Escola Secundária Clara de Resende

Energia Microbiana Sustentável

Pedro Miguel Sousa, Maria João Fleming, Maria Miranda Maia,

Beatriz Manso, Ricardo Leite, Diogo Pinheiro

Professor orientador: Prof. Vítor França

Com o apoio de: Prof. Manuel Simões. Departamento de Engenharia Química da

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

RESUMO

Este trabalho procura estudar a capacidade conjunta de produção de energia elétrica e tratamento de

efluentes da microalga Chlorella vulgaris, através de uma célula de combustível adaptada.

Esta célula divide-se em duas câmaras: anódica e catódica. Na câmara anódica são captados eletrões,

decorrentes do processo fotossintético das algas, e transferidos, ao longo de um circuito, até ao cátodo,

de modo a gerar energia elétrica.

Num protótipo inicial da célula, tendo, na câmara anódica uma população de Chlorella em crescimento

heterotrófico anaeróbio (adição de 5g/L de açúcar, câmara selada para impedir entrada de oxigénio),

obteve-se uma diferença de potencial de 0.033 volts.

Um dos objetos de estudo é a presença de microalgas no lado do cátodo, sendo que a voltagem do

circuito desceu para 0.009 volts após a adição de Chlorella à câmara catódica. No entanto, após análise

microscópica, verificou-se que esta câmara tinha sido contaminada com bactérias.

Foi extraída de um reservatório e armazenada no frigorífico água poluída, decorrente da atividade

escolar (relacionada com materiais de Artes Visuais). Futuramente, esta água irá ser utilizado na célula

de combustível, de modo a se estudar a variação da sua composição após o crescimento de microalgas

no meio – testando assim a possibilidade de aliar à produção de energia o tratamento de efluentes.

O facto de que a estrutura da nossa escola é semelhante à de muitas outras escolas públicas, devido às

obras de modernização a cargo da Parque Escolar, permite conjeturar uma aplicação em elevada escala

de um sistema baseado nas premissas deste projeto.

1 INTRODUÇÃO

1.1 MICROALGAS

1.1.1 Características

As microalgas são micro-organismos fotossintéticos unicelulares, que têm a capacidade de

combinar água, dióxido de carbono atmosférico, luz solar e alguns nutrientes, para produzirem

oxigénio e varias fontes de energia (matéria orgânica) como: proteínas, lípidos, polissacarídeos,

etc…

Apesar de organismos minúsculos, estas, além de constituírem a base da cadeia alimentar, visto

que são a fonte de alimento mais nutritiva, produzem também mais oxigénio do que todas as

plantas terrestres juntas, estando encarregues de aproximadamente 60% da produção de

oxigénio do planeta.

Em condições ideais de cultivo, estes micro-organismos chegam a duplicar a sua biomassa

diariamente e por essa razão constituem certamente uma das matérias primas mais promissoras

do futuro, não só devido aos múltiplos benefícios que aportam aos organismos vivos, mas

também pela sua elevada taxa de crescimento.

Figura 1 – microalga Chlorella vulgaris ao microscópio

Fonte: Pavel Škaloud, Phycological research group,

Charles University in Prague, Czech Republic

1.1.2 Usos

Estes micro-organismos podem ser utilizados das mais variadas maneiras. É possível produzir energia elétrica, a partir do metabolismo celular, e, também, biocombustíveis, a partir de extratos da biomassa das microalgas.

São várias as espécies de microalgas capazes de sobreviver em águas poluídas e, durante o seu processo de crescimento, remover os agentes poluentes da água, purificando o meio. Desta forma, o potencial destes organismos estende-se ao tratamento de águas residuais.

Devido às elevadas propriedades nutritivas das microalgas, é também possível processá-las, transformando-as em vitaminas e complementos para utilização na alimentação humana, em biofertilizantes para uso na agricultura, na criação de cosméticos, e em suplementos para alimentação animal.

1.1.3 Espécie de microalga utilizada

As microalgas utilizadas neste projeto pertencem à espécie Chlorella vulgaris. Esta espécie é

característica de ambientes de água doce, estando principalmente relacionada com a produção

de suplementos alimentares.

