USO DE RESÍDUOS LÍQUIDOS DA INDÚSTRIA SUCROALCOLEIRA PARA O CULTIVO DE MICROALGAS COM POTENCIAL PARA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS

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1 USO DE RESÍDUOS LÍQUIDOS DA INDÚSTRIA SUCROALCOLEIRA PARA O CULTIVO DE MICROALGAS COM POTENCIAL PARA PRODUÇÃO DE BIOCOMBUSTÍVEIS Resumo: O uso excessivo dos combustíveis fósseis faz com que o mundo viva uma dupla crise que é a escassez das fontes de combustíveis fósseis e a degradação ambiental. Dentro desse prisma, destacam-se os biocombustíveis como fontes de energia renováveis e biodegradáveis. As microalgas possuem em sua estrutura celular uma grande quantidade de carboidratos e lipídios, dentre outras substâncias. Não necessitam de terras agricultáveis e podem utilizar águas residuárias e rejeitos industriais como fonte de carbono para seu cultivo. Tornam-se assim, a opção mais atrativa para a produção de biocombustíveis. Diante desse contexto, o presente trabalho teve como intuito avaliar a potencialidade da produção de biocombustível através do cultivo mixotrófico da microalga Chlorella sp, utilizando a vinhaça, rejeito da indústria sucroalcooleira, como fonte de carbono. O meio de cultura Bold s Basal Medium foi suplementado com a vinhaça em diferentes proporções (5%, 10% e 15%). O melhor crescimento da Chlorella sp foi verificado no meio com adição de 5% de vinhaça, onde se verificou uma excelente adaptação das microalgas à nova composição do meio de cultivo obtendo uma densidade celular de 1,25x10 8 cel.ml -1. Os estudos estatísticos mostraram que os resultados obtidos são significativos e que o aumento da concentração de vinhaça no meio de cultivo contribui positivamente para o crescimento celular. Dessa forma, pode-se concluir a viabilidade do cultivo de microalgas por meio da suplementação de resíduos líquidos da indústria sucroalcooleira ao meio de cultura, gerando assim uma nova possibilidade de produção de biocombustíveis. Palavras-chave: Biocombustíveis, microalgas, vinhaça, sustentabilidade USE OF WASTE WATER.SUGARCANE INDUSTRY FOR GROWING MICROALGAE WITH POTENTIAL FOR PRODUCTION OF BIOFUELS Abstract: Excessive use of fossil fuels causes the world to live a double crisis is the shortage of fossil fuels and environmental degradation. Within this perspective, we highlight biofuels as renewable energy and biodegradable. Microalgae have in your cellular structure a large amount.of carbohydrates and lipids, among other substances. Not require arable land and can use wastewater and industrial wastes as carbon source for cultivation. Thus become the most attractive option for the production of biofuels. In this context, the present work aimed to evaluate the potential of biofuel production through mixotrófico cultivation of microalgae Chlorella sp using vinasse, reject the sugarcane industry, as a carbon source. The culture medium Bold 's Basal Medium was supplemented with the stillage in different ratios (5%, 10% and 15%). The best growth of Chlorella sp was observed in medium with addition of 5 % vinasse, where there was an excellent adaptation of microalgae to the new composition of the culture medium obtained a cell density of 1,25x10 8 cel.ml -1 Statistical analysis showed that the results are significant and increasing the concentration of vinasse into the medium positively contributes to cell growth. Thus, we can conclude the feasibility of growing microalgae through supplementation of liquid waste from sugar industry to the culture medium, thus generating a new possibility of producing biofuels. Keywords: Biofuels, microalgae, vinasse, sustainability.

