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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 – diniara@yahoo.com.brUniversidade 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
Obtenção da Biomassa
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;
Obtenção da Biomassa
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)
Floculação com FeCl3.6H2O (0,3 M)
NH4CO3 (0,5 M)
(*; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados
**
*
*
Efeito da floculaçãoEfeito da lavagem
*
* * * *
*
*
* *
(*; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados
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)
Floculação com FeCl3.6H2O (0,3 M)
NH4CO3 (0,5 M)
(*; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados
Efeito da floculação
*
(*; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados
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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