INFLUÊNCIA DA INTENSIDADE DA LUZ SOBRE A BIOFIXAÇÃO DE CARBONO EM Chlorella minutissima

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1 INFLUÊNCIA DA INTENSIDADE DA LUZ SOBRE A BIOFIXAÇÃO DE CARBONO EM Chlorella minutissima Cristiane Redaelli 1,2, Luce Helena Kochem 2, Tobias Dierings 2, André Jarenkow 2, Géssica Marchese Roman 1, Nilson Romeu Marcilio 2 & Rosane Rech 1,2 1 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Ciência e Tecnologia de Alimentos Caixa Postal Porto Alegre RS 2 Universidade Federal do Rio Grande do Sul Depto. de Engenharia Química Rua Luiz Englert, s/n Porto Alegre RS crisredaelli@terra.com.br RESUMO Este trabalho propõe o desenvolvimento de um processo eficiente para a biofixação de dióxido de carbono através do uso de microalgas fotossintéticas. Foram construídos fotobiorreatores de placa do tipo airlift objetivando um bom coeficiente de transferência de massa (k L a) e baixo consumo de energia e cisalhamento no reator. O crescimento da microalga Chlorella minutissima foi testado em intensidades luminosas entre e Lux. Foram avaliados produção de biomassa, conteúdo lipídico e taxa de fixação de dióxido de carbono. A intensidade de Lux obteve os melhores resultados, atingindo uma biomassa seca de 0,38 g/l com um conteúdo lipídico total de 10,36%. Na fase exponencial do crescimento a velocidade específica de crescimento máxima foi 0,61 d -1 e a taxa de fixação de dióxido de carbono foi 16 gco 2 /m 3.h. PALAVRAS-CHAVE: Chlorella minutissima; fotobiorreator; intensidade luminosa; microalga. 1. INTRODUÇÃO Com a queima dos combustíveis fósseis, existe a liberação de gás carbônico para a atmosfera, sendo este um dos grandes contribuintes para o efeito estufa. O efeito estufa, dentro de uma determinada faixa, é de importância vital para a vida na terra, porém ao passar deste limiar, pode causar o aquecimento global, que é atualmente um grande problema ambiental (Borges e outros, 2007). Diversas alternativas têm sido estudadas a fim de promover a redução das emissões, seqüestro e biofixação do gás carbônico emitido por fontes estacionárias como, por exemplo, termoelétricas a carvão mineral. Uma destas alternativas é o cultivo de microalgas. Além de possuírem a capacidade de fixar o gás carbônico do ar, utilizando-o como fonte de carbono, as microalgas possuem uma matéria orgânica rica em minerais, vitaminas, lipídios, pigmentos e proteínas, apresentando, assim, grande aplicabilidade industrial e comercial (Khan e outros, 2009). Microalgas podem ser usadas na produção de hidrogênio, de metano, através da digestão anaeróbia da biomassa, e de biodiesel a partir do conteúdo lipídico intracelular (Chisti, 2007). Segundo Teixeira e Morales (2008), os óleos encontrados nas microalgas possuem características físico-químicas e químicas similares aos de óleos vegetais e por isto elas podem ser consideradas como potencial matéria-prima para a produção de biodiesel. Na produção de biodiesel, as microalgas apresentam diversas vantagens com relação às plantas, como crescerem a taxas mais elevadas, possuírem maior rendimento de óleo por área cultivada, poderem ser cultivadas em terrenos impróprios para a agricultura e serem capazes de remediar águas residuais através do consumo de nitrogênio e fósforo (Khan e outros, 2009).

