UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARAN
DHYOGO MILO TAHER
BIODIESEL DE MICROALGAS CULTIVADAS EM DEJETO SUNO
BIODIGERIDO
CURITIBA
2013
DHYOGO MILO TAHER
BIODIESEL DE MICROALGAS CULTIVADAS EM DEJETO SUNO
BIODIGERIDO
Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre em Engenharia e Cincia dos Materiais, Setor de Tecnologia, da Universidade Federal do Paran.
Orientador: Prof. Dr. Andr Bellin Mariano
CURITIBA
2013
FICHA CATALOGRFICA
TERMO DE APROVAO
DHYOGO MILO TAHER
BIODIESEL DE MICROALGAS CULTIVADAS EM DEJETO SUNO
BIODIGERIDO
Dissertao aprovada como requisito parcial para obteno do grau de Mestre
no Curso de Ps-graduao em Engenharia e Cincia dos Materiais, Setor de
Tecnologia, Universidade Federal do Paran, pela seguinte banca
examinadora:
________________________________
Prof. Dr. Andr Bellin Mariano
Orientador NPDEAS, UFPR
________________________________
Prof. Dra. Marilda Munaro
Departamento de Engenharia e Cincia dos Materiais, UFPR
________________________________
Prof. Dr. Pedro Augusto Arroyo
Departamento de Engenharia Qumica, UEM
Curitiba, 23 de agosto de 2013.
A todos aqueles que enxergam na natureza e meio-ambiente o verdadeiro motivo pelo
qual estamos aqui
AGRADECIMENTOS
Aps 108 pginas arduamente escritas nesse trabalho, essa com
certeza a seo mais difcil de se redigir.
Agradeo a Deus por ter tornado esse momento possvel. Por ter chego,
at ento, ao pice da minha carreira.
minha me, amiga, parceira e conselheira de todas as horas, e meu
pai (mesmo estando no cu), por terem a muito custo me dado a base
necessria para atingir mais esse objetivo.
Ao meu amigo, professor e orientador Dr. Andr Bellin Mariano, pelo
companheirismo, apoio, suporte, orientao e injeo de nimo necessrios.
Dbora Andreatta da Silva, que foi crucial em seus palpites,
formataes e auxlio na reta final. Sem voc esse trabalho no teria
acontecido.
Aos meus amigos e colegas do NPDEAS, que de alguma forma tenham
contribudo com esse trabalho, em especial Diego de Oliveira Corra, Bruno
Miyawaki e Beatriz Santos.
Por fim, agradeo aos porquinhos por produzirem grandes quantidades
de dejeto rico em nutrientes e s microalgas, por no serem to exigentes e
usarem esse resduo para sua prpria nutrio e crescimento.
O que conta Na vida (sabedoria)
Que o contrrio se prove sem qualquer teoria
Tirar dez Naquela prova dos nove
(autor desconhecido)
RESUMO
Estudos atuais mostram o grande potencial da utilizao de microalgas para a produo de biodiesel e gerao de energia devido ao seu rpido crescimento, produtividade e alto teor de lipdeos. O aprimoramento dos processos de produo e a diminuio de custos so os principais desafios a serem superados no desenvolvimento dessa tecnologia. Como o meio de cultivo corresponde a 75% do custo de produo da biomassa, o presente trabalho teve o objetivo de avaliar a utilizao de dejeto proveniente de suinocultura como alternativa ao meio de cultivo sinttico no cultivo de microalgas. O efluente suno rico em fsforo e nitrognio e se configura como grave problema ambiental se descartado incorretamente. Com base nesses dados, props-se trs diluies do dejeto em gua (5%, 10% e 30%). Os melhores resultados foram obtidos em cultivo em reator airlift na diluio de 10%, com concentrao final de clulas igual a 5199 458 x104 cl.mL-1 e produo efetiva de biomassa de 1,44 0,04 g.L-1. Esses resultados so 70% e 40% superiores quando comparados ao meio de cultivo sinttico usado como controle. Aps a recuperao da biomassa, o leo foi extrado e o biodiesel sintetizado por esterificao enzimtica. O perfil lipdico dos cidos graxos presentes no leo consistiu em 29,12% saturados, 49,08% monoinsaturados e 20,5% poli-insaturados. A produo de leo em 15 dias de cultivo com efluente suno correspondeu a 360 mg.L-1, sendo 46% superior ao cultivo controle. A converso do leo em biodiesel consistiu em 98,73% em 12 horas. Alm disso, avaliou-se a capacidade de remoo de nutrientes do efluente pelas microalgas e alcanou-se uma diminuio mdia de 94,5% de nitrognio amoniacal, nitrognio orgnico e nitrognio total. Os resultados puderam comprovar a eficincia da utilizao de resduo suno como meio de cultivo e fonte de nutrientes para as microalgas, a viabilidade da produo do biodiesel e a consequente biorremediao desse dejeto, demonstrando o potencial que o cultivo de microalgas apresenta em relao a produo de biocombustveis e adequao ambiental de efluentes.
Palavras chaves: biodiesel, microalga, dejeto suno, biorremediao.
ABSTRACT
Current studies show the great potential of using microalgae for biodiesel production and energy generation due to its simple structure, fast growth and high lipid content. The improvement of production processes and the reduction of the costs are the main challenges to be overcome in the development of this technology. As the culture medium corresponds to 75% of the production cost of biomass, this study aimed to evaluate the use of manure from swine as an alternative to synthetic culture medium in the cultivation of microalgae. The swine wastewater is rich in phosphorous and nitrogen and is configured as a serious environmental problem if discarded improperly. Based on these data, it was proposed three dilutions of manure in water (5%, 10% and 30%). The best results were obtained in airlift reactor cultivation at the dilution of 10%, with cell growth of 5199 458 x104 cl.mL-1 and effective biomass gain of 1.44 0.04 g.L-1. These results are 70% and 40% higher when compared to the control medium. The lipid profile of the fatty acids present in the oil consisted of 29.12% saturated, 49.08% monounsaturated and 20.5% polyunsaturated. Oil production in 15 days of culture with swine wastewater corresponded to 360 mg.L-1, 46% higher than the control cultive. The conversion of oil to biodiesel consisted of 98.73% in 12 hours. Furthermore, it was evaluated the capacity of microalgae to remove nutrients from wastewater and it was reached an average decrease of 94.5% of ammoniacal nitrogen, organic nitrogen and total nitrogen. The results could prove the efficiency of the use of pig waste as culture medium and nutrient source for microalgae, the viability of biodiesel production and the consequent bioremediation of this manure, demonstrating the potential that the cultivation of microalgae shows in the production of biofuels and the environmental suitability of effluents.
Keywords: biodiesel, microalgae, swine manure, bioremediation.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 01 REPRESENTAO DE TRABALHOS LEVANTADOS NA BASE
ISI DE ARTIGOS RELACIONANDO Scenedesmus COM
PALAVRAS-CHAVE DE INTERESSE ...................................... 27
FIGURA 02 TRS PRINCIPAIS SISTEMAS ABERTOS DE PRODUO DE
MICROALGAS. (A) LAGOAS TIPO PISTA, (B) LAGOA TIPO
CIRCULAR, (C) TANQUE ABERTO ......................................... 39
FIGURA 03 DIFERENTES CONFIGURAES DE FOTOBIORREATORES
TUBULARES. (A) PROTTIPO MINI-FOTOBIORREATOR, (B)
REATOR TIPO AIRLIFT, (C) FOTOBIORREATOR DE 10 m .. 41
FIGURA 04 FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES REALIZADAS NO NPDEAS
.................................................................................................. 42
FIGURA 05 FOTOBIORREATOR DE 10 m SITUADO NO NPDEAS. (A)
FOTOBIORREATOR, (B) BOMBA DE CIRCULAO E
COLUNA DE TROCAS GASOSAS, (C) VISO DETALHADA
DOS RAMAIS ............................................................................ 43
FIGURA 06 FLUXOGRAMA DAS METAS E ESTRATGIAS DE TRABALHO
.................................................................................................. 47
FIGURA 07 SALA DE CULTIVO. (A) VISO GERAL DA SALA, (B)
MICROGRAFIA DA MICROALGA Scenedesmus sp. COM
AUMENTO DE 400X ................................................................. 48
FIGURA 08 BIODIGESTOR DE ONDE FOI COLETADO O EFLUENTE
SUNO (CASTRO PR). (A) BIODIGESTOR TIPO LAGOA
COBERTA, (B) EFLUENTE BIODIGERIDO COLETADO EM
LAGOA DE ESTABILIZAO ................................................... 49
FIGURA 09 DISPOSIO DOS CULTIVOS EM ESCALA LABORATORIAL
.................................................................................................. 51
FIGURA 10 CULTIVOS EM REATORES TIPO AIRLIFT.............................. 52
FIGURA 11 CURVA TPICA DE CRESCIMENTO CELULAR. (1) FASE LAG,
(2) FASE DE CRESCIMENTO EXPONENCIAL, (3) FASE DE
CRESCIMENTO LINEAR, (4) FASE ESTACIONRIA, (5) FASE
DE DECLNIO ........................................................................... 53
FIGURA 12 SISTEMA DE FILTRAO ....................................................... 55
FIGURA 13 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE EXTRAO A FRIO DE
LIPIDEOS PARA DETERMINAO ANALTICA ...................... 58
FIGURA 14 PROCESSO DE FLOCULAO QUMICA. (A) ANTES, (B)
ADIO DE CLORETO FRRICO HEPTAHIDRATADO E
AGITAO, (C) MICROALGAS FLOCULADAS ....................... 59
FIGURA 15 REPRESENTAO NORMAL SIMETRICA ............................. 63
FIGURA 16 EFLUENTE SUNO APS O PROCESSO DE ESTERILIZAO
.................................................................................................. 65
FIGURA 17 RESULTADOS DAS ANLISES DE DENSIDADE CELULAR
DOS CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM
DEJETO SUNO EM DIFERENTES DILUIES. (A) 5%, (B)
10%, (C) 30%. ........................................................................... 66
FIGURA 18 RESULTADOS DAS ANLISES DE BIOMASSA SECA DOS
CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM
DEJETO SUNO EM DIFERENTES DILUIES. (A) 5%, (B)
10%, (C) 30%. ........................................................................... 67
FIGURA 19 RESULTADOS DAS ANLISES ESPECTROFOTOMETRICAS
DOS CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM
DEJETO SUNO EM DIFERENTES DILUIES. (A) 5%, (B)
10%, (C) 30%. ........................................................................... 69
FIGURA 20 RESULTADOS DAS ANLISES DE pH DOS CULTIVOS
CONTROLE (MEIO CHU) E CULTIVOS COM DEJETO SUNO
EM DIFERENTES DILUIES. (A) 5%, (B) 10%, (C) 30%. ..... 71
FIGURA 21 ATIVIDADES E EXPERIMENTOS EM ESCALA
LABORATORIAL ....................................................................... 72
FIGURA 22 RESULTADOS DOS CULTIVOS CONTROLE (MEIO CHU) E
COM DEJETO SUNO DILUIDO A 10% REALIZADOS EM
REATOR AIRLIFT. (A) DENSIDADE CELULAR, (B) BIOMASSA
SECA, (C) ABSORBANCIA EM 540 nm, (D) pH. ...................... 74
FIGURA 23 ASPECTO DO LEO DURANTE A EXTRAO DE MATERIAL
APOLAR A PARTIR DOS CULTIVOS REALIZADOS COM
DEJETO SUNO EM REATOR AIRLIFT (LIPIDEOS +
SOLVENTES) ........................................................................... 76
FIGURA 24 CONVERSO DO LEO DE MICROALGAS A BIODIESEL POR
ESTERIFICAO ENZIMTICA ............................................... 82
FIGURA 25 ATIVIDADES E EXPERIMENTOS EM REATOR AIRLIFT ....... 85
LISTA DE TABELAS
