universidade de sÃo paulo escola de engenharia de...
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Lorena 2014
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL/USP
FELIPE DE OLIVEIRA FOGAÇA
ESTUDO E AVALIAÇÃO DE DOIS AGENTES FLOCULANTES EM MICROALGA CHLORELLA VULGARIS PARA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
Declaro que esta monografia foi revisada e encontra-se apta para
avaliação e apresentação perante a banca avaliadora.
DATA:___/___/2014
_____________________________
ASSINATURA DO ORIENTADOR
Lorena 2014
FELIPE DE OLIVEIRA FOGAÇA
ESTUDO E AVALIAÇÃO DE DOIS AGENTES FLOCULANTES EM MICROALGA CHLORELLA VULGARIS PARA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
Monografia apresentada a Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo para obtenção do grau de Engenheiro Químico. Área de Concentração: Processos Biotecnológicos
Orientador: Prof. Gerônimo Virgínio Tagliaferro
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIOCONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA AFONTE
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizadoda Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
DE OLIVEIRA FOGAÇA, FELIPE ESTUDO E AVALIAÇÃO DE DOIS AGENTES FLOCULANTESEM MICROALGA CHLORELLA VULGARIS PARA PRODUÇÃO DEBIODIESEL / FELIPE DE OLIVEIRA FOGAÇA; orientadorGERÔNIMO VIRGÍNIO TAGLIAFERRO. - Lorena, 2014. 37 p.
Monografia apresentada como requisito parcialpara a conclusão de Graduação do Curso de EngenhariaQuímica - Escola de Engenharia de Lorena daUniversidade de São Paulo. 2014Orientador: GERÔNIMO VIRGÍNIO TAGLIAFERRO
1. Biocombustíveis. 2. Microalgas. 3. Floculação.I. Título. II. VIRGÍNIO TAGLIAFERRO, GERÔNIMO , orient.
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a todos aqueles
que me apoiaram e em especial aos
meus pais e minha noiva pelo apoio,
carinho e compreensão
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a Deus, pelo dom da vida.
Aos meus pais, Lelia e Delson pelo amor e pelo apoio e principalmente pelos
valores transmitidos, pela educação que me proporcionaram, por acreditar e me
ajudarem a lutar pelos sonhos.
À minha noiva Simone que me deu suporte nos momentos difíceis e me apoiou nas
horas que tive que me dedicar e me ausentar.
Aos meus irmãos pelo companheirismo e pelos momentos de apoio.
Aos professores integrantes da banca Messias Borges, Alexandre Visconti, por
aceitarem fazer parte deste momento,
Ao meu orientador, professor Gerônimo, por ter aceitado essa orientação e
contribuir neste último desafio para o passo de me tornar Engenheiro Químico.
À doutoranda Carla, pela oportunidade de participar da sua pesquisa e por todo
apoio no laboratório com discussões e explicações para realização dessa
monografia.
“Se o dinheiro for a sua esperança de
independência, você jamais a terá. A
única segurança verdadeira consiste
numa reserva de sabedoria, de
experiência e de competência.”
Henry Ford
RESUMO
Fogaça, F. O. ESTUDO E AVALIAÇÃO DE DOIS AGENTES FLOCULANTES
EM MICROALGA CHLORELLA VULGARIS PARA PRODUÇÃO DE BIODIESEL
2014. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia Química) – Escola
de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2014.
A crescente preocupação com o meio ambiente vem sendo acompanhada e cada
vez mais o homem vem procurando novas fontes de energia renováveis para
consumo de combustíveis em todo o mundo. Diante disso, cresce o estudo de
biocombustíveis e estes têm sido vistos como promessa para a geração de energia
do futuro. Dentre as várias matérias-primas disponíveis, as microalgas aparecem
como uma alternativa sustentável devido às vantagens no que diz respeito à alta
produtividade, captura de CO2 devido à fotossíntese e à possibilidade de cultivo de
área não aráveis. Assim, as microalgas da espécie Chlorella vulgaris foram
estudadas e analisadas quanto ao processo de floculação, o qual está relacionado
à colheita, para identificar qual dos agentes coagulantes possui maior eficiência
quanto à floculação. Nesta etapa essencial, foram montados dois arranjos
ortogonais L4 de Taguchi com três variáveis influentes para o processo. O NaOH
proporcionou melhor floculação e as melhores condições foram com 5eq/L, 0,8 mL
e 600 rpm.
PALAVRAS CHAVE: Biocombustível, Microalgas, Floculação
ABSTRACT
Fogaça, F. O. STUDY AND EVALUATION OF TWO AGENTS IN
FLOCCULANTS MICROALGAE CHLORELLA VULGARIS FOR BIODIESEL
PRODUCTION 2014. Monografia (Trabalho de Graduação em Engenharia
Química) – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo,
Lorena, 2014.
