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METODOLOGIAS PARA OBTENÇÃO DE BIOMASSA E EXTRAÇÃO DE LIPÍDEOS DE

MICROALGAS MARINHAS

Diniara Soares, Alexandre Guilherme Becker, Luiz Fernando de Lima Luz Júnior, André Bellin Mariano, José Viriato Coelho Vargas, Miguel Daniel Noseda,

David Alexander Mitchell

Diniara Soares – [email protected] Federal do Paraná Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular

Curitiba, Agosto de 2009

Governos mundiais estão apoiando o desenvolvimento de tecnologias renováveis

As microalgas são fonte de ENERGIA RENOVÁVEL

Energia Renovável

As reservas mundiais de combustíveis fósseis são limitadas;

Desastres ambientais estão mais frequentes, devido aos desmatamentos e emissão de gases poluentes;

Microalgas são organismos unicelulares com rápido crescimento e com capacidade de realizar fotossíntese

Microalgas

Suplemento alimentar Carotenóides, pigmentos, omega-3, omega-6,

antioxidantes;

Sequestro de CO2

Biorremediação Cosméticos Aquicultura Aplicações farmacêuticas Produção de biocombustíveis

Aplicações das microalgas

Vantagens das microalgas: Consumo de água menor; Crescem em água doce, água do mar e salobra

(imprópria para agricultura); O sistema de cultivo pode ser construído em solo não

arável (regiões desérticas); A produção da biomassa de microalga pode ser

combinada com fixação direta de CO2;

Produz o ano inteiro (não têm safra); Maior rendimento por área ocupada, 10 maior que uma

oleaginosa de boa produtividade;

Microalgas vegetais superiores

FONTE: CHISTI, 2007

Atualmente a maior parte dos biocombustíveis são produzidos por vegetais superiores

Outras matérias-primas renováveis estão sendo estudadas para suprir necessidades futuras

MICROALGAS

Cepas com alta produtividade de biomassa e lipídeos;

Susceptibilidade à contaminação biológica; Adaptação ao ambiente; Alto custo de processamento;

Avaliação dos processos

Dificuldades na produção de microalgas

Reduzir custos

Sistemas de produção em grande escala

Sistemas abertos - Lagoas

Cyanotech Inc. Hawaii

Petroalgae, Melbourne,USA

Sistemas de produção em grande escala

Sistemas fechados - Fotobiorreatores

Sapphire energy, USA

Algaelink, Netherland, Europa

MIT Photobioreator, USA

Etapas do processo

Obtenção de biomassa Inoculação Crescimento controle Colheita floculação, centrifugação, filtração Secagem Spray-dryer, estufa, fluxo de ar, liofilizador

Earthrise, Ca

Área = 440.000 m2

Volumes grandes – Escala industrial ????1L – apenas 0,1 a 1% de biomassa seca10.000 L – 10 a 100 kg de biomassa

Obtenção da biomassa

Recovery of microalgal biomass and metabolites: process and economics (GRIMA et al.,2003).

Spray-dryer produtos de alto valor agregado ( $1000 ton-1)

Liofilização é muito cara escala laboratorial Filtração depende do tamanho das células Centrifugação é uma boa opção, mas para volumes

muito grandes pode ter uma alto custo de energia Floculação é o método mais barato

IDEAL – FLOCULAÇÃO seguida de CENTRIFUGAÇÃO

Meio de cultura

10.000 L

Biomassa floculada1.000 L

Biomassa centrifugada

100 kgFloculação Centrifugação

Redução10%

Contribuir com o projeto do NPDEAS

Construção de um fotobiorreator em

escala piloto

Geração de energia a partir do biodiesel

produzido.