TABELA 01 TRABALHOS REALIZADOS COM A MICROALGA
Scenedesmus sp. (1996 2013) .............................................. 26
TABELA 02 MATRIAS-PRIMAS USADAS PARA A PRODUO DO
BIODIESEL NO BRASIL DE 2008 A 2012 (VALORES
EXPRESSOS EM m) ............................................................... 29
TABELA 03 COMPARATIVO DE PREOS ENTRE O DIESEL FSSIL E
BIODIESEL DE 2008 A 2012 (R$/m) ....................................... 30
TABELA 04 RENDIMENTO ANUAL DE LEO PARA PLANTAS
OLEAGINOSAS UTILIZADAS NA PRODUO DO BIODIESEL
.................................................................................................. 32
TABELA 05 EFETIVO SUNO NO BRASIL (1990 2009) ........................... 33
TABELA 06 COMPOSIO MDIA DE RESDUO SUNO BIODIGERIDO . 34
TABELA 07 PRODUO DE DEJETO POR DIFERENTES CATEGORIAS
DE SUNOS .............................................................................. 35
TABELA 08 COMPOSIO QUMICA DO MEIO CHU MODIFICADO ........ 38
TABELA 09 PRINCIPAIS PRODUES CIENTFICAS DESENVOLVIDAS
PELO NPDEAS DE 2008 A 2013 .............................................. 44
TABELA 10 PROPORES DE NITROGNIO E FSFORO INICIAIS DOS
CULTIVOS COM RESDUO SUNO ......................................... 50
TABELA 11 CORRELAO DA DENSIDADE CELULAR E BIOMASSA
SECA DOS CULTIVOS EM ESCALA LABORATORIAL ........... 70
TABELA 12 CORRELAO DA DENSIDADE CELULAR E BIOMASSA
SECA DOS CULTIVOS EM REATORES AIRLIFT ................... 74
TABELA 13 RENDIMENTOS DE PRODUTIVIDADE DE LIPDEOS NOS
CULTIVOS EM REATORES AIRLIFT ....................................... 77
TABELA 14 TEOR LIPIDICO EM DIFERENTES ESPCIES DE
MICROALGAS .......................................................................... 77
TABELA 15 COMPOSIO DE CIDOS GRAXOS DE MICROALGAS DO
GNERO Scenedesmus ........................................................... 78
TABELA 16 COMPARAO DA COMPOSIO DE CIDOS GRAXOS DAS
MICROALGAS E DA SOJA, CANOLA E PALMA ..................... 80
TABELA 17 REMOO DE NUTRIENTES DO RESDUO SUNO APS A
SEPARAO DA BIOMASSA DE MICROALGAS ................... 83
TABELA 18 REMOO DE NITROGNIO AMONIACAL DE DIFERENTES
TRABALHOS ............................................................................ 83
LISTA DE SIGLAS
ABIOVE Associao Brasileira das Indstrias de leos
Vegetais
BHT Butilhidroxitolueno
CEPPA Centro de Pesquisa e Processamento de Alimentos
CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
DBO Demanda Bioqumica de Oxignio
DQO Demanda Qumica de Oxignio
EMPRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica
KOH Hidrxido de potssio
NPDEAS Ncleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia
Autossustentvel
PVC Poli Cloreto de vinila
TECPAR Instituto de Tecnologia do Paran
LISTA DE ABREVIATURAS
cl Clulas
g Grama
pg Picograma
ha Hectare
Kg Quilograma
L Litro
m Metros cbicos
mg Miligrama
Mha Mega hectare
mm Milmetros
min Minutos
mL Mililitros
N Nitrognio
nm Nanmetros
P Fsforo
rpm Rotao por minuto
U Unidade de atividade enzimtica
W Watts
C Graus Celsius
p Teste T de Student
LISTA DE SMBOLOS
% Porcentagem
R$ Real
Delta
SUMRIO
1 INTRODUO ............................................................................................ 19
1.1 ORGANIZAO DO DOCUMENTO ........................................................ 20
2 REVISO BIBLIOGRFICA ....................................................................... 22
2.1 MICROALGAS ......................................................................................... 22
2.1.1 Chlorella sp. .......................................................................................... 23
2.1.2 Spirulina sp. ........................................................................................... 24
2.1.3 Dunaliella salina .................................................................................... 24
2.1.4 Haematococcus pluvialis ....................................................................... 25
2.1.5 Scenedesmus sp. .................................................................................. 25
2.2 BIODIESEL .............................................................................................. 27
2.2.1 Biodiesel de microalgas......................................................................... 30
2.3 DEJETO SUNO ....................................................................................... 32
2.4 FORMAS DE PRODUO DE MICROALGAS ........................................ 37
2.4.1 Sistemas abertos ................................................................................... 38
2.4.2 Sistemas fechados ................................................................................ 39
2.5 CULTIVO DE MICROALGAS NO NPDEAS ............................................. 41
3 DESAFIOS E OBJETIVOS ......................................................................... 45
3.1 OBJETIVO GERAL .................................................................................. 45
3.1.1 Metas..................................................................................................... 45
4 MATERIAIS E MTODOS .......................................................................... 48
4.1 SELEO DAS MICROALGAS ............................................................... 48
4.2 COLETA E MANUTENO DO EFLUENTE SUNO BIODIGERIDO ...... 49
4.3 MEIO DE CULTIVO E CONDIES DE CULTIVO ................................. 49
4.4 AVALIAO DO CULTIVO ...................................................................... 52
4.4.1 Determinao da densidade celular ...................................................... 52
4.4.2 Determinao da absorbncia ............................................................... 53
4.4.3 Determinao de biomassa seca .......................................................... 54
4.4.4 Determinao de lipdeo totais .............................................................. 56
4.4.5 Determinao do pH dos cultivos .......................................................... 58
4.5 RECUPERAO DA BIOMASSA ............................................................ 59
4.6 EXTRAO E ANLISE DE PERFIL LIPDICO DO LEO DE
MICROALGAS ......................................................................................... 60
4.7 SNTESE DO BIODIESEL ....................................................................... 60
4.8 ANLISE DA BIORREMEDIO DO RESDUO SUNO ......................... 62
4.9 ANLISE ESTATSTICA .......................................................................... 62
5 RESULTADOS E DISCUSSO .................................................................. 64
5.1 VERIFICAO DA MELHOR CONDIO DE DILUIO DO EFLUENTE
SUNO PARA CULTIVO DAS MICROALGAS ......................................... 64
5.2 CULTIVO EM REATOR AIRLIFT ............................................................. 72
5.2.1 Quantificao de lipdeos totais e sntese do biodiesel ......................... 76
5.2.2 Biorremediao do efluente suno ......................................................... 82
6 CONCLUSO ............................................................................................. 86
6.1 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................... 87
REFERNCIAS .............................................................................................. 88
ANEXOS ....................................................................................................... 103
19
1 INTRODUO
A demanda energtica nos dias atuais aumentou exponencialmente e o
desenvolvimento de combustveis alternativos e renovveis consiste em uma
importante tarefa. O desenvolvimento tecnolgico requer que as matrizes
fornecedoras de energia sejam cada vez mais eficientes e numerosas. As
fontes convencionais e fsseis de energia, apesar de abundantes, no so
renovveis e sua queima acarreta problemas ambientais, como o aquecimento
global e a chuva cida. A pesquisa de energias renovveis e com menores
ndices de poluio ganha destaque e se mostra fundamental para o futuro.
Nesse contexto, uma alternativa promissora consiste na utilizao de
microalgas como matria-prima para obteno de leo e produo de biodiesel
a fim de atender a demanda de combustvel e gerao de energia para outros
fins especficos.
Apesar de apresentar vantagens, como a no competio com
alimentos e reas agriculturveis (podendo ser cultivadas em vrios locais), o
cultivo de microalgas para biocombustveis apresenta-se hoje como tecnologia
cara e sem capacidade de competir com fontes tradicionais de leo como, por
exemplo, as espcies vegetais oleaginosas. Dessa forma, aprimorar os
processos envolvidos na produo de biomassa de microalgas de forma vivel
um importante passo para se atingir certa autonomia energtica no
dependente do petrleo. Os principais desafios apresentados por essa
tecnologia so: o aprimoramento dos processos de cultivo e de isolamento do
leo e a relao custo/produtividade dos meios de cultivo necessrios para
produo da biomassa.
Tradicionalmente as microalgas tm sido empregadas na gerao de
alimentos para a aquicultura, na produo de alevinos e na cultura do camaro.
Alm disso, devido sua capacidade de assimilar nutrientes presentes na
gua, as microalgas podem ser utilizadas na biorremediao e tratamento de
guas contaminadas. De acordo com Abdel-Raouf, Al-Homaidan e Ibraheem
(2012), o uso de culturas de microalgas para o tratamento de guas residuais
de alta carga orgnica iniciou-se h 75 anos inicialmente com os gneros
20
Chlorella e Dunaliella. Esse biotratamento interessante devido converso
da energia solar em biomassa e incorporao de nutrientes como o nitrognio
e o fsforo, que poderiam ocasionar o fenmeno da eutrofizao de corpos
hdricos (de la NOE e de PAUW, 1988).
Pensando sustentavelmente, os resduos originrios da criao de
porcos podem se mostrar como alternativa para o barateamento e simplificao
dos meios de cultivo das microalgas. Tais resduos so ricos em nitrognio e
fosfato e so hoje dispensados em sua maior parte de forma incorreta,
colocando em perigo a integridade ambiental e at mesmo a sade dos seres
vivos. Alm de agregar valor cadeia produtiva de protena animal, prope-se
um ganho de produtividade microalgal (e de produo de biodiesel) e uma
alternativa a um problema ambiental atual.
Neste contexto, o presente trabalho motivou-se pelo desenvolvimento
de um meio de cultivo alternativo baseado em resduos sunos biodigeridos,
como alternativa aos meios de cultivos sintticos. Desta forma, com a
substituio dos nutrientes qumicos, props-se a reduo do custo de
produo de biomassa com a avaliao concomitante da produtividade dos
cultivos. O resultado do melhor processo desenvolvido foi submetido extrao
de leo e converso biodiesel. Como contrapartida, desenvolveu-se no
processo um sistema para fixao de nutrientes e gerao de gua
ambientalmente adequada ao descarte.