Contém uma impressionante composição bioquímica, repleta de vitaminas, minerais e ácidos

gordos essenciais. No entanto, é a sua concentração em clorofila (um pigmento fotossintético)

que se destaca, detendo uma taxa muito elevada deste pigmento.

A sua grande composição neste composto é um facto a transforma num dos mais potentes

agentes de limpeza e desintoxicação naturais, visto que possui a capacidade de ligação e

posterior eliminação de metais pesados como o mercúrio, níquel e alumínio.

Além disso, é das poucas espécies de microalgas que se podem consumir na totalidade – quer

como alimento quer como suplemento dietético, aproveitando-se toda a sua biomassa.

Esta espécie possui potencial, também, no âmbito do tratamento de águas poluídas, estudado,

por exemplo, por Ruiz-Marin, et al. (tabela 1).

Parâmetro Valor obtido

Taxa de crescimento (% por dia) 37,7

Remoção de NH4 60,1

Remoção de PO4 80,3

Tabela 1 - Crescimento e tratamento de águas poluídas por Chlorella vulgaris, ao fim de 150h [1]

1.2 CÉLULA DE COMBUSTÍVEL MICROBIANA

1.2.1 Resumo

Uma célula de combustível microbiana é um sistema que utiliza os processos metabólicos de

microorganismos para gerar corrente elétrica, através da captação de eletrões obtidos durante

oxidações decorrentes destes processos.

Este funcionamento é similiar ao de uma pilha. A diferença está no dador de eletrões, sendo que no

caso da pilha estes são captados não a partir de reações que organismos promovem, mas a partir de

reações entre substâncias.

1.2.2 Consequências do uso de microalgas neste sistema

A maioria das células de combustível microbianas utiliza seres heterotróficos, ao passo que no presente

trabalho são utilizados organismos autotróficos, como são as microalgas.

Enquanto que os seres heterotróficos necessitam, para obter energia, de degradar matéria orgânica pre-

existente no meio, os autotróficos conseguem produzir a sua própria - através, por exemplo, da

fotossíntese, na presença de luz solar.

Consequentemente, os eletrões captados são antes provenientes dos processos que ocorrem durante a

fotossíntese.

Nomeadamente, são obtidos eletrões decorrentes da oxidação da clorofila (um pigmento fotossintético,

presente nos cloroplastos) , que consiste na remoção de eletrões destas moléculas, devido à incidência

de radiação luminosa, e da fotólise da água – a separação, também por ação da luz, das moléculas de

H2O nos seus componentes, onde se incluem protões e eletrões.

Estes eletrões são captados por uma estrutura composta por um material com essa capacidade,

denominada anodo, e são conduzidos ao longo de um circuito. Este circuito termina numa outra

estrutura, denominada cátodo, onde se juntam a moléculas de oxigénio e a protões, para formar água.

A acumulação de eletrões na câmera catódica, e protões na câmera anódica, leva ao surgimento de

carga negativa e positiva nos dois lados, respetivamente. Assim, é instalada uma ponte salina, que

permite a movimentação de protões entre as duas câmeras, mantendo a neutralidade do sistema. São

estes protões que intervêm na reação de formação de H2O que se dá no cátodo.

Figura 2 – Esquema de uma célula de combustível microbiana com organismos autotróficos

Como este sistema se baseia na conversão de energia solar, necessária às reações fotossintéticas, em

energia elétrica, é possível a denominação, mais específica que célula de combustível microbiana, de

sistema bio-fotovoltaico.

2 CONDIÇÕES DE CRESCIMENTO DE CHLORELLA VULGARIS

É importante conhecer a influência dos parâmetros do meio no crescimento das microalgas, bem como

os seus valores ideais, de modo a ser possível orientar da melhor maneira as condições das culturas de

Chlorella crescidas durante o projeto.

Devido a tal, foi desenvolvida, no âmbito do nosso trabalho, uma pesquisa sobre este tema, com recurso

a anteriores experiências publicadas.

Os resultados até agora obtidos não possibilitam a definição de parâmetros ideais exatos, até devido ao

grande número de fatores a ter em conta. Assim, só é possível falar em intervalos aproximados de

certos valores.