The growing concern for the environment has been monitored and increasing and
the human being comes looking for new renewable sources to fuel consumption
worldwide. Therefore, biofuels are being increasingly studied and seen as a promise
for the future power generation. Among the various materials available microalgae
appears as a sustainable alternative due to the advantages with respect to high
productivity due to CO2 capture photosynthesis and the possibility of non-arable
crop area. Thus, microalgae of the species Chlorella vulgaris was studied and
analyzed for flocculation process, which is related to crop, to identify which of
coagulants has higher efficiency and flocculation. This essential step were set in two
orthogonal L4 Taguchi arrays with three influential variables for the process. The
NaOH provided better flocculation and the best conditions was been 5EQ / L, 0.8
mL and 600 rpm.
KEYWORDS: Biofuel Microalgae, Flocculation.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Distribuição regional da produção mundial de biodiesel e uso e 2022
(OECD e FAO, 2013) ............................................................................................ 12
Figura 2 - Fluxograma do potencial da biomassa microalgal (Adaptado (COSTA e
MORAIS, 2011)) .................................................................................................... 13
Figura 3 - Exemplo de cultivo de microalgas em uma lagoa aberta (raceway pond).
(BARAK, BECHAR, et al.) ..................................................................................... 16
Figura 4 - Exemplo de cultivo de microalgas em um fotobiorreator (ZHU, RONG e
ZONG, 2013). ........................................................................................................ 17
Figura 5 - Colóide formado no processo de floculação. ........................................ 19
Figura 6 - Fotobiorreatores utilizados no cultivo das culturas de Chorella sp. ..... 21
Figura 7 - Meio de cultivo após 14 dias ................................................................. 24
Figura 8 - Comparação do flóculo formado entre o NaOH e o [Al (SO ) ]. NaOH na
esquerda e [Al (SO ) ] na direta da figura. .......................................................... 25
Figura 9 - Análise visual da eficiência da floculação com NaOH após 20 min ...... 25
Figura 10 - Análise visual da eficiência da floculação com [Al (SO ) ] após 20 min
.............................................................................................................................. 26
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Comparação do desempenho para produção de óleo a partir de
diferentes culturas (adaptado de DOE, 2010). (DOE, 2010) ................................. 11
Tabela 2 - Composição química (%) da biomassa algal com base na matéria seca
(DEMIRBAS, 2010). .............................................................................................. 15
Tabela 3 - Concentração - meio de cultivo (Adaptado, Lourenço,2006) ............... 20
Tabela 4 - Arranjo ortogonal L4 de Taguchi .......................................................... 22
Tabela 5- Arranjo Ortogonal L4 para o NaOH ....................................................... 23
Tabela 6 - Arranjo ortogonal L4 para o [Al (SO ) ] ............................................... 23
LISTA DE ABREVIARUTAS E SIGLAS
μ – micro (10-6);
DOE – Design of Esperiments;
EIA – Energy Information Administration;
Eq – Equivalente;
GEE – Gases Efeito Estufa;
PA – Padrão Analítico;
sp – Espécie(s).
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................... 7
1.1 Justificativa ................................................................................................. 8
1.2 Objetivos .................................................................................................... 8
1.2.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 8
1.2.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 8
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 9
2.1 Biocombustíveis E Suas Abordadens Pelo Mundo .................................... 9
2.2 O Biodiesel ............................................................................................... 10
2.3 As Algas ................................................................................................... 12
2.3.1 Definição ................................................................................................. 12
2.3.2 Biomassa Microalgal .............................................................................. 14
2.3.3 Cultivo De Microalgas: Algacultura ...................................................... 15
2.4 Floculação ................................................................................................ 17
3 MATERIAS E MÉTODOS ........................................................................ 20
3.1 Materiais ................................................................................................... 20
3.1.1 Microalgas............................................................................................... 20
3.1.2 Meio de Cultura ...................................................................................... 20
3.1.3 Equipamentos ......................................................................................... 21
3.1.4 Agentes Floculantes .............................................................................. 22
3.2 Métodos .................................................................................................... 22
3.2.1 Arranjo Ortonogal de Taguchi ............................................................... 22
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................... 24
4.1 Análise do crescimento das microalgas ................................................... 24
4.2 Comparação do floculo formado .............................................................. 24
4.3 Análise da eficiência da floculação ........................................................... 25
5 CONCLUSÃO .......................................................................................... 27
REFERÊNCIAS .................................................................................................... 28
7
1 INTRODUÇÃO
Os combustíveis fósseis têm se tornado fundamentais para a vida dos seres
humanos, seja como energia para utilização em meios de transporte, como para a
geração de eletricidade. No entanto, os combustíveis fósseis são considerados
como uma fonte não renovável, isto é, possuem um limite de fornecimento com o
passar dos anos. E, além disso, a utilização desde tipo de combustível aumenta a
cada vez mais as preocupações ambientais, em virtude da produção de gases
estufa que contribuem para o aquecimento global.