2 No passado, para os cultivos de microalgas eram empregadas lagoas artificiais, porém recentemente cultivos em sistemas fechados, fotobiorreatores, têm sido também empregados por possuírem algumas vantagens como menores perdas por evaporação, menor risco de contaminação e menor área requerida (Xu e outros, 2009). As configurações de fotobiorreatores mais comumente empregadas são: placa plana, coluna de bolhas e tubular. Ainda podem ser utilizadas configurações airlift e modificações das três configurações citadas anteriormente, como é o caso do reator de coluna de bolhas anular e do reator de placa em forma de domo (Posten, 2009). Uma das vantagens do uso de fotobiorreatores é a possibilidade de controle da intensidade da luz fornecida aos cultivos. Segundo Lima e Sato (2001), a luminosidade associada à concentração de nitrogênio pode influenciar a produção de lipídeos. Neste trabalho estudou-se a influência da intensidade luminosa sobre a formação de biomassa, o conteúdo de lipídeos e a biofixação de CO 2 pela microalga marinha Chlorella minutissima em fotobiorreator de placa airlift. 2. MATERIAL E MÉTODOS 2.1 Microalga e Meio de Cultivo A microalga Chlorella minutussima utilizada neste trabalho foi gentilmente cedida pelo professor Sérgio Lourenço da Universidade Federal Fluminense. A manutenção das células foi realizada em frascos cônicos de 250 ml, com 50 ml de meio de cultura f1/2 (Guillard, 1975), mantidos em câmera de germinação sob condições controladas de temperatura (20 o C), com fotoperíodo de 12 horas claro e 12 horas escuro, proporcionado por lâmpada fluorescente tipo luz do dia. 2.2 Fotobiorreator e Condições de Cultivo Os cultivos foram realizados em fotobiorreatores de placa do tipo airlift, confeccionados em acrílico, com volume útil de 2,2 L, providos de camisa de aquecimento/resfriamento interna conectadas a banhos térmicos. Os reatores foram projetados e caracterizados pelo próprio grupo de pesquisa e a Figura 1 mostra a sua imagem 3D (Kochem, 2010). A aeração foi realizada com vazão de 0,5 L.min -1 de ar comprimido filtrado com membrana de 0,22 µm (Midisart 2000 / Sartorius Stedim Biotech) utilizando-se duas pedras porosas conectadas em mangueiras inseridas pelo topo dos reatores até o fundo dos mesmos. As vazões de ar foram controladas utilizando rotâmetros (Dwyer). Para realizar a limpeza/assepsia dos reatores, os mesmos foram totalmente preenchidos com água e 10 ml de solução comercial de hipoclorito de sódio (2,5%). Após 15 minutos foram adicionados 2,5 ml de solução de tiossulfato de sódio 250 g.l -1 para realizar a neutralização do cloro. Depois de 2 horas, esta solução foi descartada e os reatores foram preenchidos com 2 litros de meio de cultivo estéril (Andersen, 2005). Oito fotobiorreatores foram distribuídos em duas prateleiras contendo lâmpadas eletrônicas de (12 13 W, luz branca, Tashibra) cada. Cada prateleira foi dividida em duas partes por suportes de madeira, sendo que em cada parte foi ajustada a distância dos fotobiorreatores ao painel bem como a quantidade de lâmpadas que deveria ser ligada para promover as intensidades luminosas médias de 2.200, , e Lux. Os cultivos foram feitos em duplicata, ou seja, para cada iluminação foram utilizados dois fotobiorreatores. A iluminação durante os cultivos ocorreu durante 24 horas. Para inocular cada reator, uma alíquota de 10 ml de algas do banco de algas foi

3 inoculada em 100 ml de meio de cultivo estéril em frasco cônico de 500 ml, que foram colocados em incubadora com agitação orbital com temperatura controlada de 30ºC e iluminação permanente através de uma lâmpada eletrônica de 30 Watts, correspondente a uma intensidade luminosa de aproximadamente Lux. Após sete dias, mais 100 ml de meio de cultivo estéril foram adicionados. Depois de outros sete dias, os pré-inóculos foram considerados prontos para ser utilizados. 2.3 Acompanhamento do Crescimento Figura 1. Imagem 3D do corte seccional do fotobiorreator. A temperatura dos cultivos foi medida através de termômetros e a intensidade luminosa foi monitorada através de luxímetro digital (MS6610 / Akso). O ph foi medido através de fita indicadora de ph (Alkalit / Merck), que mede na faixa de 7,5 a 14. O crescimento das algas foi monitorado através de medida de densidade ótica da cultura a 570 nm (Lourenço, 2006) com espectrofotômetro Amersham Biosciences modelo Ultrospec 3100 pro e relacionada com biomassa (X) por medida de peso-seco (g/l) conforme mostrado na Figura 2 e Equação 1: 1 X ( g. L ) 0,304. OD570 nm (1)

4 Figura 2. Relação de biomassa em g.l -1 e densidade ótica a 570 nm. 2.4 Análise de Lipídeos Totais e Cálculo da Taxa de Absorção de Gás Carbônico No final do crescimento, todo o conteúdo dos fotobiorreatores foi centrifugado a fim de separar as algas do meio salino para análises posteriores. As algas centrifugadas foram liofilizadas. A análise de lipídeos totais foi realizada através de equipamento Soxhlet marca Foss modelo Soxtec A taxa de biofixação de carbono foi calculada considerando que a biomassa possui 45% de carbono (Sydney e outros, 2010). 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Todos os cultivos de Chlorella minutissima apresentaram fase exponencial de crescimento entre as horas 20 e 100 de cultivo, independente da iluminação recebida. Os resultados de máxima biomassa obtida e velocidade específica máxima de crescimento, calculada na fase exponencial de crescimento, estão apresentados na Tabela I. Os cultivos que receberam iluminação de Lux atingiram maior biomassa com uma velocidade de crescimento mais elevada, enquanto que os que receberam iluminação de Lux apresentaram os resultados inferiores, tanto de biomassa quanto de velocidade específica de crescimento máxima. Tabela I. Resultados de biomassa e velocidade específica máxima para as iluminações de 2.200, , e Lux. Iluminação (Lux) Biomassa (g.l -1 ) Velocidade Específica Máxima de Crescimento (d -1 ) ,23 0, ,35 0, ,38 0, ,36 0,51 As curvas de crescimento estão apresentadas na Figura 3.A e a taxa de fixação de CO 2 em função do tempo na Figura 3.B. A análise estatística dos dados de biomassa na hora 114 do cultivo, início da fase estacionária, mostrou que a iluminação possui influência significativa na produção de biomassa (p < 0,001). A comparação das médias através do teste Tukey mostrou que os valores de biomassa obtidos com as iluminações de , e Lux não diferem entre si e o valor obtido com iluminação de Lux difere dos demais.

