TÍTULO: Estudo da cinética de crescimento da microalga Scnedesmus sp. para produção de lipídios como matéria prima para biodiesel
AUTORES: SILVA, L. A., (FURB) ; PALMA, M. B. (FURB) ; TAVARES, L. B. B. (FURB) ; MEIER, H. F. (FURB)
RESUMO: Este trabalho tem como objetivo desenvolver um modelo cinético para o crescimento da
microalga Scendesmus sp. em fotobiorreator batelada de laboratório, através de uma
cultura do tipo mixotrófica, e propor um modelo matemático para estudos de ampliação
de escala de processo com a proposição de fotobiorreator contínuo de fluxo
empistonado em escala piloto. Os dados obtidos através dos experimentos foram
analisados e evidenciaram um processo de cultivo com produção de biomassa superior a
culturas tradicionais.
PALAVRAS CHAVES: biocombustíveis, microalga, fotobiorreator.
INTRODUÇÃO: O atual apelo pela diminuição dos gases causadores do efeito estufa, em sua maioria,
emitidos pelas indústrias e pela sociedade, a partir da utilização de combustíveis de
origem fóssil, faz com que novas tecnologias sejam pesquisadas. Especificamente, para
o caso dos biocombustíveis, o biodiesel, por apresentar menores índices de gases
poluentes, apresenta-se na vanguarda destas tecnologias.
Pensando em fontes renováveis para a produção de biomassa, para subseqüente produção
de biodiesel, as microalgas são uma importante fonte, com significativa composição de
lipídios, pois segundo SHELEF (1980), os óleos encontrados nas microalgas possuem
características físico-químicas similares às de outros óleos de origem vegetal e, por
isto, elas podem ser consideradas como potencial matéria-prima para a produção de
biodiesel.
Porém, o aspecto econômico de produção de biodiesel tem apresentado desafios, para
sua consolidação, principalmente devido ao preço dos óleos vegetais e ao seu custo
produtivo. Para tanto, visando à redução deste custo, as microalgas surgem como
candidatas, devido a várias vantagens, como por exemplo, altas taxas
fotossintetizantes, alta produção de biomassa e um crescimento mais rápido, se
comparado a outros organismos vegetais produtores de lipídios, além de indexar uma
maior parcela do carbono expurgado novamente para o ciclo (Milne et al., 1990; Minowa
et al., 1995).
Desta forma, este trabalho objetivou desenvolver uma metodologia de cultivo de
microalgas (Scenedesmus sp.), em fotobiorreator batelada, para obtenção de dados de
crescimento microalgal, visando a determinação e constituição de um modelo cinético e
um subseqüente estudo ampliação de escala para fotobiorreator contínuo de fluxo
empistonado.
MATERIAL E MÉTODOS: Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia Bioquímica, da Fundação
Regional de Blumenau (FURB). Para tanto, utilizou-se a microalga Scenedesmus sp.,
escolhida por já apresentar dados descritos, e ser de fácil obtenção (Knie; Lopes,
2004). O meio escolhido foi o meio de CHU (Chu, 1942), por ser amplamente empregado
nos cultivos desta microalga (Knie; Lopes, 2004). Para o inóculo utilizou-se uma
cultura a 1 x 107 cel/mL (Harmel, 2004).
O cultivo foi mixotrófico, pressupondo a utilização de dupla fonte de carbono, uma
proveniente do meio de cultivo (EDTA) e outra da inserção de ar atmosférico; os
experimentos, conduzidos em micro-escala, foram mantidos, a temperatura, iluminação e
aeração constantes, visando gerar dados para o aumento da micro-escala a uma escala
de bancada, na qual se utilizou um biorreator batelada com capacidade de 3 l.
No cultivo, considerou-se que o produto desejado é quantificado pela concentração de
biomassa e não de um subproduto específico, como na maioria dos processos
fermentativos. Assim, acompanhou-se a variação temporal da concentração de células
(CM), medida em termos de células/litro e da própria concentração celular em base
seca, a variação temporal da concentração de substrato (CS), medida em termos da
quantidade de carbono total presente no meio de cultivo, além da manutenção das
condições adequadas de crescimento obtidas nos ensaios preliminares na micro-escala
de laboratório.