1.1 ORGANIZAO DO DOCUMENTO
Esse documento encontra-se dividido em 6 sees. A primeira seo
apresentou a introduo e a organizao do documento. A segunda seo
apresenta uma reviso bibliogrfica acerca dos assuntos abordados nessa
dissertao: microalgas, suas utilizaes e espcies; o biodiesel, sua utilizao,
produo, panorama no Brasil e suas perspectivas; o dejeto proveniente da
suinocultura, potencial problema ambiental e sugesto de reaproveitamento
como meio de cultivo; formas de produo de microalgas e produo de
21
microalgas no Ncleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia
Autossustentvel (NPDEAS) da Universidade Federal do Paran. Na terceira
seo demonstra-se os objetivos propostos e metas traadas para se alcan-
los. A quarta seo consiste das metodologias e materiais utilizados nesse
trabalho para se obter os resultados, que esto apresentados e discutidos na
quinta seo. Por fim, a quinta parte desse documento apresenta a concluso a
que se permite chegar atravs desse trabalho e recomendaes para trabalhos
futuros. Nos anexos so apresentados os laudos das anlises realizadas de
perfil lipdico e teores de nutrientes.
22
2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 MICROALGAS
Microalgas so micro-organismos autotrficos presentes em sistemas
aquticos. Apresentam grande diversidade de formas, caractersticas e funes
ecolgicas e podem tambm ser economicamente exploradas em diversos
campos (CAMPOS, BARBARINO e LOURENO, 2010). A partir de 1950 as
microalgas comearam a ser utilizadas como fonte de alimento e de
substncias biologicamente ativas (AZEREDO, 2012). Em 1960 iniciou-se seu
uso em escalas comerciais com o gnero Chlorella e a partir de 1970 as
microalgas foram destinadas aquicultura e outros fins biotecnolgicos
(SPOLAORE et al., 2006).
Na alimentao, animal e humana, as microalgas representam uma
fonte suplementar de protenas, carboidratos, cidos graxos, pigmentos
naturais (como os carotenoides), vitaminas, entre outras substncias capazes
de enriquecer o valor nutricional dos alimentos e produzir efeitos benficos
sade como: melhoria da resposta imune, fertilidade e controle do peso
(SPOLAORE et al., 2006; DERNER et al., 2006). Alm disso, apresentam
atividades probiticas e imunomodulatrias, respostas de melhora na sade e
aparncia externa dos animais (SPOLAORE et al., 2006).
Algumas espcies podem ser utilizadas para obteno de compostos
de interesse, como por exemplo, cidos graxos, cidos aminados e pigmentos,
para indstrias de alimentos, farmacutica e qumica (DERNER et al., 2006;
CAMPOS, BARBARINO e LOURENO, 2010). Os extratos microalgais
tambm podem ser encontrados em produtos para a pele (cremes anti-idades,
regenerativos ou refrescantes) (SPOLAORE et al., 2006).
A composio bioqumica das microalgas, concentrao total de
protenas, lipdeos e carboidratos, podem variar com as espcies e com as
condies de cultivo, como a intensidade da luz, temperatura, nutrientes,
agitao, pH e fase de crescimento (BROWN et al., 1997; MIAO e WU, 2004).
23
O interesse no uso de microalgas para obteno de biocombustveis
vem crescendo recentemente (CHISTI, 2007). Os biocombustveis que podem
ser obtidos de microalgas so: o biogs a, partir da biodigesto anaerbia da
biomassa microalgal; o biodiesel, a partir do leo da microalga e o bio-
hidrognio gasoso produzido fotobiologicamente.
O cultivo desses micro-organismos apresenta vrias caractersticas
interessantes quando comparado cultura dos vegetais superiores, uma vez
que possuem maior eficincia fotossinttica e podem ser cultivadas em
condies que seriam adversas a culturas convencionais (regies desrticas;
guas degradadas, salinas ou salobras, entre outras) (BENEMANN, 1997).
Alm disso, so eficientes na fixao de CO2 (dixido de carbono) e possuem
produtividade maior em biomassa seca quando comparada com espcies
vegetais (TEIXEIRA e MORALES, 2006).
Ao final do processo de extrao do leo das microalgas para a
produo de biodiesel, a biomassa residual pode ainda ser utilizada na
produo de bioetanol, metano ou biofertilizantes devido sua alta relao
nitrognio/fsforo ou, ainda, pode ser simplesmente queimada para gerao de
energia em sistemas de cogerao (SINGH e GU, 2010; MATA, MARTINS e
CAETANO, 2010).
As espcies de microalgas mais cultivadas nos dias atuais no mundo
so: Chlorela sp. e Spirulina sp., utilizadas principalmente para a
suplementao alimentar; Dunaliela salina, fonte de caroteno e Haematococus
pluvialis, para produo e processamento de astaxantina (AZEREDO, 2012).
2.1.1 Chlorella sp.
A microalga Chlorella sp. considerada boa fonte de protenas devido
fcil assimilao dos aminocidos presentes na sua composio e, assim
sendo, utilizada para a suplementao alimentar humana e tambm como
alimento para a piscicultura. Em 1975 a produo mundial dessa espcie era
de 200 toneladas por ano. Na dcada de 90 a produo atingiu os patamares
24
de 2000 toneladas por ano (RICHMOND, 2004). Hoje, os ndices de produo
de Chlorela sp. so de aproximadamente 5000 toneladas por ano. Dentre os
pases produtores, destacam-se Japo e Taiwan e o preo de venda praticado
de vinte mil dlares por tonelada (LUNDQUIST et al., 2010; AZEREDO, 2012)
2.1.2 Spirulina sp.
Como a Chlorella sp., a microalga Spirulina sp. utilizada na
alimentao, desde aproximadamente o ano de 1300, principalmente devido
sua alta concentrao proteica (RICHMOND, 2004). Alm disso, possui
reconhecido interesse farmacutico. A ingesto dessa microalga seria
responsvel por inmeros benefcios. Relatos descrevendo a melhora da
defesa e sistema imunolgico do organismo, inibio e preveno de diversos
tipos de cncer e diminuio das taxas de colesterol so comumente
encontrados na literatura (RICHMOND, 2004; CHEONG et al., 2010; KIM et al.,
2010; JOVENTINO et al., 2012). As localidades lderes na produo dessa
espcie microalgal so a sia e os Estados Unidos. A produo de
Spirulina sp. era de aproximadamente 1000 toneladas por ano nos anos 90 e
hoje produz-se at 5000 toneladas anuais a um preo de 10 mil dlares por
tonelada (LUNDQUIST et al., 2010).
2.1.3 Dunaliella salina
A Dunaliella salina uma das espcies de microalgas mais robustas
encontradas na natureza. Resiste a vrios tipos de ambientes hostis, como
guas salobras e salgadas e variadas temperaturas, desde as mais baixas at
as mais elevadas (AZEREDO, 2012). Possui interesse econmico
principalmente pela sua produo de carotenoides. Os principais centros de
produo de Dunaliella salina so locais onde h intensa luminosidade, como
25
por exemplo a ustrlia, China, Israel e Estados Unidos (del CAMPO, GARCA-
GONZLEZ e GUERRERO, 2007). Sob condies ideais de temperatura e
luminosidade, a taxa de -caroteno em biomassa seca de 10% (BEN-
AMOTZ, 1999). O custo de produo da microalga Dunaliella salina de
aproximadamente 3,2 dlares por quilograma (KITTO, 2012), enquanto que o
preo comercializao da biomassa seca varia de 215 a 2150 euros por
quilograma (BRENNAN e OWENDE; 2010).
2.1.4 Haematococcus pluvialis
A Haematococcus pluvialis tambm produzida com o objetivo de
explorao de seus carotenoides, principalmente a astaxantina. Porm, essa
espcie consideravelmente mais sensvel que a Dunaliella salina no que se
refere a condies ambientais, alm de ser mais suscetvel ao ataque de outros
seres vivos que, consequentemente, contaminam seus cultivos. (AZEREDO,
2012). Por isso, a principal forma de cultivar a Haematococus pluvialis em
reatores fechados (RANJBAR et al., 2008) com controle do mximo de
parmetros possveis. Isso faz com que os custos se elevem
consideravelmente quando comparados ao cultivo de outras espcies. A
tonelada do carotenoide astaxantina custa 10 mil dlares e a produo mundial
de apenas 100 toneladas por ano, devido alta sensibilidade da espcie
(LUNDQUIST et al., 2010). Essa substncia utilizada como pigmento da
carne de peixes, como salmes e trutas (LORENZ e CYSEWSKI, 2000).
2.1.5 Scenedesmus sp.
A microalga Scenedesmus sp. tem sido utilizada como agente
biorremediador na remoo de nutrientes da gua, melhorando sua qualidade a
curto prazo (MARTINEZ et al., 2000). Em condies adequadas, as microalgas
26
utilizam energia luminosa, carbono e nutrientes para gerar biomassa que pode
ser posteriormente utilizada como matria-prima para diversos produtos, como
biocombustveis (MATA, MARTINS e CAETANO, 2010). Como a espcie
utilizada nesse trabalho foi a Scenedesmus sp., fez-se um levantamento da
literatura sobre os objetos de estudos recentes realizados com essa microalga.
Esse levantamento pode ser observado na TABELA 01.
TABELA 01 - TRABALHOS REALIZADOS COM A MICROALGA Scenedesmus sp. (1996 - 2013)
OBJETO DE ESTUDO MICROALGA AUTORES
Biorremediao de
resduos
Scenedesmus acuminatus
Scenedesmus sp.
Scenedesmus obliquus
Voltolina (1999); Adamsson (2000);
Kim et al. (2007); Godos et al.
(2010)
Suplementao
alimentar
Scenedesmus obliquus
Scenedesmus sp.
Bishop (1996);
Yen, Chiang e Sun (2012)
Produo de
biocombustveis
Scenedesmus incrassatulus
Scenedesmus obliquus
Ho, Chen e Chang (2010); Choi et
al. (2011); Miranda, Passarinho e
Gouveia (2012); Arias-Pearanda
et al. (2013)
FONTE: O autor (2013)
O resultado do levantamento dos ttulos de artigos na base de dados
ISI (Web of Knowledge) do termo Scenedesmus forneceu o seguinte resultado:
biofuel (3), bioenergy (1), waste (16), food (14), biodiesel (15), swine (4),
supplement (4), oil (26), wastewater (31), photobioreactor (6), pond (13),
sewage (7), biomass (40), methane (3), bioremediation (2), biodigester (0),
pigment (35), ethanol (1), hydrogen (17). O resultado pode ser observado na
FIGURA 01. Data da pesquisa 11/07/13.
27
FIGURA 01 REPRESENTAO DE TRABALHOS LEVANTADOS NA BASE ISI DE ARTIGOS RELACIONANDO Scenedesmus COM PALAVRAS-CHAVE DE INTERESSE FONTE: O autor (2013)
No foram encontrados na literatura dados referentes ao custo de
produo da biomassa nem produo mundial desta microalga. Desta forma,
existe o potencial de desenvolvimento de uma nova matria-prima baseado no
cultivo da microalga Scenedesmus sp. para diversas finalidades.