O petróleo é a mais utilizada fonte de energia no mundo de hoje contando
com aproximadamente 35% de todo consumo mundial de energia primária em
2005, espera-se que ocorra uma pequena queda para 32% até 2030 (IEA, 2007).
No entanto, petróleo, gás natural e o carvão permanecerão como a principal fonte
de energia até pelo menos 2030 (EIA, 2011).
Diante de tal problemática, surge uma alternativa, os biocombustíveis. Estes
são derivados de biomassa, encontrados através de alguns processos físicos e
químicos. Dentre as várias matérias-primas disponíveis as microalgas surgem
como uma alternativa sustentável devido à elevada produtividade e à possibilidade
de cultivo em terrenos impróprios para culturas alimentares e de águas não
potáveis para a produção de biomassa algal. Baseado em sua composição química,
as algas podem produzir uma variedade de biocombustíveis como biogás,
bioetanol, biodiesel e bio-óleo. O objetivo deste trabalho a etapa da floculação,
utilizada para obter posteriormente o biodiesel.
Segundo S.NIGAM e A.SINGH (2010), na perspectiva das questões
relacionadas aos estudos dos biocombustíveis, as algas estão ganhando grande
atenção como alternativa de uma fonte renovável de biomassa para a produção de
bioetanol, no qual está sendo classificado como “terceira geração de
biocombustíveis".
Nesse contexto o trabalho visa estudar e avaliar as condições de produção
de biodiesel, no que diz respeito especificamente à etapa da floculação, o qual está
relacionado ao cultivo da microalga.
8
1.1 Justificativa
A necessidade de encontrar novas formas de geração de energia limpa tem
se tornado um desafio para o ser humano. As algas têm sido estudadas e no que
diz respeito à produção de biocombustíveis. Assim sendo, o presente trabalho,
desenvolvido no laboratório de meio ambiente da Escola de Engenharia de Lorena-
USP, visa estudar e analisar a etapa de floculação das microalgas da espécie
Chlorella Vulgaris.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho é estudar e avaliar a etapa de floculação da
microalga Chlorella vulgaris para produção de biodiesel.
1.2.2 Objetivos Específicos
Como objetivos específicos o trabalho apresenta:
Determinar as condições ideais de cultura para o cultivo da biomassa
algal;
Determinar a relação de eficiência dos agentes coagulantes;
Realizar análise estatística.
9
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Biocombustíveis E Suas Abordadens Pelo Mundo
Nos últimos anos, o uso de biocombustíveis no setor de transporte tem
mostrado um rápido crescimento global. Dirigidas principalmente por políticas
focadas em mitigar as emissões de gases de efeito estufa (GEE) (IEA, 2007).
Um dos dilemas do mundo moderno é tentar suprir a demanda mundial com
o menor impacto ambiental possível. Algumas questões como custo, requerimento
de terra, água limpa, competição com o cultivo de alimentos e preocupações
ambientais, culminou na evolução de culturas de microalgas utilizadas para este
fim. As matérias primas para produção de biocombustíveis evoluíram da cana de
açúcar ou culturas à base de amido (matéria-prima de primeira geração) para
materiais lignocelulósicos (matéria-prima de segunda geração) e então para
microalgas (matéria-prima de terceira geração) (CHEN, ZHAO, et al., 2013).
O mundo consome mais de 20 milhões de barris de gasolina por dia, utilizados
principalmente como combustíveis de veículos leves. Os principais consumidores
de gasolina (EUA, Japão e União Europeia) e os países com rápido crescimento no
consumo desse combustível fóssil, China e Índia, estão buscando alternativas para
reduzir o consumo (CGEE, 2009).
Os biocombustíveis produzidos a partir do açúcar, grãos e culturas de
oleaginosas são conhecidos como biocombustíveis de primeira geração.
Atualmente, o etanol é o principal biocombustível, o qual é produzido da cana-de-
açúcar e de matérias-primas à base de amido. No entanto, a cana-de-açúcar requer
clima tropical ou temperado, e o Brasil se encontra como o único país com sucesso
para produção de etanol a partir da cana (GOLDENBERG, 2007).
A produção de biocombustíveis de primeira geração tem gerado uma certa
controvérsia, devido principalmente ao impacto no mercado mundial de alimentos
e na segurança destes, especialmente nas regiões do mundo que possuem
economia mais vulnerável. Assim, estuda-se algumas questões relacionadas à
substituição de fontes fósseis e da sustentabilidade da produção. Um dos principais
10
fatores que preocupam é o aumento no preço dos alimentos, que poderia causar
um sério problema econômico e social. Atualmente, 1%(14 milhões de hectares)
das terras aráveis do mundo estão sendo usadas para produção de biocombustível,
provendo apenas 1% da demanda global de combustíveis para transporte. (IEA,
2006). Portanto, a produção de biocombustíveis de primeira geração depende do
limite de terras aráveis tornando impossível suportar toda a demanda mundial.