2 1. INTRODUÇÃO O uso excessivo dos combustíveis fósseis pelas indústrias e principalmente pelo setor de transportes faz com que o mundo viva uma dupla crise que é a escassez das fontes de combustíveis fósseis e a degradação ambiental. A preocupação com os efeitos negativos causados ao meio ambiente e com o esgotamento das reservas de combustíveis fósseis faz com que a busca por fontes energéticas alternativas renováveis, biodegradáveis, de produção limpa e que seja de custo competitivo com as atuais fontes de energia existente seja urgente. Atualmente o país que vem se destacando mundialmente na produção de energia limpa e renovável é o Brasil que possui em sua matriz energética 45% de energia renovável, enquanto no mundo este valor não ultrapassa a 14% (BRASIL, 2010). Os biocombustíveis se destacam como fonte de energias renováveis e biodegradáveis por possuírem vantagens ambientais, como a redução das emissões de poluentes, principalmente os gases de efeito estufa responsáveis pelo superaquecimento global. Atualmente, no cenário mundial, as matérias-primas para produção de biocombustíveis são derivadas de culturas terrestres, tais como: soja, milho e cana-de-açúca. O que faz com que os biocombustíveis sejam alvo de muitas críticas devido à enorme área de terras agricultáveis necessárias para sua produção, podendo competir com a produção de alimentos, além de contribuir também com a escassez de água potável e para a destruição das florestas no mundo. As microalgas possuem em sua estrutura celular uma grande quantidade de carboidratos e lipídios, dentre outras substâncias, que podem ser utilizadas como matérias-primas para a produção de biocombustíveis. Não necessitam de terras agricultáveis, por esse motivo não competem com a produção de alimento e podem utilizar águas residuárias e rejeitos industriais como fonte de carbono para seu cultivo, evitando o despejo de tais poluentes em locais inadequados. Tornam-se, dessa forma, a opção mais atrativa para a produção de biocombustíveis. Além do mais, o biodiesel não é a única fonte de energia renovável derivados das microalgas outras fontes energéticas podem ser obtidas como: o metano, bioetanol ou biogás produzido pela digestão anaeróbica da biomassa, biohidrogênio produzido pela lignina celulósica através da fermentação (BOROWITZAKA, 1999; MALCATA, 2011). A microalga em estudo, a Chlorella sp, tem uma imensa importância econômica, não só na produção para aplicação na alimentação humana. Mas, também na geração de bioenergia, tornando-se uma alternativa como fonte de energia renovável (PHUKAN et al., 2011). O cultivo autotrófico é o mais utilizado no cultivo de microalgas, principalmente quando a produção é em larga escala. Mas, várias espécies podem tanto ser cultivadas em processos autotróficos, heterotróficos e mixotróficos. O Nordeste do Brasil por apresentar grandes períodos de estiagem favorece a produção por meio do cultivo autotrófico e mixotrófico. Um resíduo líquido proveniente da produção de energias renováveis que possuem elevado impacto ambiental oriundo das indústrias sucroalcooleiras é a vinhaça, que atualmente está sendo largamente utilizada como fertilizante. No entanto, esse uso, não deve ser indiscriminado, pois pode impactar o meio ambiente, causando efeitos como a salinização do solo e a poluição de aquíferos (PRADO, 2007). Diante desse contexto, o presente trabalho teve como intuito avaliar a potencialidade da produção de biocombustíveis através da utilização de microalgas. Este trabalho estudou a otimização do cultivo mixotrófico da microalga Chlorella sp utilizando a vinhaça, rejeito da indústria sucroalcooleira, como fonte de carbono. Dando assim, destino adequado aos resíduos líquidos oriundos da produção de energias renováveis, evitando possíveis contaminações do solo, e dos corpos d águas. Bem como fornecendo a possibilidade de tornar as indústrias sucroalcoleiras do Nordeste unidades de biorrefinarias incrementando as opções de biomassas na geração de energia com possibilidades de alcançar as metas de produção e consumo de biocombustíveis, em função das limitações das fontes atualmente empregadas para geração de etanol de primeira geração.

3 2. METODOLOGIA 2.1. Microalga Foram utilizadas cepas da espécie de microalga Chlorella sp existentes no Laboratório de Saneamento da UEPB, para o presente estudo. As mesmas foram fornecidas pelo Laboratório de Biotecnologia Alimentar da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e pelo Laboratório de Biologia Marinha da Universidade Federal Fluminense (UFF). A Figura 1 mostra a fotomicrografia das cepas de Chlorella sp utilizadas em todo o estudo Meio de cultura Figura 1. Fotomicrografia da microalga Chlorella sp O meio sintético utilizado para o cultivo da Chlorella sp foi Bold s Basal Medium (BBM). A partir das culturas mantidas em meio sólido, em tubos de ensaios, foram desenvolvidas novas culturas em meio líquido através de repiques de cultivo durante a fase exponencial do crescimento da microalga Aclimatação química e física dos cultivos A vinhaça adicionada ao meio de cultivo como fonte orgânica de carbono passou por um processo de pré-tratamento físico em que decantou por 24 horas e químico no qual teve seu ph, aproximadamente 3.5,corrigido para ph 7 por meio da adição de hidróxido de sódio a 10%. Após decantação e correção do ph a vinhaça foi adicionada ao meio de cultura, nas proporções 5%, 10% e 15%, em Erlenmeyers utilizados como fotobioreatores. Durante o cultivo manteve-se a iluminação proveniente de lâmpadas fluorescentes de 40W, por período integral de 24hs, favorecendo desta forma o desenvolvimento das microalgas através da fonte orgânica e inorgânica de carbono. As condições físicas mantidas foram: temperatura de 26 C± 2, agitação por meio de aeração constante realizada por injeção de ar comprimido e iluminação proveniente de lâmpadas fluorescentes de 40W. A Figura 2 mostra o cepário de desenvolvimento das microalgas com as devidas aclimatações físicas.