2.1 TEMPERATURA A taxa de crescimento da cultura aumenta em conformidade com a temperatura, até que seja atingido o

valor ideal. A partir daí, um aumento da temperatura leva a uma diminuição do crescimento [2].

A temperatura indicada para Chlorella v. situa-se entre os 20 e os 30 oC, dependendo do estudo

considerado (T=[25,30] [2]; T=20 [3])

Chinnasamy et al. (2009) [4] verificaram um aumento no teor de biomassa e clorofila nesta espécie com

T=30 oC e 6%CO2 no meio.

Verificou-se que a percentagem de lípidos nas células aumentava de 5.9 para 14.7% quando a

temperatura diminuía de 30 para 25 oC [2].

2.2 PH E SALINIDADE Chlorella v. é capaz de suportar valores de pH entre 4 e 12. No entanto, o valor ótimo é de

aproximadamente 6 [3].

A salinidade ideal é aquela reminiscente do habitat da espécie: meios de água doce [4].

2.3 AERAÇÃO A aeração do meio está relacionada com o fluxo de gases a circular no meio, aumentando com um

acréscimo do CO2 bombeado. É medida frequentemente em vvm – volume de gás por volume de

líquido do meio por unidade de tempo (minutos).

Um aumento na turbulência do fluxo de gás bombeado para o meio resulta num aumento da taxa de

difusão entre o meio líquido e gasoso.

Para além disso, mais movimento meio permite uma mistura mais eficaz das microalgas, garantindo

uma distribição mais equitativa de luz, permitindo um melhor aproveitamento desta [4].

Um grau de aeração inferior a 0.4 vvm é negativo para o crescimento da cultura e produção de

biomassa [5].

Por outro lado, um aumento de 0.4 para 0.7 vvm não produz resultados significativos em meios com

6% e 10% CO2 [5]. Os autores do estudo referem a possibilidade de tal se relacionar com uma menor

eficácia da difusão do composto a partir de determinada turbulência

Conclui-se que a taxa de aeração ideal é de 0.4 vvm (em minutos).

2.4 CARBONO Uma fonte de carbono é da mais alta importância no decorrer da fotossíntese. Normalmente, é utilizado

o CO2 atmosférico, bombeado para o interior do recipiente.

A concentração amosférica de CO2 é de 0.04%.

Como a assimilação de CO2 involve crescimento celular, espera-se que a capacidade de fixação de CO2

se relacione de forma positiva com o seu crescimento celular e produção de biomassa [4].

Chlorella v. é capaz de desenvolver um processo denominado fotorespiração, na presença de O2, que

diminui a eficácia da fotossíntese. A razão CO2/O2 no meio determina qual destes processos ocorre,

pelo que valores elevados são desejáveis neste parâmetro.

Chinnasamy et al. (2009) [6] verificaram um aumento no teor de biomassa e clorofila com T=30oC e

6%CO2 no meio.

Considerando uma taxa de aeração de 0.4% e 30 oC, um aumento de 2 para 6% de CO2 produziu em

laboratório um acréscimo de 45% na produção de biomassa e crescimento de Chlorella v. [5]

2.5 AZOTO É necessária uma fonte de azoto para o cultivo de microalgas. Os compostos mais usados neste aspeto

são o nitrato (NO3) e o amónio (NH4).

Russo, David (2011) [4] verificou uma taxa de crescimento e de remoção de nutrientes mais elevada

numa cultura exposta a uma razão N:P de 8:1. É referido que tal pode ser explicado pelo facto na

composição de Chlorella vulgaris se encontrar uma razão semelhante.

No entanto, uma razão N:P mais baixa – 2:1 ou 4:1 – resultou numa maior taxa de absorção de nitratos e

fosfatos. Isto poderá indicar um melhor comportamento de absorção de nutrientes em razões N:P

inferiores.

O meio Chu-10 modificado mostrou-se capaz de suportar uma taxa de crescimento de 420% ao longo de

cinco semanas, contra resultados inferiores (entre os 200 e os 300%) dos restantes meios testados [7].

Este meio tem como fonte de azoto o nitrato de cálcio, com C = 0.232 g/L.