Assim, as algas estão sendo estudadas como alternativa de matéria prima para a
produção de biocombustíveis com um grande potencial de suprir a demanda
mundial e proporcionar a substituição do combustível fóssil.
O Bioetanol e Biodiesel são os dois biocombustíveis mais amplamente
disponíveis e estudados em todas as partes do mundo. (BRENNAN e OWENDE,
2010).
2.2 O Biodiesel
As microalgas contêm óleo que pode ser convertido em biodiesel. A ideia de
usar as microalgas para a produção de combustível não é nova, mas tem recebido
atenção recente renovada na busca de energia sustentável. O biodiesel é
normalmente produzido a partir de óleos vegetais, mas há preocupações
amplamente sonoras sobre a sustentabilidade desta prática. Biodiesel produzido a
partir de microalgas está sendo investigado como uma alternativa à utilização de
culturas convencionais porque as microalgas normalmente produzem mais óleo,
consomem menos espaço e podem ser cultivadas em terras impróprias para a
agricultura.
O biodiesel atualmente é reconhecido como alternativa verde, ou seja,
renovável que vem atraindo um vasto interesse de pesquisadores, governos e de
comerciantes internacionais. Algumas das vantagens de usar o biodiesel ao invés
do diesel proveniente do combustível fóssil são que não é um combustível tóxico,
é biodegradável e possui menor taxa de emissão de gases estufas (DEMIRBAS,
2009).
O teor de óleo de algumas microalgas pode chegar a ser superior a 80% da
massa seca de biomassa de algas. Oleaginosas agrícolas, como soja e óleo de
palma, estão sendo amplamente utilizado para produzir biodiesel; no entanto, eles
11
produzem óleos em quantidades que sejam muito pequenas (por exemplo, menos
do que 5% de base de biomassa total) (CRISTI, 2007).
Podemos ver o potencial que a biomassa algal apresenta quando comparado
com outros tipos de biomassa para produção de biodiesel na tabela 1.
Tabela 1 - Comparação do desempenho para produção de óleo a partir de diferentes culturas (adaptado de DOE, 2010). (DOE, 2010)
Biomassa Rendimento
(Galões/Acre/Ano)
Soja 48
Carmelina 62
Girassol 102
Jatobá 202
Óleo de palma 635
Algas 1000-6500
Muitos países têm incrementado o uso de bioetanol e biodiesel em sua
matriz energética. Destacam-se, especialmente, os programas de muitos países
que fixaram metas de participação de biocombustíveis em suas matrizes em prazos
inferiores a 20 anos.
Parafraseando (CGEE, 2009), muitos países começaram a demonstrar
interesse pela produção do biodiesel e bioetanol para uso como combustível
veicular, por meio de programas e políticas voltadas para os biocombustíveis, tais
como incentivos à produção e ao consumo interno, e acordos internacionais. O
mercado internacional do bioetanol ainda é incipiente e enfrenta dificuldades como
segurança no fornecimento, falta de infraestrutura e barreiras políticas e comerciais
em algumas regiões. Porém, o rápido aumento na demanda de gasolina e as
oscilações do preço do petróleo estão ajudando a incrementar o fluxo do comercio
internacional deste combustível renovável. Podemos ver uma comparação regional
quanto à produção e ao consumo de biodiesel no mundo, conforme a figura 1.
12
2.3 As Algas
2.3.1 Definição
As algas são conhecidas como uma das mais antigas formas de vida
(FALKOWSKI, KATZ, et al., 2004). Elas são plantas primitivas (talófitas), sem
raízes, sem caules, não possuem cobertura estéril de células ao redor das células
reprodutivas e possuem clorofila como seu pigmento fotossintético. Baseado na
morfologia e tamanho, algas são tipicamente subdivididas em duas categorias:
macroalgas e microalgas. As macroalgas são compostas por múltiplas células na
quais organizam estruturas semelhantes a raízes, caules e folhas. Em contraste,
as microalgas são um grupo amplo de organismos fotossintéticos microscópicos,
muitas delas são unicelulares e encontradas em diferentes ambientes. (CHEN,
MIN, et al., 2009)
As microalgas são extremamente adaptáveis a diversos habitats ecológicos
como agua doce, salobra, ou agua do mar. Possuem resistência que possibilitam o
crescimento em diferentes temperaturas e condições extremas de pH. Assim, essas
peculiaridades fazem das microalgas o organismo mais abundante da Terra
(FALKOWSKI, KATZ, et al., 2004). As microalgas podem ainda ser divididas em
United States15%
Brasil8%
União Européia
45%
Indonesia6%
Argentina8%
Thailandia4%
Produção
United States15%
Brasil8%
União Européia
51%
Indonesia3%
Argentina4%
Thailandia4%
Outros15%
UsoFigura 1 - Distribuição regional da produção mundial de biodiesel e uso e
2022 (OECD e FAO, 2013)
13
dois subgrupos: Cianobactérias procarióticas e microalgas procarióticas.