4 Figura 2. Aclimatação dos cultivos As diferentes concentrações da vinhaça foram adotadas com intuito de verificar em qual proporção de cultivo a Chlorella sp teria uma melhor adaptação, essa adaptação se verifica a partir do crescimento celular Estudos do crescimento celular da Chlorella sp O crescimento microalgal foi estimado pelo emprego de determinados parâmetros, como a densidade celular e o tempo de cultivo. A densidade celular da biomassa, cultivada em laboratório, foi determinada diariamente através da microscopia óptica com aumento de 400x por contagem de células em câmara de Neubauer e expressa em número de células por mililitro de cultivo (células.ml - 1 ). Esse procedimento foi repetido após 24 horas da inoculação e, para uma melhor compreensão do crescimento da Chlorella sp, a contagem diária das células foi realizada em triplicata para o estudo de 5% de vinhaça e em duplicata para o estudos de 10% e 15% de vinhaça. Com isso, foram elaborados gráficos que representam as curvas de crescimento da espécie em estudo, nos quais, plotou-se no eixo da ordenada o número de células.ml -1 e no eixo da abscissa o tempo de cultivo em dia. Em todos os experimentos foram mantidas as mesmas aclimatações físicas e químicas, variando apenas a concentração da fonte orgânica. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Curvas de Crescimento Santos et al, (2010), estudaram o crescimento da Chlorella vulgaris em meio de cultura Conway modificado com fotoperíodo de 12 horas em fotobioreatores de vidro de 250mL com intensidade luminosa de 4000lux, obtiveram a densidade máxima celular no oitavo dia cultivo de 2,5 x 10 7 cel.ml -1. Porém, estes autores alcançaram resultados melhores quando trabalharam com fotoperíodo integral atingindo o número máximo de células no nono dia de cultivo com um valor de 9,43 x10 7 cel.ml -1. No estudo apresentado, na Figura 3, observa-se o crescimento da Chlorella sp em meio de cultivo BBM contendo 5% de vinhaça. Verifica-se que o cultivo teve uma ótima taxa de crescimento, atingindo, como média das três contagens, uma densidade celular de 1,25 x 10 8 cel.ml -1 em um tempo de cultivo de 7 dias, e no oitavo dia apresentou declínio que pode ter ocorrido pela escassez de nutrientes devido o consumo acelerado por sua alta população.

5 Figura 3. Curva de crescimento da Chlorella sp com adição de 5% de vinhaça. A Figura 4 apresenta a curva de crescimento da Chlorella sp na qual foi efetuado o cultivo com adição de 10% de vinhaça ao meio de cultura em fotobioreator. Apresenta uma rápida fase log durante apenas 3 dias, uma fase estacionária com 5 dias de duração, onde não se verifica grande s alterações na densidade celular. O número máximo de células atingidas, em média, foi de 1,24 x 10 8 cel.ml -1 que se deu no sétimo dia de cultivo e um mínimo de 4,67x10 7 cel.ml -1 no nono dia de cultivo, já apresentando sua fase de declínio. Figura 4. Curva de crescimento da Chlorella sp com adição de 10% de vinhaça. A curva de crescimento da Chlorella sp, em meio BBM adicionado de 15% de vinhaça é apresentada na Figura 5. De acordo com o estudo as microalgas não apresentaram uma boa taxa de crescimento, pois não ultrapassarão a população de 10 7 cel.ml -1. O ponto máximo de crescimento ocorreu no sexto dia com 6,94x10 7 cel.ml -1 a partir do nono dia houve um declínio no número de células, chegando a uma população de 3,56x10 7 cel.ml -1 no décimo dia de cultivo.

