0,5 - 0,9

Pinhão manso 2,0 - 3,0 Óleo de palma (dendê) 3,0 - 6,0

Microalgas 50 - 150 Pode-se observar que as microalgas poderiam, teoricamente, produzir até

150 toneladas de óleo por hectare/ano. Comparando-as com a oleaginosa

de maior rendimento em óleo, como a palma, o fator de vantagem é de 25

vezes, quando as microalgas são cultivadas em piscinas ou lagoas

abertas.

Existem vários métodos de cultivo de microalgas, o mais comumente utilizado é

baseado na indução artificial de condições eutróficas que levam a um rápido

desenvolvimento de explosões populacionais o qual é denominado “blooms”. Este

método consiste na adição de um inoculo puro de microalga a um meio de cultivo

(Lourenço, 2006).

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O cultivo de microalgas compreende formas simples e convencionais de

produção de biomassa algácea em certas aplicações, mas podem envolver também

processos e equipamentos mais complexos, caracterizando a atividade como um

dos mais modernos processos da biotecnologia (Pequeno, 2010). A escolha do tipo

do cultivo depende dos produtos de interesse que as microalgas podem sintetizar

naquelas condições determinadas (biomassa, ácidos graxos, pigmentos, etc.).

As microalgas, além do potencial de fornecer substrato para diferentes tipos

de combustíveis renováveis, tais como biodiesel, bioetanol, biometano,

biohidrogénio, entre outros, podem ao mesmo tempo servir outros propósitos como,

tratamento de águas residuais através da remoção de contaminantes como amônia,

nitratos e fosfatos, aproveitamento da biomassa residual para alimentação animal,

como fertilizantes orgânicos, na geração de eletricidade através da incineração

(Wang et al., 2008), ou para a recuperação de compostos com valor comercial tais

como pigmentos, antioxidantes, polissacáridos e certos compostos bioativos com

aplicações nas áreas farmacêutica, nutracêutica e cosmética (Raja et al., 2008).

Este trabalho de pesquisa teve como objetivo realizar o cultivo de microalgas

em condições laboratoriais controladas e analisar o balanço mássico do óleo

extraído dessa oleaginosa.

2. MATERIAL E MÉTODOS

A microalga utilizada neste projeto foi a Scenedesmus subpicatus, adquirida

no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto-sustentável – NPDEAS

(UFPR), cultivada em um reator da marca Marconi®/SP, modelo MA. 502/25/1

(figura1).

O trabalho foi realizado no Centro Politécnico da Universidade Federal do

Paraná no laboratório de Fotobiomassa e no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento

de Energia Auto-Sustentável – NPDEAS, no período de 01/08/2011 à 02/09/2011.

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Figura 1: Reator Marconi®/SP, modelo MA. 502/25/1, utilizado para o cultivo da microalga Scenedesmus subspicatus.

2.1 Preparo das condições necessárias para a realiz ação do cultivo

Primeiramente foi montado um sistema de iluminação com 4 lâmpadas

fluorescentes, posicionadas em um suporte na parte posterior do reator.

Posteriormente a aeração, na qual foi colocada uma pedra porosa em uma

mangueira de silicone presa na parte interna do reator, onde esta foi ligada

diretamente na tubulação de ar do laboratório. A pedra porosa foi utilizada com o

objetivo de dispersar o fluxo de ar aumentando a eficiência da aeração. Em seguida

foi realizada a desinfecção do reator que consistiu em lavagem com água e sabão,

molho com hipoclorito de sódio e enxágue com água destilada. Após desinfetado, o

reator foi completado com 24L de água deionizada e deixado em rotação constante

de 200 rpm, temperatura de 25 °C, e aeração máxima por um período de 24 horas.

Passado esse período foi adicionado 1,800 L do meio de cultura CHU, o qual

consiste em uma solução rica em sais e nutrientes (ver tabela 2), onde inicialmente

as substâncias são pesadas e diluídas separadamente, e posteriormente misturadas

tendo o volume completado com água ultrapurficada. O meio ficou em agitação por

1h, o pH estabilizou-se em 6,70 e então foram adicionados 6 L de inóculo

concentrado de microalgas.

Tabela 2 . Substâncias do meio Chu e suas respectivas massas.