(JUNYING, JUNFENG e BAONING, 2013). Cianobactérias são chamadas também
de algas verde-azuladas Estas apresentam em geral alta concentração de proteína
na sua composição, cerca de 70% da massa seca e baixa concentração de lipídeos,
com aproximadamente 5% (YANG, CH, et al., 2006).
As microalgas podem ser autotróficas ou heterotróficas. Elas requerem
compostos inorgânicos como CO2, sais e fonte de luz. Algumas microalgas são
mixotróficas como, por exemplo, a espécie Chlorella, na qual apresenta ambas as
características, pois realizam fotossíntese e também necessitam de uma fonte
orgânica de nutrientes. A adição de uma fonte de carbono externa auxilia no
crescimento das microalgas e também na acumulação de lipídeos (JUNYING,
JUNFENG e BAONING, 2013).
Diante do que foi apresentado acima, as algas têm ampla aplicação como
demonstrado esquematicamente abaixo:
Figura 2 - Fluxograma do potencial da biomassa microalgal (Adaptado (COSTA e MORAIS, 2011))
14
As microalgas oferecem uma série de vantagens:
Possuem potencial produtor de biocombustíveis significativamente maior
quando comparadas às outras culturas;
Não competem com agricultura tradicional pois não são plantadas em terras
aráveis e podem ser cultivadas em lagoas ou em fotobiorreatores;
Elas podem crescer em um ambiente com variedade de condições de clima;
Finalmente, elas podem ser transformadas em um amplo espectro de
produtos, incluindo biodiesel via transesterificação, diesel e gasolina
substituições verdes via catalítica direta conversão hidrotérmica, e
modernização catalítica, e bioetanol via fermentação, metano via digestão
anaeróbia, calor através da combustão, bio-óleo e biocarvão via conversão
termoquímica e alta proteína animal alimentar.
2.3.2 Biomassa Microalgal
A composição mássica celular das microalgas contém cerca de 60 – 80 %
de água, sendo em peso seco 98% composta de moléculas orgânicas e 2% de
inorgânica. As moléculas orgânicas presentes são predominantemente proteínas,
carboidratos e lipídeos, que constituem cerca de 90% do total (BUMBAK, COOK,
et al., 2011).
A composição da biomassa pode variar dependo da espécie algal a ser
trabalhada. Esta diferença da composição pode ser mostrada abaixo, na Tabela 2.
15
Tabela 2 - Composição química (%) da biomassa algal com base na matéria seca (DEMIRBAS, 2010).
Espécie da amostra Proteínas Carboidratos Lipídeos Ácidos nucléicos
Scenedesmus obliquus 50-56 10-17 12-14 3-6 Scenedesmus quadricauda 47 - 1,9 -
Scenedesmus dimorphus 8-18 21-52 16-40 -
Chlamydomonas rheinhardii 48 17 21 -
Chlorella vulgaris 51-58 12-17 14-22 4-5
Chlorella pyrenoidosa 57 26 2 -
Spirogyra sp. 6-20 33-64 11-21 -
Dunaliella bioculata 49 4 8 -
Dunaliella salina 57 32 6 - Euglena gracilis 39-61 14-18 14-20 - Prymnesium parvum 28-45 25-33 22-38 1-2 Tetraselmis maculata 52 15 3 - Porphyridium cruentum 28-39 40-57 9-14 - Spirulina platensis 46-63 8-14 4-9 2-5 Spirulina maxima 60-71 13-16 6-7 3-4,5 Synechoccus sp. 63 15 11 5 Anabaena cylindrica 43-56 25-30 4-7 -
2.3.3 Cultivo De Microalgas: Algacultura
Para seu crescimento, as algas fototróficas absorvem luz, dióxido de carbono
e nutrientes dos ambientes aquáticos. Assim, a reprodução de forma artificial deve
replicar de forma semelhante a natural, para que as algas tenham o devido
crescimento em tal meio de cultivo criado. Um dos fatores limitantes para o meio
de cultivo é a fonte de luz. JASSEN, TRAMPER, et al. ( 2002) estudaram este
aspecto o qual de acordo com estudos concluíram que o cultivo de algas possui
vantagem quando realizado sob luz solar. No entanto, a disponibilidade de luz é
limitada, pois não há luz solar o dia inteiro. Vale salientar, que o presente trabalho
visa estudar com a iluminação artificial 24h por dia.