2.2 BIODIESEL
A diminuio das reservas de petrleo e os impactos ambientais
ocasionados pela emisso de gases oriundos da combusto do diesel fssil
fazem com que a produo de combustveis alternativos ganhe ateno. O
consumo energtico mundial duplicou no perodo de 1971 a 2001 e a
estimativa que a demanda por energia aumente mais 53% at 2030
28
(TALEBIAN-KIAKALAIEH, AMIN e MAZAHERI, 2013). Devido ao seu potencial
para uso misturado ao diesel, o biodiesel, que caracterizado como
combustvel renovvel e biodegradvel, apresenta um crescente interesse
cientfico (XIONG et al., 2008).
Grande parte da ateno global tem sido para reduzir emisses de
carbono atravs utilizao de fontes de energias no convencionais e
combustveis renovveis, visando minimizao da liberao de CO2 bem
como o desenvolvimento da economia com baixos teores de gases produtores
de efeito estufa (MATHEWS, 2008).
De acordo com dados do Balano Energtico Nacional de 2009, o
petrleo atingiu 41,9% da produo de energia primria do pas, porm um
combustvel no renovvel (EPE, 2010). Para a substituio da matriz
energtica petrolfera, prope-se a utilizao de misturas de biodiesel em diesel
com perspectivas para substituio completa ao diesel fssil. Contudo,
encontrar um substituto para o diesel em escala e preo apresenta-se como um
grande desafio tecnolgico a ser vencido.
Segundo a Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e
Biocombustveis, (ANP, 2013), as matrias-primas mais utilizadas para a
produo desse biocombustvel so o leo de soja (75,65%), gordura bovina
(17,23%), leo de algodo (1,00%), leo de fritura (1,13%), leo de
palma/dend (1,11%), gordura de porco (0,43%) e fontes diversas (3,45%). A
TABELA 02 mostra ndices aproximados por matria-prima segundo a
Associao Brasileira das Indstrias de leos Vegetais (ABIOVE, 2013) at
2012. Pode-se notar a alta dependncia da soja e a pequena diversificao de
matrias-primas para a produo do biodiesel.
A Lei Federal N. 11.097 de 13 de janeiro de 2005 define biodiesel
como: biocombustvel derivado de biomassa renovvel para uso em motores a
combusto interna com ignio por compresso ou, conforme regulamento,
para gerao de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou
totalmente combustveis de origem fssil. Alm disso, essa lei fixa em, no
mnimo, um percentual de 5% de biodiesel adicionado ao leo diesel tradicional
para poder ser comercializado no Brasil. A legislao em relao ao biodiesel
foi atualizada em 2008 com a resoluo n 7 da ANP, na qual o biodiesel
29
descrito como combustvel composto de alquil steres de cidos graxos de
cadeia longa, derivados de leos vegetais ou de gorduras animais conforme a
especificao contida no Regulamento Tcnico, parte integrante desta
Resoluo.
TABELA 02 MATRIAS-PRIMAS USADAS PARA A PRODUO DO BIODIESEL NO BRASIL DE 2008 A 2012 (VALORES EXPRESSOS EM m)
MATRIA-PRIMA 2008 2009 2010 2011 2012
leo de soja 801.320 (69%)
1.250.577 (78%)
1.960.822 (82%)
2.152.298 (81%)
2.042.730 (75%)
Sebo bovino 206.966 (18%)
258.035 (16%)
327.074 (14%)
357.664 (13%)
469.215 (17%)
leo de Algodo 18.353 (2%)
59.631 (4%)
57.458 (2%)
84.711 (3%)
123.325 (5%)
Outras 140.489 (12%)
40.206 (2%)
41.086 (2%)
78.088 (3%)
83.683 (3%)
Total 1.167.128
(100%) 1.608.448
(100%) 2.386.438
(100%) 2.672.760
(100%) 2.718.954
(100%)
FONTE: Adaptado de ABIOVE (2013)
Comparado ao diesel convencional, o biodiesel contm maiores taxas
de oxignio e menores taxas de enxofre e nitrognio, alm de menor emisso
de benzeno, tolueno e monxido de carbono em sua combusto (TICA et al.,
2010). A reduo na emisso de poluentes da ordem de 68% de
hidrocarbonetos no queimados, 40% de material particulado, 44% de
monxido de carbono, 100% de xidos de enxofre, e 80% a 90% de
hidrocarbonetos aromticos policclicos (LEDUC et al., 2009; WU e LEUNG,
2011).
O encarecimento e a escassez dos combustveis fsseis fazem com
que o interesse econmico da produo de biodiesel aumente
consideravelmente (HUANG et. al., 2010). Porm, os custos envolvidos na
produo do biodiesel so altos quando comparados ao diesel tradicional,
mesmo com intenso incentivo dos governos Federal/Estaduais destinados a
30
isso. Os dados representados na TABELA 03 demonstram um comparativo
entre as mdias de preos do diesel fssil e do biodiesel e comprovam que de
2008 a 2012 o preo do biodiesel foi, em mdia, 23,5% maior que o preo do
diesel. Pesquisas que objetivem a reduo de custos, simplificao de
processos e explorao de matrias-primas so importantes e de fundamental
importncia no cenrio atual (MENG et. al., 2009).
TABELA 03 COMPARATIVO DE PREOS ENTRE O DIESEL FSSIL E BIODIESEL DE 2008 A 2012 (R$/m)
2008 2009 2010 2011 2012
Diesel (preos nominais distribuidora) 1.844,33 1.838,00 1.769,33 1.791,33 1.858,67
Biodiesel (preos nominais de leiles
da ANP) 2.256,11 2.279,48 2.102,33 2.214,00 2.384,20
FONTE: Adaptado de ABIOVE (2013)
2.2.1 Biodiesel de microalgas
Mais de 95% do biodiesel de primeira gerao produzido mundialmente
provm de leos de espcies vegetais comestveis. Deste modo, os
biocombustveis de primeira gerao podem impactar negativamente a
produo de alimentos, encarecendo seu valor de mercado (DEMIRBAS,
2011).
No caso da soja, a maior parte da matria-prima destina-se produo
de rao animal e, assim, a utilizao de parte do leo para produo de
biodiesel no afeta a produo de alimentos. Alm disso, houve substituio do
leo de soja pelo leo de palma na produo de gordura hidrogenada j que
esta fornece material livre de ismeros trans. Desta forma, a fabricao de
biodiesel contribuiu economicamente com a cadeia produtiva da soja. Contudo,
deve-se levar em considerao, em especial no caso da soja, as questes
referentes ao alto uso de fertilizantes, pesticidas e agrotxicos na monocultura
31
(MILAZZO et al., 2013), bem como o uso de espcies transgnicas, cujos
efeitos deletrios ainda esto em constante avaliao (GARCA et al., 2009).
Os biocombustveis de segunda gerao, produzidos a partir de leo
de cozinha usado ou gordura animal, no causam impactos na produo de
alimentos, porm a sua produo exige que alguns desafios ainda sejam
superados (AHMAD et al., 2011). A grande quantidade de cidos graxos
saturados presente na gordura animal a torna slida em temperatura ambiente
e confere propriedades ruins no fluxo a frio desses biocombustveis (AHMAD et
al., 2011). Alm disso, essas matrias primas no apresentam escala de
produo significativa ao ponto de fornecer material suficiente para substituir o
diesel. Outras matrias-primas consideradas de segunda gerao para a
produo de biocombustveis so as plantas oleaginosas no comestveis
como o pinho-manso, jojoba e a mamona.
O leo obtido a partir das microalgas classificado como matria-prima
de biocombustveis de terceira gerao. uma potencial alternativa econmica
interessante em relao aos combustveis de outras geraes. A produo de
leo por microalgas pode ser 20 vezes maior se comparada a espcies
vegetais oleaginosas (CHISTI, 2007; AHMAD et al., 2011; FENG, LI e ZHANG,
2011).
As microalgas so eficazes conversoras de energia luminosa em
energia qumica e podem ser cultivadas em reas ociosas no apropriadas
para a agricultura e, dependendo da espcie, em guas com altas taxas de
sais e/ou contaminantes (HUBER, IBORRA e CORMA, 2006; GORDON e
POLLE, 2007).
O contedo lipdico das clulas das microalgas varia, em mdia, de
20% a 40% em termos de biomassa seca, porm, alguns estudos relatam um
contedo de lipdeos de mais de 85% para certas espcies de microalgas (MA
e HANNA, 1999; LUQUE et al., 2010; MAIRET et al., 2011). Esses micro-
organismos podem produzir de 25 a 220 vezes mais triglicerdeos do que
plantas oleaginosas terrestres (AHMAD et al., 2011). A TABELA 04 mostra um
comparativo da produo de leo de microalgas e de plantas oleaginosas.
O custo de produo da biomassa de microalgas corresponde, em 75%,
ao meio de cultivo utilizado para sua produo. Uma forma de desonerar os
32
processos de cultivo seria a utilizao de resduos com altas quantidades de
nitrato e fosfato como, por exemplo, efluentes da suinocultura, bovinocultura,
etc.
TABELA 04 RENDIMENTO ANUAL DE LEO PARA PLANTAS OLEAGINOSAS UTILIZADAS NA PRODUO DE BIODIESEL
CULTURA RENDIMENTO ANUAL DE LEO REA
NECESSRIA (Mha)
a (L/ha) (L/m
2)
Milho 172 0,02 1540
Soja 446 0,04 592
Canola 1190 0,12 223
Coco 2689 0,27 99
leo de palma 5950 0,60 45
Microalga b
136.900 13,69 2
Microalga c
58.700 5,87 4,5
Microalga d
19.567 1,96 13,5
FONTE: Adaptado de Chisti (2007) NOTA:
a Para atender 50% de todos os combustveis necessrios aos transportes no EUA;
b 70% leo (peso por) em biomassa;
c 30% leo (peso por) em biomassa;
d 10% leo (peso por) em biomassa
2.3 DEJETO SUNO
Um dos principais problemas enfrentados pelos criadores de porcos o
descarte inadequado do dejeto gerado pelos animais. Antigamente as criaes
eram compostas por poucos exemplares, o que fazia com que o volume de
dejeto fosse pequeno. Nesses casos, o resduo era aplicado nas plantaes da
fazenda onde eram produzidos na forma de biofertilizantes. Porm, o crescente
nmero de sunos fez com que os espaos de confinamento destinados sua
criao tenham se tornado insuficientes, dificultando a dissipao e depurao
dessa nova maior concentrao de dejeto (BARLOW et al., 1975).
Outro problema enfrentado pela prtica de reaproveitamento do
resduo em plantaes so as necessidades particulares de diferentes
nutrientes de cada espcie vegetal, a vulnerabilidade e suscetibilidade dos
33
ecossistemas vizinhos e o custo da energia em decorrncia da aplicao do
dejeto (FLOTATIS et al., 2009).
A TABELA 05 mostra a evoluo do nmero efetivo de cabeas de
porco no Brasil no perodo de 1990 a 2009. Uma informao muito relevante
em relao a esse tema consiste no fato de que em algumas cidades
pequenas, a produo de resduos decorrentes da suinocultura corresponde
produo de esgoto sanitrio de grandes centros urbanos.