Solução Reagente Fórmula Massa/l 1 Nitrato de sódio NaNO3 25 g 2 Cloreto de sódio

di-hidratado CaCL3.2H2O 2,5 g

8

di-hidratado

3 Sulfato de

magnésio hepta-hidratado

MgSO4.7H2O 7,5 g

4 Fosfato de potássio dibásico

K2HPO4 7,5 g

5 Fosfato de potássio

monobásico KH2PO4 17,5 g

6 Cloreto de sódio NaCl 2,5 g Titriplex III C10H14N2Na2O8.2H2O 50 g

7 Hidróxido de sódio

KOH 31 g

Sulfato ferroso hepta-hidratado

FeSO4.7H2O 4,98 g 9

Ácido bórico H3BO3 11,42 g Sulfato de zinco hepta-hidratado

ZnSO4.7H2O 8,82 mg

Cloreto de manganês tetra-

hidratado MnCl2.4H2O 1,44 mg

Óxido de molibdênio

Mo03 0,71 mg

Sulfato de cobre penta-hidratado

CuSO4.5H20 1,57 mg

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Nitrato de cobalto hexa-hidratado

Co(NO3)2.6H2O 0,49 mg

2.2 Avaliações de crescimento

O crescimento das microalgas em cultivo pode ocorrer de maneira muito

rápida, podendo ocorrer diversas alterações em suas propriedades químicas e até

mesmo em suas características morfológicas regidas por diversos processos

metabólicos. Por esse motivo se torna necessário o processo de avaliação do

crescimento das microalgas para determinar o momento exato da coleta para

utilização de sua biomassa (Lourenço 2006). Ao longo do cultivo, o sistema foi

monitorado em relação à: contagem de células/ml e absorbância.

Durante todo o processo de crescimento da microalga S. subspicatus, foram

realizadas contagens de quantidades de células/ml utilizando hemocitômetro tipo

Neubauer, onde as amostras eram colocadas e visualizadas através de microscópio

eletrônico, sendo realizadas em triplicata para melhor confirmação do resultado.

A absorbância foi mensurada através de leitura espectrofotométrica, em

comprimento de onda de 750nm. Mittenzwey et al., (1992) aconselham o uso da

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faixa vermelha (700-750nm), porque a radiação vermelha não penetra

profundamente no líquido da amostra e a abosrção da luz por outras partículas

suspensas é menor nesta faixa do espectro. A absorbância é baseada na densidade

óptica, onde a avaliação do crescimento por este método é fundamentada na

obstrução física da luz pelas células, quanto mais células estiverem presentes na

amostra, maior será a absorção de luz.

2.3 Fase final do cultivo

O cultivo foi cessado quando através dos gráficos foi visualizado que o

crescimento das células atingiu o pico máximo e onde as algas começaram a

morrer. Para retirar a biomassa da S. subspicatus do meio de cultivo foi necessário

induzir floculação das células algais, utilizando solução de hidróxido de sódio, que

altera o pH fazendo com que as células se agreguem formando flocos que

decantam. Em seguida, o sobrenadante foi retirado com o auxilio de uma mangueira

por uma abertura na parte superior do reator, e a biomassa floculada foi levada à

centrifugação para assim produzir agregação consistente das células.

2.4 Esterificação e balanço mássico

Para concluir este projeto, a biomassa centrifugada foi submetida a um

processo de esterificação, que tem como objetivo converter ácidos graxos em

compostos mais voláteis, como ésteres metílicos de ácidos graxos para análise em

cromatografia gasosa. O método utlizado foi uma adpatação ao de Hartman e Lago,

onde a diferença principal foi o solvente utilizado, neste caso o n-heptano.

A extração foi realizada com a biomassa úmida, onde 5g da amostra foi

adicionado em um balão de 250 mL com 14 mL de hidróxido de sódio, o frasco foi

levado ao aquecimento e submetido à refluxo a (90°C) por 10 minutos. Em seguida

foi retirado da fonte de aquecimento e após esfriar a temperatura ambiente foram

adicionados 42 mL de solução esterificante, e novamente o balão foi submetido à

aquecimento por 10 minutos. Mais uma vez esperou-se a mistura ficar em

temperatura ambiente e então foram adicionados 50 mL de solvente, e 100 mL de

água, agitou-se o frasco manualmente por alguns minutos e em seguida o balão

ficou em descanso para separação de fases (Figura 2A), onde posteriormente a

mistura foi levada a centrifugação para produzir agregação consistente das mesmas

(Figura 2B). E então retirou-se uma alíquota do óleo que foi transferido para um

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Eppendorf com peso bruto descontado e levado a secura, para assim analisar o

balanço mássico.