Produção de biodiesel a partir de

microalgas

Financiamentos:

CNPq e Nilko

Objetivo

Fotobiorreator tubular horizontal, construído em módulos com tubos transparentes de PVC Estrutura: produção do inóculo produção de biodiesel geração de energia

Espaço físico: Cepário Laboratórios Salas de aulas

NPDEAS – Universidade Federal do ParanáCuritiba – PR, Brasil

Construção em andamentoProjeto NPDEAS

SEPARAÇÃO

FloculaçãoCentrifugação

Produção de Energia Auto-Sustentável

Floculação

CENTRIFUGAÇÃO

Avaliar o efeito da floculação seguida de centrifugação de microalgas marinhas Verificar o efeito da lavagem da biomassa

Definir uma metodologia adequada para determinar o teor de lipídeos totais da biomassa seca

Objetivo

Não foi encontrado na literatura o efeito, na recuperação de biomassa e lipídeos, causado pela floculação das microalgas marinhasMicroalgas marinhas possuem em seu meio de cultura sal, parte destes sais podem permanecer nas células mesmo após centrifugação

Em escala laboratorial a produção de biomassa é muito pequena (escala de µg)

Material e Métodos

Microalgas Phaeodactylum tricornutum Nannochloropsis oculata

Cultura GIA(Grupo Integrado de Aquicultura e Estudos Ambientais)

UFPR, Curitiba – PR

Temperatura: 20° C

Meio: Guillard F/2

Condições: Salinidade: 15 %0

Fotoperíodo: 24 h

Aeração: constante

Obtenção da Biomassa

Centrifugação:

Centrífuga3340 g

20 min, 4 °C

CongeladorLiofilizador

100 mL

Biomassa secaGravimetria

mg L-1


Floculação: Remoção da capacidade de as células serem mantidas

em suspensão e/ou estimulação da agregação das células, formando flocos que podem decantar;

Espontânea – biofloculação; Induzida – produtos químicos, alteração de pH e

eletrofloculação;


Floculação:

Floculação com NaOH (1 M)

Floculação com FeCl3.6H2O (0,3 M)

100 mLpH = 8,6

5 mL/L

1 mL/L

pH = 10,3

pH = 6,3

Centrífuga

30 min

Tratamento da Biomassa

Lavagem após centrifugação: sem lavar; lavagem com água destilada; lavagem com NH4HCO3 (0,5 M);

lavagem com NaCl (0,15 M);

100 mL de solução de lavagem

Centrífuga3340 g

20 min, 4 °C

CongeladorLiofilizador

Biomassa secaGravimetria

mg L-1

Centrífuga3340 g

20 min, 4 °C

LIPÍDEOS TOTAIS

BLIGH E DYER

Extração e Determinação do Teor Total de Lipídeos

Metodologia adequada para analisar quantidades pequenas (µg) de amostra;

Metodologias: uso de mistura monofásica de clorofórmio e metanol Adaptação do método de Bligh e Dyer (1959)

Proporção de (CHCl3/CH3OH; 1/2, v/v)

Proporção de (CHCl3/CH3OH; 2/1, v/v)

Adaptação do método de Folch et al. (1957) Proporção de (CHCl3/CH3OH; 2/1, v/v)

Resultados e Discussão – Lipídeos totais

Teor total de lipídeos (em % de biomassa seca) extraídos por diferentes metodologias. Os valores são médias das amostras em triplicata seguidas do erro padrão das médias, * (p 0,05, teste T).

EspécieAdaptação do método

de Bligh e Dyer CHCl3/CH3OH (1/2, v/v)

Adaptação do método de Bligh e Dyer

CHCl3/CH3OH (2/1, v/v)

Adaptação do método de Folch et al.

CHCl3/CH3OH (2/1, v/v)

Nannochloropsisoculata

8,13 ± 0,07 8,87 ± 0,07 5,20 ± 0,11*

Phaeodactylum tricornutum

14,85 ± 0,53 16,97 ± 0,63 7,82 ± 0,44*

Metodologia escolhida

Efeito dos tratamentos

Agente de lavagemBiomassa seca

(mg L-1)

Lipídeos por litro de meio de

cultura(mg L-1)

Lipídeo em relação à biomassa seca

(%)