Ainda de acordo com o IBGE (2010), o Paran o terceiro maior
criador de porcos do Brasil, respondendo por 14,7% de todo o rebanho suno
nacional. O estado possui 5.096.224 cabeas e o municpio de Toledo o
terceiro municpio com maior quantidade de sunos do pas (490.780
exemplares).
TABELA 05 EFETIVO SUNO NO BRASIL (1990 2009)
ANO EFETIVO DE REBANHO ANO EFETIVO DE REBANHO
1990 33.623.186 2000 31.562.111
1991 34.290.275 2001 32.605.102
1992 35.532.168 2002 32.013.227
1993 34.184.187 2003 32.304.905
1994 35.141.839 2004 33.085.299
1995 36.062.103 2005 34.063.934
1996 29.202.182 2006 35.173.824
1997 29.637.109 2007 35.945.015
1998 30.006.946 2008 36.819.017
1999 30.838.616 2009 38.045.454
FONTE: Adaptado de IBGE (2010)
O dejeto suno um dos resduos agroindustriais mais poluentes
atualmente no mundo e, se no processadas de maneira adequada, as altas
concentraes de matria orgnica, fsforo e nitrognio podem causar
34
inmeros problemas ambientais como a eutrofizao de rios e corpos hdricos
(CARPENTER et al., 1998), contaminao de solos e mananciais subterrneos
(KRAPAC et al., 2002), volatilizao de amnia e degradao de solos frteis
devido super-fertilizao dos mesmos (APSIMON, KRUSE e BELL, 1987). A
TABELA 06 aponta as quantidades de compostos nitrogenados e fsforo
presentes no efluente suno. Alm disso, pode-se encontrar grandes
concentraes de metais pesados (como o cobre, chumbo e zinco) nesse
resduo (de la TORRE et al., 2000).
TABELA 06 COMPOSIO MDIA DE RESDUO SUNO BIODIGERIDO
NUTRIENTES QUANTIDADE DE NUTRIENTES POR
VOLUME DE DEJETO LQUIDO (g.L-1
)
Nitrognio amoniacal 0,92
Nitrognio orgnico 0,21
Nitrognio total 1,15
Fsforo total 0,34
FONTE: Adaptado de Kebede-westhead, Pizarro e Mulbry (2006)
Uma forma de se avaliar a carga orgnica de um efluente e,
indiretamente, seu potencial poluente consiste na determinao da demanda
bioqumica de oxignio (DBO). Nesta anlise, mensura-se a quantidade de
oxignio necessrio para a oxidao completa da matria orgnica por unidade
atravs de micro-organismos. Assim, altas taxas de DBO correspondem a
efluentes com maiores teores de matria orgnica e, desta forma, um material
com maior potencial poluente.
Quando comparado ao esgoto domstico, os dejetos sunos se
mostram extremamente poluentes. A DBO desses resduos
aproximadamente 200 vezes maior que a dos esgotos comuns, sendo a DBO
do esgoto domstico de 200 mg.L-1 enquanto a de resduos sunos de
40.000 mg.L-1 (TECPAR, 2002).
A prtica da digesto anaerbia, apesar de combinar a remoo de
matria orgnica e produo de biogs para diversos fins, apresenta alguns
inconvenientes como a baixa remoo de nutrientes (nitrognio e fsforo), a
necessidade de um complexo sistema de controle de processos e variveis e a
35
relao desfavorvel de carbono/nitrognio de efluentes sunos (BURTON e
TURNER, 2003). A relao carbono/nitrognio importante no que diz respeito
eficincia na produo de biogs. As bactrias demandam nitrognio para
produzir protenas e consumir o carbono presente no resduo e, por isso, deve
haver uma proporo correta entre essas duas espcies qumicas, que
normalmente da ordem de 20 a 30 partes de carbono para uma de nitrognio
(ARRUDA et al., 2002; SGORLON et al., 2011).
O peso dos porcos influi diretamente sobre a quantidade de dejeto
produzida por eles (EMBRAPA, 2003). A gua ingerida determina a quantidade
de urina e a mdia de produo de dejetos slidos pelos sunos de 2,4 kg por
dia. A TABELA 07 mostra a produo dos principais tipos de dejeto produzido
em fazendas de suinocultura bem como a variao dessa produo em
diferentes categorias de porcos.
TABELA 07 PRODUO DE DEJETO POR DIFERENTES CATEGORIAS DE SUNOS
CATEGORIA
ESTERCO
(KG/DIA)
ESTERCO E
URINA
(KG/DIA)
DEJETOS
LQUIDOS
(L/DIA)
ESTRUTURA PARA
ARMAZENAMENTO
(m3/ANIMAIS.MS)
ESTERCO +
URINA
DEJETOS
LQUIDOS
25 100 kg 2,3 4,9 7,0 0,16 0,25
Porcas de
reposio,
cobrio e
gestantes
3,6 11,0 16,0 0,34 0,48
Porcas em
lactao com
leites
6,4 18,0 27,0 0,52 0,81
Macho 3,0 6,0 9,0 0,18 0,28
Leites 0,35 0,95 1,40 0,04 0,05
Mdia 2,35 5,8 8,6 0,17 0,27
FONTE: Adaptado de TECPAR (2002)
36
A remoo de nutrientes de resduos por microalgas j executada h
anos. Essa tcnica vantajosa frente aos sistemas tradicionais de tratamento
como os reatores aerbios e anaerbios, que so mais caros, de operao
complexa e requerem grandes quantidades de energia para sua utilizao
(HOFFMANN, 1998; OLGUN, 2003; RUIZ et al., 2011). Contudo, a forma
utilizada para esse processamento apresenta-se como sistemas abertos,
consistindo em lagoas de estabilizao contendo as microalgas. No h nesse
processo qualquer controle quanto contaminao do sistema por protozorios
e bactrias e, alm disso, nenhuma forma de controle em relao as taxas de
aerao, concentrao de biomassa produzida ou nutrientes removidos.
Quando no existe uma preocupao na destinao desses efluentes e
os dejetos so destinados aos cursos d'gua, comum encontrar grandes
quantidades de biomassa de microalgas em reas de descartes de efluentes.
As microalgas produzem oxignio e fazem com que a velocidade da
degradao da matria orgnica em resduos seja aumentada (ASLAN e
KAPDAN, 2006; BRITO et al., 2007; HODAIFA et al., 2010; HODAIFA,
MARTNEZ e SNCHEZ, 2010).
Nesse contexto, uma alternativa que pode-se mostrar eficaz a
utilizao de resduos de suinocultura na composio e suplementao dos
meios de cultivo das microalgas. De acordo com Basso (2003), os sistemas de
confinamento utilizados hoje para a criao de porcos esto cada vez mais
numerosos, aumentando a chance de contaminao de solos, mananciais de
gua e recursos naturais. Tais dejetos j so utilizados como aditivo para
aumentar a fertilidade de solos destinados a plantaes.
Alm disso, ao remover nitrognio, carbono e fsforo da gua, as
microalgas podem ajudar a diminuir a eutrofizao dos ecossistemas aquticos
(RUIZ et al., 2011; OLGUN, 2003). Microalgas crescem de maneira
considerada rpida e em condies desfavorveis, como em guas no
potveis e reas no apropriadas para a produo de alimentos (MATA,
MARTINS e CAETANO, 2010; MATA et al., 2011). Desta forma, sistemas
produtivos de microalgas destinadas produo de biomassa para
biocombustveis no enfrentariam as crticas normalmente referenciadas aos
biocombustveis tradicionais como o biodiesel de soja e milho.
37
2.4 FORMAS DE PRODUO DE MICROALGAS
Vrios artigos, trabalhando com a microalga Scenedesmus,
descreveram modificaes bioqumicas e fisiolgicas nas clulas da microalga
em funo de alteraes no meio de cultivo, ocasionando desta forma
mudanas nas condies de crescimento e composio da biomassa
(McLACHLAN, 1973; NICHOLS, 1973; KIM e GIRAUD, 1989; KIM e SMITH,
2001). Uma grande variedade de meios de cultivo para microalgas foi
desenvolvida, podendo ser citados como exemplo o Erdschreiber, Grund, ES,
CHU, f/2 e ASP (McLACHLAN, 1973; NICHOLS, 1973). Porm, esses meios
apresentam limitaes, j que carecem de nutrientes selecionados e
necessrios para o aumento da produo microalgal em perodos de tempo de
longo prazo (KIM e GIRAUD, 1989). Vale lembrar que a maioria dos meios de
cultivos de microalgas foram tradicionalmente elaborados para manter as
microalgas viveis em ceprios, bem como, servir de produo de alimentos
para camares e alevinos. Neste caso, excessos de nutrientes ocasionam
toxicidade a esses organismos e a concentrao de nutrientes no adequada
para produo de biomassa com foco em produtividade. O custo do meio de
cultivo, em funo da sua composio, por muitas vezes cara, dificultando e
encarecendo ainda mais o processo de produo de biomassa como um todo.
A TABELA 08 mostra a composio qumica do meio CHU (CHU, 1942)
modificado, utilizado para o cultivo de microalgas no Ncleo de Pesquisa e
Desenvolvimento de Energia Autossustentvel (NPDEAS) da Universidade
Federal do Paran.
O custo para a produo de 1000 litros de meio de cultivo CHU
modificado de R$ 32,02 (valores de 2013).
Existem vrios formatos de produo de microalgas. Os principais tipos
de sistemas de produo so: tanque aberto, lagoa tipo pista e
fotobiorreatores. Os dois primeiros so sistemas abertos enquanto o ltimo
fechado. Esses sistemas de produo diferem entre si em parmetros como
contaminao, evaporao da gua, produtividade, custos de processos e
operao, entre outros (CHEN et al., 2009).
38
TABELA 08 COMPOSIO QUMICA DO MEIO CHU MODIFICADO
REAGENTE FRMULA QUANTIDADE (g.L-1
)
Nitrato de sdio NaNO3 0,25
Cloreto de clcio di-hidratado CaCl2.2H2O 0,025
Sulfato de magnsio hepta-hidratado MgSO4.7H2O 0,075
Fosfato de potssio dibsico K2HPO4 0,075
Fosfato de potssio monobsico KH2PO4 0,175
Cloreto de sdio NaCl 0.025
Trplex III/EDTA C10H14N2Na2O8.2H2O 0,05
Hidrxido de potssio KOH 0,031
Sulfato ferroso hepta-hidratado FeSO4 0,00498
cido brico H3BO3 0,01142
Sulfato de zinco hepta-hidratado ZnSO4.7H2O 8,82 10-6
Cloreto de mangans tetra-hidratado MnCl2.4H2O 1,44 10-6
Molibdato de sdio NaMoO4.2H2O 1,19 10-6
Sulfato de cobre penta-hidratado CuSO4.5H2O 1,57 10-6
Nitrato de cobalto hexa-hidratado Co(NO3)2.6H2O 0,49 10-6
FONTE: O autor (2012)
2.4.1 Sistemas abertos
Tanques abertos simulam o habitat natural das microalgas. Possuem
variados formatos, sendo o mais comum o de tipo pista de corrida (PULZ,
2001). Esses sistemas so geralmente constitudos por uma nica ou mltiplas
unidades conjuntas com agitao produzida por meio de uma roda de ps,
hlices ou bombas (CHEN et al., 2009). Uma variao desse sistema so as
lagoas tipo pista circulares. A FIGURA 02 mostra as formas de lagoas tipo pista
e cultivo de tanque aberto.