Figura 2: Biomassa algácea após o processo de esterificação. (A) Amostra em descanso após ser agitada manualmente. (B) Amostra centrifugada. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A demanda crescente por combustíveis renováveis para a substituição dos

combustíveis fósseis levou, ao lançamento de programas para a produção de

biocombustíveis. De acordo com as vantagens destes combustíveis já mencionadas

neste trabalho, o cultivo de microalgas levou pequenas e grandes empresas e

muitos centros acadêmicos por todo o mundo, a investirem recursos à pesquisas

empregando algas como fonte de óleo. Os resultados obtidos em escala de

laboratório são animadores. Entretanto, todas as experiências com algas, em grande

escala, para a produção de óleo visando a produção de biocombustíveis falharam .

Dentre os aspectos negativos que podem limitar o desenvolvimento de

processos de produção de biocombustíveis utilizando microalgas , destacam-se:

1. Ataque de cepas selvagens não produtoras de óleo;

2. Preço alto dos nutrientes;

3. O óleo obtido geralmente tem alto teor de ácidos graxos livres e elevado índice

de iodo;

4. Dificuldades em se desidratar a alga para extração do óleo;

5. Controle difícil dos parâmetros tais como: acidez, temperatura, e nutrientes

para evitar quedas bruscas na produção e até mesmo a extinção dos cultivares

das algas.

Para o acompanhamento do crescimento celular, duas técnicas foram

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empregadas conforme descrito no item 2.2, e o gráfico é apresentado na Figura 3.

Figura 3. Cinética de crescimento de Scenedesmus subspicatus em meio CHU.

O acompanhamento por leitura de absorbância é um método de baixo custo e

permite quantificar amostras grandes, porém, não faz distinção entre células vivas e

mortas, e pode considerar também partículas de restos metabólicos, resultando em

pouca precisão. Por outro lado, o método de contagem de células por microscopia

eletrônica também é de baixo custo, permite calcular as taxas reprodutivas e

detectar alterações morfológicas, porém trata-se de um trabalho exaustivo e

subjetivo. Sendo assim, a combinação dos dois métodos aumenta a confiabilidade

dos resultados e a praticidade.

De acordo co a Figura 3, após 25 dias de cultivo, o perfil começa a

apresentar-se com tendência de ordem zero, onde a taxa não muda mais

linearmente. Portanto, a faixa de º produção ideal para este cultivo deve ser até o

25° dia.

A esterificação do óleo obtido apresentou rendimento mássico de 6.18 % em

relação à massa seca de microalga obtida. Desta forma, considerando uma

produção anual com 13 cultivos, empregando o mesmo meio de nutrientes em

escala que possa produzir uma tonelada de massa seca para cada cultivo, teríamos

uma produção anual de 815,61 kg de óleo de microalga.

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No entanto, devemos mencionar que o meio de cultivo empregado não é um

meio otimizado, e sim um meio padrão para que se tenha premissas de

desenvolvimento e otimização do cultivo deste microorganismo. Portanto, a partir de

novos ensaios melhores rendimentos de produção de óleo devem ser alcançados.

4. CONCLUSÃO

A produção de biodiesel capaz de suprir a demanda requer grande

quantidade de óleo o que por sua vez requer a habilidade de produzir a baixo custo

grande quantidade de biomassa. A chave para a produção sustentável de biodiesel

a partir de biomassa de microalgas depende de diversos fatores que se resumem

em três grandes grupos: o cultivo, a colheita e o processamento da biomassa. A

produtividade em óleo, que é a massa do óleo produzido por unidade de volume de

microalgas por dia, depende da taxa de crescimento e do conteúdo lipídico, pelo

que, para a produção de biodiesel, é imprescindível a pesquisa, seleção e

otimização de espécies de microalgas com elevada produtividade.

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