6 Figura 5. Curva de crescimento da Chlorella sp com adição de 15% de vinhaça. Desta forma, conclui-se que a vinhaça apresenta características para o desenvolvimento das microalgas em estudo e que houve condições de obter o cultivo mixotrófico com a vinhaça devido à presença de sua carga orgânica e alta produção celular. 3.2 Modelo matemático A Equação 1 representa o modelo matemático reduzido e codificado proposto para analisar a máxima concentração de biomassa em função dos parâmetros tempo e concentração de vinhaça. z 1,616 7,833 x 0,643 y 0, 0266 xy (1) A partir da Equação 1 gerou se o gráfico de superfície resposta, mostrado na Figura 6, o qual representa a concentração da biomassa, representada pelos eixo z, em função das variáveis tempo, eixo x, e concentração de vinhaça, eixo y.

7 Figura 6. Superfície de resposta para o modelo de concentração de biomassa O estudo apresentado na Figura 6 mostra que, para os 3 primeiros dias de cultivo, o experimento que apresentou uma maior densidade celular foi o cultivo da Cholrella em BBM adicionado de 15% de vinhaça, com 3,60x10 7 cel.ml -1, por outro lado o experimento com 5% de vinhaça apresentou menor valor de densidade celular com 1,87x10 7 cel.ml Análise estatística O crescimento da Chlorella sp em meio de cultura BBM suplementado com a adição de vinhaça, nas proporções de 5%,10% e 15%, foi avaliado estatisticamente através do gráfico de Pareto, apresentado na Figura 7. (1)Tempo (dias) 16,78609 (2)Vinhaça (%) 7, by2, p=,05 Figura 7. Diagrama de Pareto da máxima concentração de biomassa utilizando a vinhaça como fonte orgânica de carbono.

8 Pode ser observado através do diagrama de Pareto mostrado na Figura 7 que o tempo de cultivo assim como a suplementação com a vinhaça são significantes, com uma significância de 16,78609 e 7, respectivamente. A análise apresentou 96,783% de confiabilidade. Portanto, contribuíram positivamente para o aumento da biomassa. Verifica-se que para os menores valores de concentrações de vinhaça no cultivo obtém-se maior densidade celular, mas o aumento da proporção de vinhaça não prejudica a produção de biomassa, podendo assim, ser utilizada para a produção de biocombustíveis evitando que seja mais um fator de degradação ambiental. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Através do estudo para o desenvolvimento da microalga Chlorella sp por meio do uso da vinhaça, rejeito líquido indústria sucroalcoleira visando a obtenção de biocombustíveis, pode-se concluir: O cultivo mixotrófico da microalga Chlorella sp em meio de cultura suplementado por vinhaça apresentou excelente crescimento celular alcançando a densidade celular de 1,24 x 10 8 cel.ml -1 em 7 dias de cultivo. A proporção de vinhaça que obteve melhor crescimento foi com a suplementação de 5%, onde se verificou uma excelente adaptação das células a nova composição do meio de cultivo. O cultivo que apresentou a maior concentração máxima de biomassa nos 3 primeiros dias de cultivo foi com a proporção de 15% de vinhaça. Através dos estudos estatísticos verifica-se que o uso da vinhaça é significativo estatisticamente e contribui positivamente para o aumento da concentração de biomassa. Para os menores valores de concentrações de vinhaça, no cultivo, obtém-se maior densidade celular, porém o aumento da proporção de vinhaça não prejudica a produção de biomassa, podendo assim, ser utilizada para a produção de biocombustíveis evitando que seja mais um fator de degradação ambiental. 5. REFERÊNCIAS BOROWITZKA, M.A. Products from microalgae. Infofish International, v.5, p , BRASIL, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EMBRAPA, Informação tecnólogica plano nacional de agroenergia , 114p, MALCATA, X.F.; GUEDES, A.C.; AMARO, H.M. Advances and perspectives in using microalgae to produce biodiesel, Applied Energy, v. 88, p , PHUKAN, M.M.; CHUTIA, S.R.; KONWAR, K.B.; KATAKI, R. Microalgae Chlorella as a potential bio-energy feedstock, Applied Energy, 2011.

9 PRADO, T. G. F. Externalidades no ciclo produtivo da cana-de-açúcar com ênfase na geração de energia elétrica, Dissertação (Mestrado Programa Interunidades de Pós-Graduação em Energia) p.254, Universidade de São Paulo, São Paulo, SANTOS, L.B.G.; CALAZANS, N.K.F.; MARINHO, Y.F.; SANTOS, A.P.F.; NASCIMENTO, R.DM.; VASCONCELOS, R.F.L.; MACÊDO, D.M.; GALVEZ, A.O. Influência do fotoperíodo no crescimento da Chlorella vulgaris (Chlorophyceae) visando produção de biodiesel. p.3, 2010