2.6 OUTROS COMPONENTES Para além de azoto e carbono, é também necessária a presença de outros componentes.

Estre estes, os mais importantes são o fósforo e o ferro. Pode também ser considerada a presença de

cálcio, magnésio, manganésio e zinco. [8]

O fósforo atua no desenvolvimento da alga, produção de energia (ATP) e constituição de moléculas

estruturais.

São também usadas, por vezes, vitaminas na promoção do crescimento de várias microalgas.

2.7 LUMINOSIDADE Pode-se utilizar luz natural ou fornecida por lâmpadas fluorescentes, de halogénio ou LEDs.

É necessário considerar:

- intesidade luminosa;

- fotoperíodo;

- qualidade espectral (diferentes faixas do espectro luminoso).

Para quantificar a intensidade da luz, é usado o termo fluxo de fotão fotossintético (FFF). A unidade para

o FFF é o micromole por metro quadrado e por segundo. Esta quantidade é o número de fotões que

incide numa determinada área a cada segundo.

Altas intensidades luminosas podem resultar em fotoinibição, levando a danos no aparelho

fotossintético da célula.

É comum trabalhar-se com intervalos de intensidade luminosa entre 100 e 200 umol/s m-2 (equivalente

a aproximadamente 5000lux).

Embora o crescimento máximo se verifique sob radiância constante (24h), a partir das 15h de radiância

a variação no crescimento torna-se impercetível.

A faixa de absorção de luz necessária para a realização da fotossíntese ocorre entre 400 e 700 nm –

radiação fotossinteticamente ativa (correspondente à radiação visível).

De notar que esta espécie não sobreviveu em condições de Verão na Suécia com luz direta (Intensidade

luminosa média entre 140 e 200 kWh/m2) [3], sendo que a intensidade média da luz em Portugal é

superior e, também, mais elevado o número de horas de Sol.

3 DESENVOLVIMENTO DE CULTURA DE MICROALGAS

3.1 INÓCULO O inóculos utilizados foram cedidos pela Faculadade de Engenharia da Universidade do Porto e

transportados para os laboratórios da escola em garrafas de plástico. Consistiam em populações de

Chlorella vulgaris, crescidas no meio utilizado na FEUP .

Figura 3 – Culturas de microalgas no dep. de engenharia química da FEUP

3.2 MEIOS UTILIZADOS Foram usados dois meios para crescer as microalgas: o meio utilizado comummente na FEUP, preparado

juntando as soluções 1, 2, 3 e 4 e perfazendo um volume de 1L (tabelas 1, 2, 3 e 4), e um meio

preparado à base de solução de Knop modificada, numa concentração de 130ml/L de água destilada

(tabela 6 e 7).

Procurou-se utilizar a solução de Knop devido à dificuldade de obtenção de alguns reagentes incluídos

no meio da FEUP.

Tabela 2 – Meio I, solução 1 (10 mL)

Reagentes Meio (g/L) Solução (g/L)

NaNO3 0,250 25

MgCl2·6H2O 0,012 1.2

CaCl2·2H2O 0,018 1.8

MgSO4·7H2O 0,015 1.5

KH2PO4 0,045 4.5

Tabela 3 – Meio I, solução 2 (1 mL)

Reagentes Meio (mg/L) Solução (g/L)

FeCl3·6H2O 0.08 80

Na2EDTA·2H2O 0.1 100

Tabela 4 – Meio I, solução 3 (1 mL)

Reagentes Meio (mg/L) Solução (mg/L)

FeCl3·6H2O 0.185 185

Na2EDTA·2H2O 0.415 415

FeCl3·6H2O 3×10-3 3

Na2EDTA·2H2O 1.5×10-3 1.5

FeCl3·6H2O 0.01×10-3 0.01

Na2EDTA·2H2O 7×10-3 7

Tabela 5 – Meio I, solução 4 (1 mL)

Reagentes Meio (mg/L) Solução (g/L)

NaHCO3 50 50

Tabela 6 – Meio II (com solução de Knop modificada)

Reagentes Meio (g/L) Solução (g/L)

Ca(NO3)2 0.13 10

KCl 0.0156 1.2

KH2PO4 0.0325 2.5

MgSO4 0.0325 2.5

Tabela 7 – Solução de Cloreto de Ferro Incluída no Meio II

Reagentes Meio (mL/L) Solução (ml/L)

FeCl3 1% 0.013 1

3.3 OUTROS PARÂMETROS Os inóculos foram inicialmente colocados em garrafas de plástico contendo o meio com solução de

Knop, colocadas junto a uma janela.