As variáveis controláveis foram temperatura, luminosidade, agitação/aeração e pH, e
as quantificáveis células/litro, concentração celular e carbono total.
Modelos matemáticos foram descritos para o cultivo mixotrófico em batelada e para o
cultivo mixotrófico em fluxo continuo das microalgas, baseados nos dados
experimentais.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Para o desenvolvimento dos experimentos, foram testados em micro escala, condições
variadas de controle. Estes resultados mostraram as melhores condições de crescimento
microalgal, definindo a temperatura a 30,0 °C, Luminosidade a 3500 lux, aeração a 3,0
L/min e pH entre 6,9 a 8,0.
Os dados obtidos com os experimentos foram tabulados e tratados. Para a Concentração
celular os resultados médios foram 6,00 x 107 Cel/mL, 5,00 x 107 Cel/mL e 5,30 x 107
Cel/mL nos experimentos 1, 2 e 3 respectivamente. Sendo assim, o que se percebe, é
que a fase LAG do cultivo microalgal apresenta aproximadamente 2,5 dias e a partir
deste período, passe-se para a fase LOG. Observa-se que, os valores médios do
crescimento, apresentaram um valor mínimo de 2,8 x 106 cel/mL e um máximo de 5,48 x
107 cel/mL em culturas de 5 dias, em condições controlados.
Para a concentração de substrato (EDTA) observa-se que a concentração do carbono ao
longo do tempo no experimento 1 teve uma variação em média de 50 mg/L, para o
experimento 2, encontrou-se um valor médio de 60 mg/L e para o experimento 3 uma
média de 40 mg/L. Com estes dados podem ser admitidas como valores constantes, a não
variação do substrato, para fins de desenvolvimento de um modelo cinético de
crescimento microalgal.
Para a constituição deste modelo, foram regredidos os dados experimentais, obtendo-se
a então a média. Os valores encontrados foram um Y = 0,0258 e um R2 = 0,8619.
Portanto, o valor constituído para a constante de velocidade a ser utilizado nos
estudos de ampliação de escala em processo contínuo é de µ - kD = 0,0258 h-1. Estes
dados resultaram nas propriedades geométricas e operacionais para a ampliação do
fotobiorreator continuo de fluxo empistonado em escala piloto (Figura 1) e num
projeto para o fotobiorreator (Figura 2).
CONCLUSÕES: Este trabalho propôs um modelo cinético para o cultivo mixotrófico, com concentração
de substrato constante a partir das equações de Monod. Correlacionou-se os dados
experimentais, mostrando a possibilidade de sua utilização em estudos de ampliação de
escala. Para tanto, foi empregado um modelo matemático, possibilitando o
desenvolvimento do projeto de um biorreator contínuo de fluxo empistonado.
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem ao CNPq, FINEP, ANP e a FURB pelas condições que proporcionaram
o desenvolvimento deste trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: CHU, SP. The influence of the mineral composition if the medium on the growth of planktonic algae. (1942) J. Ecol., 30, 284-325.
HARMEL, V.C., Padronização de um teste de biotoxicidade crônica com a bactéria luminescente Vibrio fischeri para análise de qualidade de águas superficiais. Dissertação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Regional de Blumenau. 2004.
KNIE, J. L. W.; LOPES, E. W. B. Testes ecotoxicológicos: métodos, técnicas e aplicações. Florianópolis: FATMA / GTZ, p. 289, 2004
MILNE, T.A., EVANS, R.J., NAGLE, N., 1990. Catalytic conversion of microalgae and vegetable oils to premium gasoline, with shape-selective zeolites. Biomass 21, 219–232.
MINOWA, T., YOKOYAMA, S.Y., KISHIMOTO, M., OKAKURAT, T., 1995. Oil production from algal cells of Dunaliella tertiolecta by direct thermochemical liquefaction. Fuel 74, 1735–1738.
SHELEF, G.; SOEDER, C. J. (eds.) Algae Biomass. Production and Use. Amsterdam: Elsevier/North Holland Biomedical, 1980. p. 97-113.