O C02 requerido pelas algas é proveniente do ar, mas para aprimorar o
desempenho e absorção de CO2 são necessários aeradores submergidos nas
lagoas (TERRY e RAYMONDS, 1985). As lagoas abertas é o método mais barato
16
para produção em larga escala. Estas, não competem por terra com outras culturas
agrícolas. Elas também não necessitam de muita energia para operação e a
limpeza é fácil (BRENNAN e OWENDE, 2010).
Os meios de produção mais comuns empregados para o cultivo de algas são
lagoas abertas e fotobiorreatores. O sistema de produção varia em termos de
controle de crescimento, evaporação de água, características de fluxo e custos
(BRENNAN e OWENDE, 2010).
O cultivo de algas para produção em lagoas abertas tem sido estudado
desde 1950 (BOROWITZKA, 1999). Este sistema se caracteriza dentro de águas
naturais (lagos e lagoas) ou em containers artificiais. O sistema mais empregado
são as chamadas “raceway ponds”, mostrada na figura 3. Estas são caracterizadas
por lagoas artificiais rasas construídas de concreto, mas também podem ser usadas
lagoas alinhadas com plástico branco em sua extensão. (BRENNAN e OWENDE,
2010).
Sistemas de lagoas abertas requerem uma alta seletividade de ambiente
devido à contaminação que pode ocorrer por outras espécies de algas ou por
protozoários (PULZ e SHEINBERBOGAN, 1998).
Figura 3 - Exemplo de cultivo de microalgas em uma lagoa aberta (raceway pond). (BARAK, BECHAR, et al.)
Segundo (CRISTI, 2007), no que diz respeito à produção de biomassa, as
lagoas abertas apresentam uma menor eficiência quando comparadas com os
17
fotobiorreatores (figura 4). Alguns fatores estão relacionados à evaporação da
água, quantidade de CO2 dissolvido, fonte de luz, dentre outros.
Em contrapartida, os fotobiorreatores começaram a ser estudados nos
últimos 50 anos. Os tipos de fotobiorreatores mais estudados são os tubulares e o
de pratos (BRENNAN e OWENDE, 2010). Devido a uma estrutura fechada e um
controle do ambiente, os fotobiorreatores podem alcançar células de alta densidade
e conseguem manter um sistema de monocultura facilmente. (LEE, 2001).
Tais reatores citados anteriormente são construídos com uma estrutura de
vidro ou plástico transparente, de forma que a luz consiga incidir para o interior do
fotobiorreator. Eles podem ser também dimensionados de tal maneira para que
consigam operar nas posições vertical, horizontal e também inclinada, o que torna
um aproveitamento melhor da área a ser trabalhada, podendo ser produzidos em
lugares com limitações de área.
2.4 Floculação
A coleta de microalgas consiste em uma operação com certa dificuldade
tecnológica devido ao pequeno tamanho das células. O processo de coleta pode
Figura 4 - Exemplo de cultivo de microalgas em um fotobiorreator (ZHU, RONG e ZONG, 2013).
18
ser muito caro, em especial quando envolve processos de secagem. O processo
de secagem térmica é muito mais oneroso do que os processos mecânicos de
remoção de água. A coleta de microalgas em escala comercial geralmente requer
a floculação para redução do tempo necessário à separação das células de
microalgas a partir do meio de cultivo. A floculação é um processo em que ocorre
a agregação das células e a sua separação do meio. O processo inicia-se com a
adição de materiais (floculantes) que promovem distúrbios na estabilidade das
partículas suspensas e promove agregação.
A colheita ou “harvesting” de microalgas é uma chave na conversão da
biomassa microalga para biocombustíveis Para ser fonte de combustível viável, as
células devem ser recuperadas de uma alta concentração da cultura. (SCHENK,
THOMAS-HALL, et al., 2008).
A floculação é um processo complexo e muitos parâmetros podem afetar a
eficiência, incluindo propriedades de superfície celular, número de células por
unidade de volume, o pH do meio de crescimento, tipo de coagulante e de
dosagem, a força iónica da solução de cultura, e tempo floculação (PAPAZI,
MAKRIDIS e DIVANACH, 2010).
A Floculação química é um método bastante viável. As microalgas têm cargas
negativas em suas superfícies que mantêm as células individuais separados em
suspensão. Quando a adição de coagulantes (por exemplo, ferro, alumínio,
polímeros de cal, de celulose, sais, poliacrilamida, surfactantes, quitosana, e outras
fibras sintéticas ou artificiais), as cargas superficiais negativas são interrompidas,
causando uma suspensão das microalgas. Pesquisadores da Universidade de
Minnesota tem desenvolvido um método que emprega coagulantes, equipamento,
e procedimentos operacionais de uso corrente de águas .Este método permite uma
recuperação de 95% a partir de algas os meios de cultura. (CHEN, MIN, et al., 2009)
O processo de floculação pode no entando prover uma alta recuperação da
biomassa microalgal a custos razoáveis. A floculação é utilizada para aumentar a
eficiência devido ao tamanho das partículas e assim, facilitar a sedimentação. Esse
processo tem sido realizado com sucesso e testada em produção de
biocombustível (DANQUAH, L. ANG, et al., 2008).