As tampas mantiveram-se pousadas, de modo a garantir algum arejamento e, ainda assim, impedir

contaminação. Os recipientes foram agitados regularmente, para impedir a deposição de biomassa.

Posteriormente, devido ao baixo crescimento conseguido desta forma ao longo de duas semanas, foram

inseridos, através de furos feitos nas tampas, tubos de silicone ligados a uma bomba de ar. Este

dispositivo permite conseguir valores de aeração e oxigenação do meio superiores.

3.4 TESTES Devido a não ter sido ainda possível obter, consistentemente, uma taxa de crescimento autotrófico

satisfatória com o meio à base de solução de Knop, decorrem presentemente testes relativos,

exatamente, à composição do meio.

É variada a composição do meio, de acordo com a informação apresentada na tabela 8, sendo os fatores

arejamento e luminosidade semelhantes em todos os recipientes – sendo que o conteúdo inicial de

todos consistia em 200mL de inóculo por 500mL de meio.

Tabela 8 – Experiência a decorrer, relativa à influência do meio no crescimento de Chlorella vulgaris

Recipiente Meio usado

Garrafa 1 Meio I

Garrafa 2 Meio II

Garrafa 3 Meio II, com adição de 0.2g de NaNO3

Figura 4 – Cultura de microalgas no laboratório de química da escola

4 CRESCIMENTO DE CHLORELLA VULGARIS EM PROTÓTIPO DE CÉLULA DE

COMBUSTÍVEL MICROBIANO

No âmbito deste trabalho, foi construído pelos alunos um protótipo de uma célula de combustível

microbiana, utilizando principalmente plástico na estrutura. Esta estrutura, ainda que básica, permitiu

testar o conceito de produção de energia teorizado e estudar a variação de certas condições.

Figura 5 – Protótipo de célula de combustível microbiana no laboratório da escola

4.1 MATERIAL USADO NO PROTÓTIPO Recipientes de plástico (2 litros de capacidade);

Ponte salina;

fio de cobre;

bomba de água e bomba de ar;

tubos de silicone;

grafite.

4.2 PROCEDIMENTO

4.2.1 Ponte salina

A ponte salina foi obtida misturando 100mL de água destilada com 4g de KCL e 4g de ágar-ágar. A

mistura foi aquecida numa placa térmica até se dissolver o ágar, após o que foi colocada em tubos de

plástico para arrefecer.

Após a solidificação do material, as extremidades dos tubos foram cortadas, com vista à sua inserção no

reator.

Figura 6 – Aquecimento de mistura para formação de ponte salina

Figura 7 – Colocação de mistura em tubos de plástico

4.2.2 Elétrodos

O material escolhido para o anodo e cátodo foi a grafite, na forma de lápis. Procurou-se obter uma razão

de 5:1 entre a área do cátodo e do anodo, pois estes valores foram já referidos como ideais ao

funcionamento da célula de combustível microbiana.

As extremidades do fio de cobre foram apertadas à volta do anodo e do cátodo.

4.2.3 Estrutura

Foram feitos furos na parte lateral dos recipientes de plástico, de modo a permitir a acoplação da ponte

salina. Esta foi fixada com super-cola e o local de inserção impermeabilizado com silicone.

Foram feitos furos nas tampas de ambos recipientes, para permitir a passagem do fio condutor.

Posteriormente, foi acoplada a bomba de água na câmara catódica (de modo a manter as condições

anaeróbias do meio) e a bomba de ar no lado do cátodo.

A câmara anódica foi selada com silicone e cola.

4.2.4 Conteúdo das câmeras anódica e catódica

A cultura inicial que apresentava a mais elevada concentração de microalgas (determinada através da

cor verde mais forte) foi transferida para a câmara anódica, tendo sido fornecidos, semana a semana,

sais ao meio, na forma do já referido meio com solução de Knop modificada.