39
FIGURA 02 TRS PRINCIPAIS SISTEMAS ABERTOS DE PRODUO DE
MICROALGAS. (A) LAGOAS TIPO PISTA, (B) LAGOA TIPO CIRCULAR, (C) TANQUE ABERTO.
FONTE: Adaptado de Chen et al (2009).
Esse modo de cultivo apresenta problemas tcnicos devido s
caractersticas inerentes do sistema. Dentre eles citam-se as significantes
perdas de gua por evaporao, a difuso de CO2 para a atmosfera, altos
ndices de poluio e contaminao dos cultivos, baixa difuso da luz solar em
todo o cultivo, alm da grande rea requerida para a instalao desses
sistemas (PULZ, 2001). Durante vrios anos os sistemas abertos foram os
principais meios de cultivo de microalgas (RICHMOND, 1990).
2.4.2 Sistemas fechados
Os sistemas fechados, tambm conhecidos como fotobiorreatores,
possibilitam o controle de quase todos os parmetros de cultivo e, por
consequncia, apresentam melhores desempenhos em produo de biomassa
de microalga em relao aos sistemas abertos. Dentre eles, pode-se citar:
menor risco de contaminao, menores perdas de CO2, maior reprodutibilidade
de condies e cultivos, controle de temperatura e design variado de acordo
com as necessidades e possibilidades disponveis (PULZ, 1992). A densidade
celular alcanada em cultivos realizados em sistemas fechados alta devido
ao controle relativo que se possui do ambiente de cultivo (LEE, 2001; UGWU,
AOYAGI e UCHIYAMA, 2008).
A B C
40
Fotobiorreatores tubulares compactos, construdos com vidro
transparente, acrlico ou plsticos so os sistemas fechados de produo em
massa de microalgas mais comuns e podem ser horizontais, verticais ou
inclinados. (UGWU, AOYAGI e UCHIYAMA, 2008). A circulao realizada por
bombas ou pela simples injeo de ar (sistema airlift). A FIGURA 03 demonstra
algumas configuraes de fotobiorreatores tubulares.
As vantagens de fotobiorreatores tubulares so o melhor
aproveitamento da luz, contribuindo para um maior crescimento de clulas e,
por consequncia, uma concentrao celular muito maior quando comparada a
sistemas abertos; maior rea iluminada e menores ndices de contaminao
(CHEN et al., 2009). Dentre as desvantagens pode-se ressaltar as quantidades
de oxignio dissolvido e CO2 ao longo dos tubos crescimento e adeso das
microalgas s paredes dos tubos (CHEN et al., 2009).
Em reatores fechados, as trocas gasosas so dificultadas devido ao
longo tempo que as microalgas levam para atingir a coluna de troca de gases.
Por isso, as quantidades de CO2 ao longo dos tubos podem ser insuficientes
para a reao de fotossntese, causando uma diminuio do crescimento
microalgal. A alta quantidade de oxignio nos cultivos acaba por inibir o
processo fotossinttico e, por consequncia, diminui o crescimento de
biomassa das microalgas. O excesso de luz gera excesso de eltrons, os quais
reagem com o oxignio produzido na fotossntese produzindo radicais livres e
outros compostos reativos, como o H2O2 (MURATA et al., 2007). Alm disso, a
luz estimula a formao de oxignio nascente altamente reativo por
fotoativao, resultando na perda de atividade fotossinttica e morte celular
(TRIANTAPHYLIDES, et al., 2008; SOUSA et al., 2013).
Alm disso, os valores relacionados construo de fotobiorreatores
so elevados. Os altos custos de reatores fechados se devem, principalmente,
s caractersticas dos materiais envolvidos na sua construo (DASGUPTA et
al., 2010). Os tubos devem ser transparentes; flexveis e durveis; no oferecer
toxicidade; resistentes a agentes qumicos, metablitos produzidos pelas
microalgas e s condies climticas (DASGUPTA et al., 2010).
41
FIGURA 03 DIFERENTES CONFIGURAES DE FOTOBIORREATORES TUBULARES.
A) PROTTIPO MINI-FOTOBIORREATOR B) REATOR TIPO AIRLIFT C) FOTOBIORREATOR DE 10 m
3
FONTE: O autor (2013)
2.5 CULTIVO DE MICROALGAS NO NPDEAS
O Ncleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentvel
(NPDEAS), situado na Universidade Federal do Paran, produz microalgas
com a finalidade de produzir leo e, posteriormente, biodiesel. O objetivo ser
A B
C
42
um prdio autossustentvel, produzindo toda a energia consumida a partir
desses micro-organismos.
O ncleo conta com todas as etapas produtivas, desde a coleta de
microalgas e manuteno de cepas at o processamento e produo final do
leo obtido das microalgas. Primeiramente, os micro-organismos so cultivados
em escala laboratorial para a produo de pr-inculo. Gradativamente a
produo escalonada at se estabelecer o cultivo nos fotobiorreatores.
Aps a coleta, a biomassa microalgal seca para posterior extrao dos
lipdeos. Os resduos dos cultivos so reaproveitados atravs de um
biodigestor para a produo de biogs. A FIGURA 04 demonstra um
fluxograma das operaes realizadas no NPDEAS.
FIGURA 04 FLUXOGRAMA DAS ATIVIDADES REALIZADAS NO NPDEAS FONTE: Adaptado de Satyanarayana, Mariano e Vargas (2011).
Os fotobiorreatores situados no NPDEAS so compostos por tubos de
PVC transparentes e cada um possui volume de 10 m3. Os cultivos so
desenvolvidos com meios variados, a aerao realizada por compressores
industriais e a circulao do cultivo feita atravs de bombas centrfugas. Os
43
fotobiorreatores podem ser observados detalhadamente na FIGURA 03-C e
FIGURA 05.
FIGURA 05 FOTOBIORREATOR DE 10 m
3 SITUADO NO NPDEAS. (A)
FOTOBIORREATOR, (B) BOMBA DE CIRCULAO E COLUNA DE TROCAS GASOSAS, (C) VISO DETALHADA DOS RAMAIS.
FONTE: O autor (2011).
O NPDEAS estabeleceu-se como referncia no desenvolvimento de
fotobiorreatores para produo de biomassa de microalgas. Atualmente so
trs fotobiorreatores construdos. No total, j foram produzidas 11 dissertaes
de mestrado, 1 tese de doutorado, 7 artigos em peridicos e mais de 50
trabalhos completos em anais de congressos.
Alm dos professores (5), complementam a equipe de pesquisa 2
tcnicos, 12 alunos de mestrado, 2 alunos de doutorado, 2 engenheiros, 4
alunos de graduao (iniciao cientfica), 10 alunos do ensino tcnico, uma
secretria e uma auxiliar de servios gerais, totalizando 37 pessoas. A TABELA
09 resume as principais produes cientficas desenvolvidas pelo NPDEAS de
2008 a 2013.
A
B
C
44
TABELA 09 - PRINCIPAIS PRODUES CIENTFICAS DESENVOLVIDAS PELO NPDEAS DE 2008 A 2013
PATENTES
Vargas et al., 2011. Photobioreactor System (Depsito nos Estados Unidos da Amrica) US2012088296-A1 / WO2012050608-A1.
ARTIGOS
Ribeiro et al., 2008. Transient modeling and simulation of compact photobioreactor.
Torrens et al., 2008. Biodiesel from microalgae: the effect of fuel properties on pollutant emissions.
Morais et al., 2009. Phaeodactylum tricornutum micralagae growth rate in heterotrophic and mixotrophic conditions.
Ribeiro et al., 2009. The temperature response of compact tubular microalgae photobioreactors.
Carvalho Jnior et al., 2011. Microalgae biodiesel via in situ methanolysis.
Satyanarayana, Mariano e Vargas, 2011.
A review on microalgae, a versatile source for sustainable energy and materials.
D'Aquino et al., 2012. A simplified mathematical model to predict PVC photodegradation in photobioreactors.
Oliveira et al., 2012a. Comparao entre trs bioprocessos para a produo de enzimas proteolticas utilizando resduos agroindustriais.
Oliveira et al., 2012b. Production of methyl oleate with a lipase from an endophytic yeast isolated from castor leaves.
Oliveira et al., 2013. Utilizao de resduos da agroindstria para a produo de enzimas lipolticas por fermentao submersa.
Silva et al., 2013. Life cycle assessment of biomass production in microalgae compact photobioreactors. (aceito para publicao).
Sugai-Guerios et al., 2013 Mathematical model of the CO2 solubilization reaction rates developed for the study of photobioreactors. (aceito para publicao).
CAPTULO DE LIVRO
Soares et al., 2010. Metodologias para obteno de biomassa e extrao de lipdeos de microalgas marinhas. In: Pereira, T. C. G. (Copel - Paran). Dossi de Pesquisa Fontes Renovveis de Energia.
FONTE: O autor (2013)
45
3 DESAFIOS E OBJETIVOS
A reviso bibliogrfica apresentou as formas de cultivo de microalgas
para a produo de biocombustveis. Apesar das potenciais vantagens
apresentadas por esses micro-organismos para essa finalidade, se faz
necessrio aprimorar e/ou desenvolver processos e tecnologias que diminuam
os custos envolvidos em sua produo. A separao da biomassa do meio de
cultivo e a extrao do leo e sntese do biodiesel correspondem a
aproximadamente 30% dos custos no processo de produo de microalgas,
alm de demandarem grandes quantidades de energia, prejudicando o balano
energtico da produo do biocombustvel. Alm disso, fatores como
diminuio da contaminao dos cultivos, melhores adaptaes e designs de
reatores que objetivem a maximizao de ganho de biomassa microalgal,
prospeco de espcies robustas e com alto teor lipdico e simplificao e
diminuio de custos envolvidos na extrao do leo e sntese do biodiesel
devem ser observados e otimizados.
3.1 OBJETIVO GERAL
Dentre os desafios apresentados, selecionou-se o de diminuir custos
atravs da utilizao de resduo agroindustrial (efluente de suinocultura) para
produo de biomassa de microalgas. Alm disso, props-se tambm resolver
o problema ambiental do descarte inadequado desse resduo.
3.1.1 Metas
Para atingir o objetivo geral, o trabalho foi dividido nas seguintes
metas:
46
1. Coletar e caracterizar o resduo suno biodigerido;
2. Avaliar o crescimento das microalgas frente ao resduo suno em
pequena escala no laboratrio e determinar melhor condio de cultivo;
3. Produzir biomassa de microalgas em FBR tipo Airlift de 12 L em
condies externas avaliando produtividade em biomassa, leo e composio
de lipdeos;
4. Avaliar a eficincia de biorremediao do resduo suno em relao
aos parmetros fosfatos e nitrognio total, orgnico, amoniacal;
5. Extrair lipdeo da biomassa cultivada, determinar sua composio e
produzir biodiesel atravs de esterificao enzimtica.