F-0

L-0 748,3 124,6 16,6

L-H2O 268,7 (b*) 105,1 (bns) 38,6

L-NH4CO3 499,7 (b*) 132,4 (bns) 27,6

L-NaCl 466,3 (b*) 125,2 (bns) 26,4

F-NaOH

L-0 952,0 (a*) 142,0 (ans) 15,1

L-H2O 462,7 (a*;b*) 110,6 (ans;bns) 23,8

L-NH4CO3 500,0 (ans;b*) 103,8 (ans;bns) 20,8

L-NaCl 709,3 (a*;b*) 115,0 (ans;bns) 16,3

F-FeCl3

L-0 757,0 (ans) 153,0 (ans) 21,8

L-H2O 352,3 (a*;b*) 106,2 (ans;b*) 29,3

L-NH4CO3 524,3 (ans;b*) 80,2 (a*;b*) 15,4

L-NaCl 580,0 (ans;b*) 106,7 (ans;bns) 18,6

Teor total de lipídeos em relação à biomassa seca (%) e em relação ao volume de meio de cultura (mg L-1) da Phaeodactylum tricornutum.

Tratamentos das amostras: (L-0) Sem lavar; (L-H2O) lavada com água destilada; (L-NH4CO3) lavada com

bicarbonato de amônio 0,5 M; (L-NaCl) lavada com cloreto de sódio 0,15 M; (F-0) sem flocular; (F-NaOH) floculada com hidróxido de sódio 1 M; (F-FeCl3) floculada com cloreto férrico hexahidratado 0,3 M.

Comparação das amostras pelo teste T: (a) efeito da floculação em relação às amostras não floculadas; (b) efeito da lavagem em relação às amostras não lavadas; (*;p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados; (ns; p 0,05) não houve diferença significativa entre os resultados comparados.

Influência dos tratamentos na biomassa seca

Teor de biomassa seca (mg L-1) obtida a partir de microalgas submetidas a diferentes tratamentos de separação e lavagem. As barras verticais representam o erro padrão (n =3).

0

200

400

600

800

1000

Bio

mas

sa se

ca (m

g L

-1)

Sem lavar

Lavando com água

Lavando com

Lavando com NaCl (0,15 M)

Sem flocular Floculação com NaOH (1 M)


NH4CO3 (0,5 M)

(*; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados

**

*

*

Efeito da floculaçãoEfeito da lavagem

*

* * * *

*

*

* *


Influência dos tratamentos no teor total de lipídeos

Teor de lipídeos totais (mg L-1) de microalgas submetidas a diferentes tratamentos de separação e lavagem. As barras verticais representam o erro padrão (n =3).

0

50

100

150

200

Lip

ídeo

s tot

ais (

mg

L-1

)

Sem lavar

Lavando com água

Lavando com

Lavando com NaCl (0,15M)

Sem flocular Floculação com NaOH (1 M)


NH4CO3 (0,5 M)


Efeito da floculação

*


Efeito da lavagem

**

Conclusões

A floculação com NaOH não alterou significativamente (p 0,05) o teor lipídico total em relação ao volume de meio de cultura processado (mg L-1);

O processo de lavagem também não influenciou no teor lipídico utilizando floculação com NaOH, mas: (a) reduz o volume de biomassa a ser processado (eliminação de

contaminantes); (b) pode reduzir a quantidade de sais originários do meio de cultura,

os quais podem comprometer o maquinário; A solução floculante de NaOH (1M) foi considerada uma boa alternativa

para reduzir o volume de meio de cultura. O custo para a floculação de um mesmo volume de meio de cultura utilizando o agente floculante NaOH é 60% mais barato do que quando utilizado o agente floculante FeCl3.6H2O;

Conclusões

No experimento realizado por Horiuchi et al. (2003), o meio de cultura clarificado após floculação com NaOH foi reutilizado adicionando-se solução de HCl para ajustar o pH. Após clarificação, nenhum inóculo foi empregado, mas as células remanescentes voltaram a se multiplicar após neutralização do meio. Este resultado sugere que as células após floculação não foram seriamente danificadas pelo tratamento alcalino;

A colheita de células de microalgas proposta neste trabalho tem várias vantagens, incluindo alta

recuperação de células, simplicidade operacional, baixo custo e reutilização do caldo clarificado

Agradecimentos

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