Nesta fase foi testado o crescimento heterotrófico das microalgas, pelo que foi, também, adicionado

regularmente ao meio açúcar, numa concentração de 5g/L.

Na câmara catódica foi inicialmente colocada água destilada. Posteriormente, testou-se a influência da

presença de Chlorella vulgaris neste compartimento. Após a adição de microalgas, a tampa deste

compartimento foi deixada entreaberta.

Figura 8 – Medição de d.d.p. no circuito

4.3 RESULTADOS

4.3.1 Medição de voltagem inicial

Após duas semanas, ao longo das quais as microalgas cresceram na câmera anódica, foi medida a

diferença de potencial do circuito do sistema. Foi obtido um valor estável de 0.033 volts.

4.3.2 Medições de voltagem após inoculação de câmara catódica

No dia seguinte à inoculação da câmara catódica, a diferença de potencial foi novamente medida, tendo

sido obtidos 0.008 volts.

Esta voltagem subiu ligeiramente no dia seguinte, tendo se obtido 0.009 volts, valor que se manteve

estável nos dias seguintes.

Durante estes dias, verificou-se a acumulação de muco na câmara catódica. Após análise microscópica,

concluiu-se que este era o resultado da contaminação do meio por micro-organismos identificados

como bactérias.

Tabela 9 – Apresentação de resultados de medições de d.d.p.

Medição Valor (volts)

Medição inicial 0.033

Segunda medição (após inoculação) 0.008

Medições seguintes 0.009

Figuras 9 e 10 – Imagens microscópicas da população de Chlorella v. contaminada com bactérias (esquerda) e sem

contaminação (direita)

4.4 CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos na medição de voltagem inicial, concluiu-se que é possível, com

relativamente poucos recursos, desenvolver uma célula de combustível microbiana funcional.

Concluiu-se, também, que não é expressamente necessário o uso de um mediador para facilitar a

captação de eletrões das células de Chlorella pelo anodo, uma vez que se verificou a sua transferência

ao longo do circuito sem a utilização de compostos deste género.

Com base nos resultados obtidos nas seguintes medições de voltagem, conclui-se que a atividade de

microorganismos na câmara catódica têm como consequência uma diminuição da voltagem da célula de

combustível microbiana.

Ainda assim, devido à já referida contaminação desta câmara por bactérias, consideramos não ser ainda

possível retirar ilações quanto às consequências da presença de uma população pura de Chlorella.

5 PRÓXIMOS PASSOS DO PROJETO

5.1 RECOLHA DE ÁGUA POLUÍDA No decorrer da atividade escolar, nomeadamente daquela relacionada com as disciplinas de Artes

Visuais, é produzida água contaminada, cujo tratamento acarreta grandes custos à nossa escola.

No âmbito deste projeto, foi efetuada a recolha de uma amostra desta água. Este líquido irá ser usado

como meio de crescimento para as microalgas, de modo a testar a sua capacidade de sobrevivência e

acumulação dos agentes poluidores presentes. O objetivo final é conseguir utilizar estas águas como

meio da célula de combustível microbiana, efetivamente garantindo a junção das potencialidades de

produção de energia e purificação de efluentes.

5.2 CONSTRUÇÃO DE REATOR Ao mesmo tempo que decorrem novos testes, está, presentemente, a ser projetado um reator em

acrílico, que irá aplicar o mesmo princípio utilizado no protótipo em plástico. Este reator irá deter um

volume conjunto de aproximadamente 20 litros.

Irão ser instaladas bombas de circulação ou ventoinhas em ambas as câmaras, bem como LEDs, de

modo a controlar o fotoperíodo e a intensidade luminosa a que estão expostas as células, estando

também em aberto a colocação de um termóstato no reator.

Figuras 11 e 12 – Modelo 3d do reator em acrílico a construir

BIBLIOGRAFIA

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Green algae in Batch and Semi-continuous Cultures Treating Real Wastewater”, Bioresource Technology, Vol.101.

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[8] Bertoldi, F., Sant’Anna, E., Oliveira, J., “Teor de Clorofila e de Sais Minerais de Chlorella vulgaris Cultivada em

Solução Hidropónica Residual”. 2008.