A FIGURA 06 relaciona as metas estabelecidas com as respectivas
estratgias para se alcanar o objetivo proposto.
47
FIGURA 06 FLUXOGRAMA DAS METAS E ESTRATGIAS DE TRABALHO
FONTE: O autor (2012)
Coletar e caracterizar o
resduo suno biodigerido
Avaliar o crescimento das
microalgas frente ao resduo
suno em pequena escala no
laboratrio e determinar
melhor condio de cultivo
Produzir biomassa de
microalgas em FBR tipo Airlift
de 12 L em condies
externas avaliando
produtividade em biomassa,
leo e composio de lipdeos
Avaliar a eficincia de
biorremediao do resduo
suno em relao aos
parmetros fosfato e
nitrognio total, orgnico,
amoniacal
Extrair lipdeo da biomassa
cultivada, determinar sua
composio e produzir
biodiesel atravs de
esterificao enzimtica,
Coleta de efluente suno de
biodigestor em Castro PR e
anlise de nutrientes
Avaliao de densidade
celular, anlise de
absorbncia, determinao de
biomassa seca, e anlise de
pH
Avaliao de densidade
celular, anlise de
absorbncia, determinao de
biomassa seca, anlise de
pH, determinao de lipdeos
totais e anlise do perfil
lipdico
Determinao das cargas dos
nutrientes aps o cultivo
Extrao de lipdeo a frio com
solventes, anlise da
composio dos cidos
graxos e esterificao
enzimtica por lpases
fngicas
METAS ESTRATGIAS
48
4 MATERIAIS E MTODOS
4.1 SELEO DAS MICROALGAS
A microalga Scenedesmus sp utilizada nesse trabalho foi isolada e
obtida a partir da rede de fornecimento aps a circulao de gua por alguns
dias nos fotobiorreatores do NPDEAS, na Universidade Federal do Paran,
sem qualquer adio de nutrientes ou inculo. A manuteno e repique das
cepas foram realizados em sala de cultivo climatizada, podendo ser observada
na FIGURA 07.
FIGURA 07 SALA DE CULTIVO. (A) VISO GERAL DA SALA, (B) MICROGRAFIA DA MICROALGA Scenedesmus sp COM AUMENTO DE 400X
FONTE: O autor (2012)
A B A
49
4.2 COLETA E MANUTENO DO EFLUENTE SUNO BIODIGERIDO
O dejeto suno foi coletado de biodigestor de propriedade particular
situada em Castro-PR e acondicionado em freezer. A FIGURA 08-A mostra o
local da coleta. Foram realizadas trs diluies distintas para os experimentos
realizados com o efluente. O dejeto foi diludo em gua destilada nas
propores de 5%, 10% e 30%. O efluente suno bruto foi submetido analise
de cargas de fosfato, nitrato, nitrito, nitrognio total, nitrognio orgnico e
nitrognio amoniacal, para posterior avaliao do grau de biorremediao.
FIGURA 08 BIODIGESTOR DE ONDE FOI COLETADO O EFLUENTE SUNO
(CASTRO PR). (A) BIODIGESTOR TIPO LAGOA COBERTA, (B) EFLUENTE BIODIGERIDO COLETADO EM LAGOA DE ESTABILIZAO
FONTE: O autor (2012)
4.3 MEIO DE CULTIVO E CONDIES DE CULTIVO
Os cultivos foram realizados em escala laboratorial (frascos tipo
Erlenmeyer contendo aerao) e em reator tipo airlift de 12 L com meio CHU
A B
50
modificado (TABELA 04), havendo a substituio de xido de molibdnio por
molibdato de sdio. Levando em considerao as caractersticas do resduo
suno, a formulao de meio de cultivo utilizando o dejeto biodigerido foi
realizada nas seguintes propores: 5%, 10% e 30%. A escolha das diluies
foi baseada em experimentos prvios no laboratrio do NPDEAS que levaram
em considerao a turbidez do meio e as quantidades de fosfato e nitrognio
total em comparao ao meio sinttico CHU. Diluies do dejeto biodigerido
acima de 30% no resultaram em crescimento de microalgas. A TABELA 10
demonstra a quantidade de nitrognio e fosfato em cada diluio proposta.
Todos os cultivos foram realizados em batelada.
TABELA 10 PROPORES DE NITROGNIO E FSFORO INICIAIS DOS CULTIVOS COM RESDUO SUNO
DILUIES FOSFATO
(mg P.L-1
)
NITROGNIO
ORGNICO (mg.L-1
)
NITROGNIO
AMONIACAL
(mg NH3 N.L-1
)
NITROGNIO
TOTAL
(mg NH3 N.L-1
)
5% 3,72 20,93 109,40 130,32
10% 7,43 41,86 218,79 260,65
30% 22,30 125,58 656,36 781,94
CHU 61,58 - - 41,18*
FONTE: O autor (2013) NOTA: *concentrao de nitrognio em nitrato de sdio
Os cultivos realizados em escala laboratorial ocorreram em frascos
Erlenmeyer de 2 L, utilizando um volume inicial de 1,6 L em cada frasco,
composto por 400 mL de inculo com uma concentrao de 200 x104 cl.mL-1;
aproximadamente 100 mL de solues-estoque de meio de cultivo
autoclavadas e 1000 mL de gua destilada esterilizada. Nos experimentos com
efluente suno, as solues estoque autoclavadas e a gua destilada foram
substitudas pelas diluies do dejeto biodigerido nas propores 5%, 10% e
30%. Os frascos foram mantidos sob constante iluminao (2 lmpadas de
40 W cool daylight), sem fotoperodo, sob aerao contnua atravs de
compressor da marca Schulz com injeo de ar vazo de 2 litros.minuto-1 e
sob a temperatura de 17 C. A FIGURA 09 apresenta a disposio dos frascos
de cultivo. Todas as condies foram realizadas em triplicatas e, assim, para
51
cada experimento foram realizados 12 cultivos independentes. Os cultivos
foram realizados em batelada.
FIGURA 09 DISPOSIO DOS CULTIVOS EM ESCALA LABORATORIAL FONTE: O autor (2012)
Os cultivos realizados nos reatores airlift foram realizados ao ar livre e
demandaram um volume aproximado de 11 L de inculo com uma
concentrao inicial da ordem de 250 x104 cl.mL-1 realizados em meio de
cultivo CHU modificado e dejeto suno na diluio de 10%, totalizando 11 L de
cultivo. A aerao e agitao foram realizadas com ar atmosfrico atravs de
compressor da marca Schulz, com fluxo de ar de aproximadamente 4 L.min-1. A
FIGURA 10 mostra a configurao dos cultivos. Os cultivos foram realizados
em triplicata. De acordo com a experincia de cultivos anteriores realizados no
NPDEAS, estabeleceu-se perodo de 15 dias de cultivo para avaliao dos
parmetros de cultivo. Ao final dos 15 dias as microalgas encontram-se na fase
estacionria.
52
FIGURA 10 CULTIVOS EM REATORES TIPO AIRLIFT FONTE: O autor (2012)
4.4 AVALIAO DO CULTIVO
A avaliao dos cultivos foi realizada em funo da determinao dos
seguintes parmetros: determinao da densidade celular, anlise
espectrofotomtrica, anlise e quantificao de biomassa seca, anlise e
determinao da quantidade de lipdeos totais, e determinao de pH.
4.4.1 Determinao da densidade celular
A densidade celular dos cultivos foi determinada por meio de
contagens em microscpio ptico com aumento de 400X com o auxlio de
cmaras de Neubauer e realizados ao longo dos dias de cultivo (LOURENO,
2006). As contagens sempre foram realizadas em triplicata. O resultado foi
53
representado como a mdia 2 vezes o desvio padro. Os resultados foram
representados em nmeros de clulas por mililitros de cultivo (cl.mL-1). Essa
metodologia permite a identificao da fase estacionria e determinao do
perodo de acmulo de lipdeos pelas clulas. A FIGURA 11 demonstra uma
curva tpica do crescimento das microalgas. Nesse grfico possvel observar
as distintas fases do crescimento dos micro-organismos em cultivos do tipo
batelada que consistem em: fase de adaptao ou fase lag, fase de
crescimento exponencial, fase de crescimento linear, fase estacionria e fase
de declnio ou morte celular.
FIGURA 11 CURVA TPICA DE CRESCIMENTO CELULAR. (1) FASE LAG, (2) FASE DE
CRESCIMENTO EXPONENCIAL, (3) FASE DE CRESCIMENTO LINEAR, (4) FASE ESTACIONRIA, (5) FASE DE DECLNIO
FONTE: Adaptado de Mata, Martins e Caetano (2010)
4.4.2 Determinao da Absorbncia
A determinao da absorbncia dos cultivos foi realizada em
espectrofotmetro da marca Perkin-Elmer atravs do software Lambda 25 -
54
UV/VIS Spectrometrer com cubetas de caminho ptico de 1 cm e comprimento
de onda de 540 nm. A gua destilada foi utilizada como branco para zerar a
leitura do equipamento. Atravs da anlise de absorbncia pode-se determinar
a turbidez dos cultivos, indicando maior ou menor presena de clulas e
biomassa de microalgas. Como visto na FIGURA 10-B, o efluente suno possui
natureza escura. Os cultivos realizados com o resduo apresentaram colorao
mais turva de acordo com a proporo de diluio em gua. Por esse motivo,
para a obteno de dados de aumento real desse parmetro, descontou-se o
valor inicial da absorbncia de cada ponto da curva em todos os cultivos,
incluindo o cultivo controle ( de absorbncia).
Para se evitar distores nas leituras e interpretaes incorretas dos
dados, quando a medida de absorbncia resultou em valor superior a 0,5
realizou-se diluies para se atingir a faixa de 0,1 a 0,5. Isso consiste em uma
prtica comumente realizada para determinao de absorbncia quando se
realiza estimativa do crescimento celular com micro-organismos.
4.4.3 Determinao de biomassa seca
A determinao de biomassa seca (g.L-1) foi realizada diariamente
atravs de metodologia gravimtrica sempre em triplicata em todos os cultivos.
Foram utilizados microfiltros de fibra de vidro Macherey-Nagel GF-1, dimetro
de 47 mm para filtragem utilizando bomba a vcuo. Primeiramente, os
microfiltros foram levados estufa com temperatura de 60 C at atingirem
massa constante para a retirada de sua umidade natural. A massa dos
microfiltros secos foi aferida.
Depois disso, trs amostras de 10 mL dos cultivos foram retiradas e
filtradas separadamente. Os microfiltros com as amostras foram levados
estufa a temperatura de 60 C at atingirem massa constante. O aparato de
filtragem, consistindo de bomba, filtro, membrana e filtrado pode ser observado
na FIGURA 12. As massas foram aferidas em balana analtica.
55
FIGURA 12 SISTEMA DE FILTRAO FONTE: O autor (2012)
O clculo do mtodo gravimtrico utilizado para mensurao da
biomassa seca em gramas por litros (g.L-1) foi:
V
FFLgBs 121 ).(
(1)
onde:
Bs biomassa seca da amostra (g.L-1)
F1 massa do microfiltro seco (g)
F2 massa do microfiltro com biomassa seca (g);
V volume de cultivo filtrado (L).