5 Conteúdo lipídico Biomassa (g.l -1 ) Taxa de Absorção de CO 2 (g.m -3.h -1 ) Lux Lux Lux Lux 0,5 0,4 A Lux Lux Lux Lux B 0,3 15 0,2 10 0, Tempo (h) Tempo (h) Figura 3. A. Curvas de crescimento dos cultivos. B. Taxa de absorção de CO 2 em função do tempo. Com relação à taxa de absorção de gás carbônico, os cultivos que receberam iluminação de Lux absorveram em torno de 5 gco 2.m -3.h -1 a partir da hora 48. Os que receberam entre e Lux tiveram perfis semelhantes, iniciando com uma elevação, seguido de um patamar entre as horas 40 e 70, tendo um pico em torno de 96 horas e depois reduzindo, sendo que a iluminação de Lux atingiu a maior taxa de absorção de gás carbônico no patamar, por volta de 16 gco 2.m -3.h -1. O percentual de lipídeos na biomassa está apresentado na Figura 4. Os cultivos que receberam iluminação de Lux produziram mais lipídeos em porcentagem de biomassa do que os que receberam as demais iluminações. Degen e outros (2001) testaram iluminações até Lux em cultivos de Chlorella chegando ao resultado que na intensidade luminosa de Lux ocorre um máximo na velocidade específica de crescimento, equivalente a 0,08 h -1 (1,92 d -1 ), e a partir dessa iluminação ocorre fotoinibição. 12,00% 10,00% 8,00% 6,00% Lux; 7,34% Lux; 6,00% Lux; 10,36% 4,00% 2,00% Lux; 2,06% 0,00% Figura 4. Resultado da análise de lipídeos totais. 4. CONCLUSÕES A intensidade de Lux teve os melhores resultados, atingindo uma biomassa seca de 0,38 g/l com um conteúdo lipídico total de 10,36%. Na fase exponencial do crescimento a velocidade específica de crescimento máxima foi 0,61 h -1 e a taxa de absorção de dióxido de carbono foi 16 gco 2.m -3.h -1.

6 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Andersen, R.A. Algal Culturing Techniques. Editora Elsevier, Inglaterra, Lima, U.A. & Sato, S. Produção de lipídeos por microrganismos. In Biotecnologia Industrial Volume 4. Edgard Blücher Ltda (editora), Brasil, Borges, L.; Farias, B.M.; Odebrecht, C. & Abreu, P. Potencial de absorção de carbono por espécies de microalgas usadas na aqüicultura: primeiros passos para o desenvolvimento de um Mecanismo de Desenvolvimento Limpo. Revista Atlântica, Rio Grande, v. 29, p , Chisti, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, v. 25, p , Guillard, R. L. L. Culture of phytoplankton for feeding marine invertebrates. Plenum Publishing, p , Khan, S.A.; Rashmi; Hussain, M.Z.; Prasad, S. & Banerjee, U.C. Prospects of biodiesel production from microalgae in India. Renewable and Sustainable Energy Reviews, doi: /j.rser , Kochem, L.H. Caracterização de fotobiorreator air-lift para cultivo de microlgas. Trabalho de conclusão do curso de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brasil, Lourenço, S.O. Cultivo de microalgas marinhas: Princípios e Aplicações. RiMa (editora), Brasil, Posten, C. Design principles of photo-bioreactors for cultivation of microalgae. Engineering in Life Sciences, v. 9, p , Sydney, E.B.; Sturm, W.; Carvalho, J.C.; Thomaz-Soccol, V.; Larroche, C.; Pandey, A. & Soccol, C.R. Potential carbon dioxide fixation by industrially important microalgae. Bioresource Technology, v.101, P , Teixeira, C.M.L.L. & Morales, E. Microalga como matéria-prima para a produção de biodiesel. Anais do I Congresso da Rede Brasileira de Tecnologia de Biodiesel, Brasília, Xu, L.; Weathers, P.J.; Xiong, X.R. & Liu, C.Z. Microalgal bioreactors: Challenges and opportunities. Engineering in Life Sciences, v. 9, nº 3, p , Degen, J.; Uebele, A.; Retze, A.; Schmid-Staiger, U. & Trösch, W. A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect. Journal of Biotechnology, v. 92, p , 2001.