19
No processo de floculação o colóide apresenta cargas negativas na sua área isso
significa que os íons positivos ou cargas positivas na água serão atraídas para a
área de superfície do coloide formando uma camada de força (figura 5) fazendo
com que a massa seja superior para ocorrer o processo de decantação no fundo.
Figura 5 - Colóide formado no processo de floculação.
20
3 MATERIAS E MÉTODOS
3.1 Materiais
3.1.1 Microalgas
Para estudo da etapa de floculação foi utilizada microalga da espécie
Chorella vulgaris, adquirida pelo departamento de Oceanografia Biológica do Instituto
Oceanográfico da Universidade de São Paulo.
3.1.2 Meio de Cultura
A etapa de inoculação das microalgas foi realizada em ambiente climatizado
com temperatura controlada de 20 o C e pH de 7,2.
Dentre os nutrientes usados para alimentar as microalgas destacamos os
macros nutrientes, que são; carbono, hidrogênio, oxigênio, silício, nitrogênio,
fosforo, enxofre, potássio, magnésio, e ferro, e os micronutrientes manganês, boro,
vanádio, selênio, cobalto, molibdênio, zinco e cobre, algumas dessas espécies são
citadas na tabela 3 em sua molécula usual de adição ao meio de cultura. Esses
nutrientes irão compor a estrutura de biomoléculas, membranas, meio celular,
participar de processos de troca de energia, regular atividades enzimáticas, dentre
outros (LOURENÇO, 2006). A tabela 3 apresenta as concentrações baseadas no
meio de cultivo Guillard:
Tabela 3 - Concentração - meio de cultivo (Adaptado, Lourenço,2006)
Espécie química dos reagentes
Concentração (mg/L)
NaNO3 75000 NaH2PO4. H2O 5000
FeCl3.6H2O 3150
Na2EDTA 4300 MnCl2. 4H2O 180
Na2MoO4. 2H2O 6,3 CoCl2. 6H2O 10 CuSO4.5H2O 9,8 ZnSO4. 7H2O 22,2
21
Outros nutrientes relevantes são vitaminas como a Tiamina (B1), que age
principalmente como coenzima, Biotina (B7) que atua no transporte de CO2 e a
Cianocobalamina (B12) cuja função não está claramente fundamentada
(LOURENÇO,2006).
Antes de ser utilizado o meio foi esterilizado com Hipoclorito de Sódio durante
1 hora e meia sob aeração durante todo o período para homogeneizar.
3.1.3 Equipamentos
Foram utilizados fotobiorreatores de 4 L, mostrados na figura 6, com um
tempo total de cultivo de 14 dias em meio mixotrófico, empregando iluminação
artificial com lâmpadas fluorescentes de 40 W 24 horas por dia, temperatura
ambiente climatizada a 20oC e aeração com compressor de 2.5 W e pedra porosa
24 horas por dia. Após os 14 dias, os meios de cultivo (reator 1,2,3 e 4) foram
misturados em um único recipiente para realização dos experimentos.
Figura 6 - Fotobiorreatores utilizados no cultivo das culturas de Chorella sp.
22
3.1.4 Agentes Floculantes
Foram utilizados os Agentes Floculantes: NaOH com concentração de
2,5eq/L e 5 eq/L; e [Al (SO ) ] com concentração 1eq/L e 2eq/L. Os reagentes para
realizar o preparo da solução foram Padrão Analítico (PA).
3.2 Métodos
Segundo GIL (2002), nesta etapa os dados são levantados e podem ser
agrupados em tabelas, possibilitando sua análise. Assim pode estudar as variáveis
envolvidas e quantificá-las.
Assim, no presente trabalho os dados foram tabelados com três variáveis de
forma que será mais fácil a interpretação dos dados. Foi realizado um estudo para
realizar duas matrizes L4 para a execução dos experimentos. Assim sendo, foram
estudadas e avaliadas algumas variáveis do processo como:
Efeito da quantidade de floculante;
Efeito da concentração do floculante;
Efeito da taxa de agitação;
3.2.1 Arranjo Ortonogal de Taguchi
Foi utilizada a metodologia de Taguchi fazendo duas matrizes com arranjo
ortogonal L4. Esta matriz consiste em um arranjo composto por quatro
experimentos atreladas a três fatores (A, B e C) variáveis em dois níveis (1 e 2). A
tabela 4 mostra como é composto o arranjo ortogonal L4 de Taguchi.
