Pesquisas para o cultivo de microalgas na UFSC
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- Joana Freire Pereira
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1 Pesquisas para o cultivo de microalgas na UFSC Roberto Bianchini Derner Laboratório de Cultivo de Algas LCA Departamento de Aquicultura Centro de Ciências Agrárias Universidade Federal de Santa Catarina
2 Cultivo de Microalgas Alimentação animal aquicultura, ração, suplementos Compostos bioativos pigmentos, ácidos graxos, carboidratos, proteínas, vitaminas etc. Alimentação humana complemento dietético Agricultura biofertilizantes, defensivos Materiais (bioplásticos, papel) Pigmentos aditivos alimentares e cosméticos Ácidos graxos poli-insaturados) usos terapêuticos, alimentos funcionais Tratamento de efluentes líquidos e gasosos (ficorremediação, biofixação de C)? Produção de energia/biocombustíveis biodiesel, bioquerosene, bioetanol, biobutanol, biogás, biohidrogênio etc.
3 Laboratório de Cultivo de Algas LCA/UFSC
4 LCA Banco de Cepas
5 LCA Cultivo Experimental Cultivo Inicial (até 5,0 L)
6 LCA Cultivo Experimental PBR (25 L) Photon Systems Instruments, Czech Republic.
7 LCA Cultivo Intermediário (até 200 L)
8 LCA Cultivo Massivo (até L)
9 LCA Sistema em Cascata ou Rampa ou Laminar (200 L) HAPS Biofilme
10 LCA Sistema de filtração/tratamento de água (0,2µm)
11 LCA Separação da Biomassa
12 PESQUISAS DO LCA SISTEMAS DE CULTIVO - produção de biomassa Abertos/fechados (PBR), autotrófico/heterotrófico, batelada/semicontínuo/contínuo CONDIÇÕES AMBIENTAIS - Estresses visando à biossíntese dos compostos de interesse Lipídios (FAME/biodiesel) Pigmentos (alimentos, cosméticos etc.) Carboidratos (bioetanol) Iluminação Irradiância/passo óptico Razão superfície iluminada/volume da cultura LED (efeitos no crescimento e biossíntese de biocompostos) CO 2 Dissolução no meio (KLa) Concentrações/pulsos Nutrientes Meios de cultura Efluentes Aquicultura ETE SEPARAÇÃO/SECAGEM DA BIOMASSA Coagulantes/Floculantes comerciais Eletroflotação, DAF Estufa/liofilizador/biomassa úmida CUSTOS DE PRODUÇÃO: ACV
13 Projetos em desenvolvimento Coordenação LCA: PRODUÇÃO DE BIOMASSA DE MICROALGAS EM ESCALA PILOTO PARA A OBTENÇÃO DE BIODIESEL (coordenação LCA, colaboradoras: UFSC/LAFIC, Universidade Federal de São Carlos e Universidade Federal de Goiás) / CNPq 2014/ Projeto Biodiesel CNPq PESQUISA DE DESENVOLVIMENTO E INOVAÇÃO EM TECNOLOGIA PARA A PRODUÇÃO E USO DE BIODIESEIS DERIVADOS DE ÓLEOS DE MICROALGAS (coordenação LCA, colaboradoras: UFSC/LAFIC, Universidade Federal de São Carlos e Universidade Federal de Goiás) / FINEP 2014/ Projeto Biodiesel FINEP AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DO PIGMENTO ASTAXANTINA POR MICROALGAS NATIVAS Haematococcus pluvialis (coordenação LCA e SÉSTON Biotecnologia) / CNPq 2013/ Projeto Astaxantina FORTALECIMENTO E AMPLIAÇÃO DAS AÇÕES DO LCA/UFSC NA PRODUÇÃO DE BIOMASSA E BIOPRODUTOS A PARTIR DE MICROALGAS: MELHORIA DA INFRAESTRUTURA DE P, D & I E APOIO AO PROJETO DA REDE MICROALGAS PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL (coordenação LCA, Descentralização MCTI 2015/2017) - Projeto Biodiesel MCTI
14 Projetos em desenvolvimento LCA colaborador (responsabilidade): PRODUÇÃO DE BIODIESEL E DE BIOPRODUTOS DE INTERESSE FARMACOLÓGICO E TECNOLÓGICO A PARTIR DE BIOMASSA ÚMIDA DE MICROALGAS (coordenação FURG) / CNPq 2014/2017 PROSPECÇÃO DE MICROALGAS EXTREMÓFILAS PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL E COPRODUTOS DE ALTO VALOR AGREGADO (coordenação UFG) CNPq 2014/2017 BIO(NANO)REFINARIAS DE MICROALGAS - REDE DE PESQUISAS BIOTECNOLÓGICAS DE SUBSTÂNCIAS ANTIOXIDANTES DE ORGANISMOS MARINHOS (Rede SAO-MAR, FURG/UNESP/UFSC) / CNPq 2014/2016 Parcerias UFSC: PPGAQI, PPGCAL, PPGBIOTEC, PPGENQ, PPGFAR e PPGEA. Outras instituições.