O efluente suno apresenta grande quantidade de slidos totais em sua
composio. Para uma avaliao mais correta do crescimento de biomassa, o
valor de biomassa seca inicial de cada cultivo foi subtrado das respectivas
56
medidas dirias desse parmetro ( de biomassa). Desta forma, eliminando-se
a interferncia dos slidos totais presentes no resduo nas diferentes
concentraes trabalhadas, est sendo considerada apenas a biomassa
produzida pelos cultivos.
4.4.4 Determinao de lipdeos totais
Para o clculo e mensurao dos lipdeos totais dos cultivos foi
realizada a metodologia de extrao a frio desenvolvida por Bligh e Dyer (1959)
e adaptada de Rodrguez et al. (2007). Para a extrao dos lipdeos utilizou-se
uma soluo de metanol e clorofrmio. As anlises foram realizadas em
triplicata.
Em cada uma das triplicatas, foram maceradas e aferidas a massa de
50 mg de biomassa seca anteriormente em estufa at massa constante. Aps,
foram colocadas em tubos de polipropileno de 15 mL. A cada uma das
amostras foi adicionado 3 mL da soluo de clorofrmio:metanol (2:1, v:v) e
10 L de soluo de butilhidroxi tolueno (BHT) 1% em metanol, como proteo
antioxidante e preservao da estrutura dos lipdeos poli-insaturados. Aps, as
amostras foram submetidas por 3 ciclos de 15 minutos em banho de ultrassom
(Unica Ultra Cleanner 1400, frequncia de 40 kHz). As amostras foram envoltas
em papel alumnio para proteo contra a luz e evitar a foto-degradao do
material. Tambm foram incubadas a 4 C por 24 horas para favorecer e
aumentar a extrao de lipdeos.
Em seguida, as amostras foram submetidas a mais 3 ciclos de
15 minutos em banho no ultrassom e depois centrifugadas por 20 minutos a
5000 rpm e 5 C. O sobrenadante foi recuperado e reservado. Adicionou-se
1,5 mL da soluo de clorofrmio:metanol biomassa que foi sedimentada
aps a centrifugao e essa mistura foi novamente centrifugada nas condies
anteriores. A fase lquida foi recuperada e adicionada ao reservado.
Por fim, adicionou-se 2 mL de gua destilada e 1 mL de clorofrmio ao
reservado, agitou-se e centrifugou-se as amostras a 5000 rpm por 10 minutos a
57
5 C. A fase inferior foi recuperada e reservada em vial de massa conhecida. A
fase aquosa foi lavada com 1 mL de clorofrmio, agitada e centrifugada nas
mesmas condies anteriores. A fase inferior foi transferida ao vial e este foi
levado capela de exausto, onde permaneceu at que todo o solvente
evaporasse. A seguir o vial teve sua massa novamente quantificada. A
FIGURA 13 representa o fluxograma referente extrao dos lipdeos. O
clculo do mtodo gravimtrico utilizado para a mensurao de lipdeos foi:
1000).( 121
C
BVVLmgLipdeos (2)
onde:
V1 massa do vial vazio (g);
V2 massa do vial com lipdeos (g);
B biomassa seca do cultivo (g.L-1);
C biomassa seca (g);
A determinao do teor de lipdeos em porcentagem consistiu em:
C
VVLipdeos
100(%) 12
(3)
58
FIGURA 13 FLUXOGRAMA DO PROCESSO DE EXTRAO A FRIO DE LIPDEOS PARA DETERMINAO ANALTICA
FONTE: O autor (2013)
4.4.5 Determinao do pH dos cultivos
O pH dos cultivos foi determinado diariamente em phmetro digital da
marca Gehaka PG 1800. Microalgas e organismos fotossintetizantes
necessitam de dixido de carbono para o processo de fotossntese e produo
de seu prprio alimento. A anlise do pH importante para avaliar
indiretamente o consumo de CO2 pelas microalgas fornecido no processo de
aerao. O gs carbnico confere uma natureza cida aos cultivos e medida
que o pH se eleva a disponibilidade de dixido de carbono diminui,
normalmente relacionado a uma grande presena de clulas e,
consequentemente, uma maior demanda pelo gs citado.
59
4.5 RECUPERAO DA BIOMASSA
Para a separao da biomassa microalgal do meio de cultivo foi
utilizado o mtodo de floculao qumica por cloreto frrico heptahidratado
(FeCl3.7H2O). As condies de agitao foram: agitao rpida (500 rpm) por
2 minutos, agitao lenta (250 rpm) por 5 minutos e perodo de sedimentao
de 24 horas. A quantidade de cloreto frrico adicionada foi a necessria para
se obter uma soluo final de cultivo + floculante de 0,3 mmol.L-1. A FIGURA
14 mostra as etapas de antes, durante e depois do processo de floculao.
FIGURA 14 PROCESSO DE FLOCULAO QUMICA. (A) ANTES, (B) ADIO DE CLORETO FRRICO HEPTAHIDRATADO E AGITAO, (C) MICROALGAS FLOCULADAS
FONTE: O autor (2013)
A B
C
60
4.6 EXTRAO E ANLISE DO PERFIL LIPDICO DO LEO DE
MICROALGAS
Aps a determinao da melhor condio de cultivo em escala
laboratorial, o experimento conduzido em reator airlifting (11 L) forneceu
biomassa suficiente para extrao do leo e posterior sntese de biodiesel.
Uma amostra de leo isolada dessa biomassa foi submetida anlise para
investigao do perfil lipdico e presena de cidos graxos (ANEXO 01). A
anlise foi realizada pelo CEPPA (Centro de Pesquisa e Processamento de
Alimentos) da Universidade Federal do Paran atravs de cromatografia
gasosa.
Os cidos graxos da biomassa foram extrados por saponificao. A
biomassa contendo cerca de 80% de umidade foi diretamente saponificada na
presena de NaOH (0,25 g.g de biomassa-1) e etanol (96,5% v/v 10 mL.g-1 de
biomassa), e agitada em Shaker durante uma hora a 180 rpm e 60 C
utilizando metodologia aprimorada por Schroeder et al. (2011).
Depois disso, realizou-se hidrlise cida com a adio de HCl
concentrado soluo alcolica at pH 1,0 para liberao dos cidos graxos
livres. Desse meio os cidos graxos foram obtidos atravs de extrao
utilizando hexano. O solvente foi posteriormente evaporado e os cidos graxos
isolados.
4.7 SNTESE DO BIODIESEL
A sntese do biodiesel a partir do leo extrado das microalgas foi
realizada por mtodo enzimtico atravs de lipases fngicas de Penicillium
sumatrense e Aspergillus fumigatus, gentilmente cedidas pela biotecnloga
Anne Caroline Defranceschi Oliveira. Tais enzimas foram cultivadas por
Fermentao em estado slido (FES) utilizando semente de girassol como
substrato. O slido fermentado passou por processo de delipidao a fim de
61
impedir a interferncia do material graxo presente no slido fermentado nas
reaes de sntese.
Para delipidao, o slido fermentado foi seco e submetido extrao
do material graxo atravs da adio de 10 mL de hexano para cada grama de
slido fermentado seco e incubados em shaker a 180 rpm e temperatura
ambiente por 1 hora.
Aps a delipidao obteve-se o extrato bruto enzimtico pela adio de
5 mL de soluo de NaCl 1% para cada grama de substrato slido, sendo este
mantido em agitao por 1 hora a 100 rpm. Filtrou-se e centrifugou-se a
2000 rpm por 8 min, desprezando-se o precipitado. Com o meio fermentado
recuperado, o extrato bruto foi liofilizado.
A esterificao dos cidos graxos de microalgas foi realizada em
frascos erlenmeyers de 125 mL, contendo um volume reacional de 10 mL. Em
cada frasco foram adicionados o slido fermentado numa proporo
equivalente a 60 U (unidade de atividade enzimtica), 50 mmol.L-1 de cido
graxo, 450 mmol.L-1 de metanol e 10 mL de hexano. As reaes foram
incubadas em Shaker a 30 C e 180 rpm, e acompanhadas por 12 horas.
Para a determinao da converso de cidos graxos em steres foi
utilizado um mtodo espectrofotomtrico descrito por Lowry e Tinsley (1976).
Este mtodo foi usado previamente em trabalhos descritos na literatura, e
apresentou grande preciso na quantificao de cidos graxos, demonstrados
pelo acompanhamento simultneo da quantificao dessas substncias atravs
de cromatografia gasosa (BARON et al., 2005; FERNANDES et al., 2007).
Essa metodologia baseia-se na ligao entre os cidos graxos livres e
os ons Cobre II em meio orgnico, possibilitando a avaliao do percentual de
cidos graxos convertidos a steres. Desta forma, o acompanhamento da
reao de converso de cidos graxos em steres fundamentou-se no
acompanhamento do desaparecimento do substrato no meio reacional. Quando
a quantidade de cidos graxos diminui em 100%, considerou-se que a reao
teve 100% de converso biodiesel (metil steres). Assim sendo, para a
realizao das anlises, a quantidade de 0,2 mL do meio reacional foram
adicionados a 2,4 mL de tolueno e 0,5 mL da soluo de piridina e acetato de
62
cobre (5%). As reaes foram agitadas em vrtex por 30 segundos e a fase
orgnica lida em espectrofotmetro em 715 nm.
4.8 ANLISE DA BIORREMEDIAO DO RESDUO SUNO
Aps o processo de separao e floculao qumica do cultivo de
microalgas (descrito no item 4.5), o sobrenadante e o efluente suno bruto
foram submetidos analise de cargas de fosfato, nitrato, nitrito, nitrognio total,
nitrognio orgnico e nitrognio amoniacal para determinao de remoo de
matria orgnica e biorremediao do resduo suno pelas microalgas
(ANEXO 02 e ANEXO 03).
4.9 ANLISE ESTATSTICA
Os valores grficos de densidade celular, biomassa seca, absorbncia
e pH apresentados nessa dissertao so as mdias das triplicatas das
amostras de cada experimento duas vezes o desvio padro. O desvio padro
foi multiplicado por 2 para abranger 95% de confiabilidade das amostras
considerando uma distribuio normal, conforme a FIGURA 15.
Para verificar se houve diferena estatstica entre os valores obtidos
em todos os parmetros foi realizada a anlise de varincia pelo teste t com o
auxlio do software ASSISTAT, verso 7.6 beta. O teste t foi aplicado ao nvel
de 95% de confiabilidade de diferena estatstica (p < 0,05). Os pontos
assinalados com asterisco (*) nos grficos demonstram que houve diferena
estatstica entre as condies comparadas.
63
FIGURA 15 REPRESENTAO NORMAL SIMTRICA FONTE: Adaptado de Rodrigues (2008)
64
5 RESULTADOS E DISCUSSO
A microalga Scenedesmus sp. foi cultivada em batelada por perodos
de at 15 dias em escala laboratorial sob condies controladas e em reatores
airlifting expostos a condies ambientais, ou seja, sem controle de
temperatura e luminosidade. Nos cultivos de escala laboratorial foram
realizadas diariamente contagens celulares, quantificao de biomassa seca e