Tabela 4 - Arranjo ortogonal L4 de Taguchi
EXP A B C 1 1 1 1 2 2 1 2 3 1 2 2 4 2 2 1
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Os fatores analisados foram:
Quantidade de agente floculante: Esta variável foi disposta em dois níveis
(alto e baixo) medidos em mililitro (mL).
Concentração de agente floculante: Esta variável foi disposta em dois níveis
(alto e baixo) medidos em Eq/L.
Taxa de agitação: Esta variável foi disposta em dois níveis (alto e baixo)
medidos em rpm.
O fator resposta é a eficiência da floculação, sendo realizada por meio do meio
menos turvo.
Assim foram montados os arranjos ortogonais para o experimento, mostrado nas
tabelas 5 e 6.
Tabela 5- Arranjo Ortogonal L4 para o NaOH
EXP Quantidade de floculante
[NaOH] Taxa de agitação
1 0,4 mL 2.5Eq/L 600 2 0,8mL 2.5Eq/L 650 3 0,4mL 5Eq/L 650 4 0,8mL 5Eq/L 600
De acordo com a literatura, os dados da tabela 5 foram os melhores e expressivos
para utilizar o NaOH como agente floculante para microalgas.
Tabela 6 - Arranjo ortogonal L4 para o [Al (SO ) ]
EXP Quantidade de
floculante [Al (SO ) ] Taxa de agitação
1 0,75ml 1Eq/L 500 2 1,5 ml 1Eq/L 700 3 0,75ml 2Eq/L 700 4 1,5 ml 2Eq/L 500
A tabela 6 foi montada para o agente floculante [Al (SO ) ] de acordo com a
literatura, na qual mostrou resultados mais expressivos com tais valores.
24
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados observados foram colocados e discutidos nessa seção, Foi feita uma
análise visual dos experimentos pode-se obter uma conclusão.
4.1 Análise do crescimento das microalgas
Figura 7 - Meio de cultivo após 14 dias
De acordo com a figura 7, observa-se que o reator 4 (contando da esquerda
para direita) apresenta uma maior coloração esverdeada, pelo qual apresentou a
maior absorbância entre os demais reatores. Isso é consequência do maior
crescimento das microalgas no período de 14 dias.
4.2 Comparação do floculo formado
Quando comparado os dois agentes floculantes, o floculo formado no
momento em que começa a decantar, o floculo formado pelo agente floculante
NaOH (Fig 8a) apresentou-se ser mais denso e maior quando comparado com o
floculo formado pelo [Al (SO ) ] (Fig. 8b). É possível observar esta diferença ao
analisar Figura 8.
25
Figura 8 - Comparação do flóculo formado entre o NaOH e o [Al (SO ) ]. NaOH na esquerda e [Al (SO ) ] na direta da figura.
4.3 Análise da eficiência da floculação
Após a realização dos experimentos, foi tirada fotografia após 20 minutos de
cada experimento para uma análise visual da eficiência da floculação com os
diferentes modelos. Assim pode-se obter um resultado visual a respeito de qual
seria o melhor conjunto de variáveis para obter uma melhor floculação.
Analisando as figuras 9 e 10, pode-se verificar que os erlenmeyers, os quais
foram utilizados o agente precipitante NaOH, apresentaram maior eficiência de
precipitação devido ao sobrenadante ter demostrado mais transparente (Fig. 9), já
com para Al2(SO4)3 o sobrenadante mostrou certa turbidez para o mesmo tempo de
20 minutos (Fig. 10).
Calculou-se o pH nos dois casos, e obteve um pH de 10,3 para o experimento
floculado com NaOH e um pH igual 5,6 para o Al2(SO4)3.
Figura 9 - Análise visual da eficiência da floculação com NaOH após 20 min
a b
26
Figura 10 - Análise visual da eficiência da floculação com [Al (SO ) ] após 20 min
A eficiência da floculação está relacionada ao modo de como o agente
floculante se liga nas partículas de microalgas. Isto é, eles formam um colóide com
ligação de cargas negativas e positivas entre o agente floculante e a célula da
microalga fazendo com que seja possível o processo de decantação. Isso vem a
ser um processo físico, não há reação química nessa etapa.
Observando os resultados, o NaOH demonstrou uma maior eficiência para
recuperar a biomassa algal. O experimento utilizando 0,8 mL, 5 eq/L e 600 rpm foi
o que obteve uma melhor floculação da microalga.
27
5 CONCLUSÃO
Diante do que foi proposto no trabalho, conclui-se, que foi possível obter um
resultado visual e se tratando de comparação entre dois reagentes que serviriam
para realizar uma das etapas para produção de biodiesel, o NaOH obteve uma
melhor floculação e apresentou-se mais eficiente quando comparado com o
[Al (SO ) ], pode-se ainda ressaltar que o experimento que utilizou 5 eq/L, 0,8 mL
e 600 rpm obteve melhor rendimento quando comparado com os demais.
28
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