15 PESQUISA DE DESENVOLVIMENTO E INOVAÇÃO EM TECNOLOGIA PARA PRODUÇÃO E USO DE BIODIESEIS DERIVADOS DE ÓLEOS DE MICROALGAS - FINEP REDE MICROALGAS PARA A PRODUÇÃO DE BIODIESEL
16 Produção de microalgas em escala piloto
17 Estudo da separação da biomassa, da extração de óleos, produção de biodiesel via transesterificação e utilização de coprodutos
18 Responsabilidades Cultivos experimentais Produção de Biomassa
19 Avaliação do crescimento microalgal
20 Culturas de Choricystis minor empregando os meios WC e BBM. Estresse nutricional
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25 Estudos da Expressão gênica
26 Efeito da qualidade da luz (biomassa e composição bioquímica) Fluorescente T10 40W LED 40W
27 Emprego de efluente de ETE Figura1. Curva de crescimento em densidade celular (A) e em biomassa (B) da microalga C. vulgaris. () CHL + EFLU () CHL + WC ( ) EFLU.
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29 Sistemas de produção
30 Biomassa / produtividade 2 L Condições controladas - assepsia, luz, ph/co2, T Biomassa = 1,8 g/l (1,5/7 dias) 234 t/ha/a FAME 15% = 35 t/ha/a 150 L Condições controladas - assepsia, luz, ph/co2, T Biomassa = 1,0 g/l (0,8/7 dias) 125 t/ha/a FAME 15% = 18,8 t/ha/a L Nenhum controle Biomassa = 0,5 g/l (0,4/7 dias) 62,5 t/ha/a FAME 15% = 9,4 t/ha/a
31 Produção em escala comercial Aplicações Sistemas abertos tanques (98% dos cultivos comerciais, Benemann, 2008) - Alimento para peixes, camarões e moluscos - Alguns produtos de elevado valor comercial - P&D: obtenção de biomassa p/ biodiesel (e co-produtos) Sistemas fechados - Exclusivamente para produtos de elevado valor comercial - Cultivo intermediário (p/ inocular os tanques/abertos) Fermentadores produtos de elevado valor comercial Biorrefinarias emprego simultâneo de sistemas abertos e fechados em cultivos autotróficos, heterotróficos e mixotróficos.
32 Acumulação dos compostos de interesse - Estresses (nutrientes {N, P}, luminoso, ph etc.) - Cultivo em duas fases
33 Separação da biomassa Séston Biotecnologia
34 Separação da biomassa Emprego de floculantes
35 Separação da biomassa Coagulação Floculação Sedimentação Filtração (telas) - Baixo custo de material/elevado custo operacional (mão de obra) - Baixa eficiência -perda de biomassa a cada etapa do processo - Demorado pode causar alteração na composição bioquímica da biomassa e contaminação bacteriana (odor) - Floculantes específicos funcionam somente para algumas espécies e em condições próprias - Dificulta o reuso do meio de cultura - Interfere na extração dos lipídios e de outros compostos de interesse - Pode comprometer o uso da torta
36 Separação da biomassa Eletro-flotação - Muito eficiente - Rápido - Contaminação da biomassa pelo íon metálico das placas
37 Separação da biomassa Centrifugação - Método muito eficiente - Biomassa com baixo teor de água (até 75% de umidade, evita o gasto de energia na secagem) - Facilita a extração da fração lipídica e dos outros constituintes da biomassa - A torta pode ser utilizada - Permite o reuso do meio de cultura - Elevado custo de implantação e elevado gasto energético
38 Biomassa
39 Apesar da comprovada eficiência das microalgas para a produção de biocombustíveis, seu uso industrial para este fim ainda deve ser matéria de muitas pesquisas. Ainda não existe um pacote tecnológico para a produção de biocombustíveis a partir da biomassa de microalgas (DERNER, 2011). Gargalos Tecnológicos Desafios e Oportunidades?
40 Desafios e Oportunidades para o desenvolvimento de Biorrefinarias - microalgas - Selecionar espécies nativas que cresçam bem em diversas condições ambientais e para o cultivo em situações específicas (meios de cultura, ph, temperatura etc.); - Desenvolver sistemas de produção em larga escala visando alcançar elevada produtividade nos cultivos (descartar a extrapolação dos dados), equacionando problemas relacionados à contaminação das culturas e buscando a viabilidade econômica - coprocessos; - Meios de cultura de menor custo (tratamento de efluentes) - Biofixação temporária do CO 2 - créditos de carbono? - Determinar as condições (estresse ambiental) que favoreçam a acumulação de lipídios e de outros compostos com valor comercial. Manipulação genética? - Desenvolver aplicações diversas para os compostos que podem ser extraídos da biomassa de microalgas coprodutos.
41 Desafios e Oportunidades - Desenvolver e/ou aprimorar metodologias de separação da biomassa em larga escala (filtração, centrifugação, floculação, flotação etc.); - Desenvolver ou aprimorar metodologias de extração da fração lipídica e de síntese de biodiesel a partir desta matriz (matéria-prima); - Desenvolver e/ou aprimorar metodologias de síntese de outros biocombustíveis/energia (bioetanol, bioquerosene etc.). Sustentabilidade - Considerar os aspectos econômicos desafio: produzir biomassa numa escala milhares de vezes maior com um custo centenas de vezes mais baixo; - Considerar os aspectos ambientais - consumo, reutilização e tratamento da água empregada nos cultivos, emprego de espécies geneticamente modificadas etc.; - Considerar os aspectos sociais geração de emprego e renda.
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44 Muito obrigado!
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