ESTUDO DA CINÉTICA DE CRESCIMENTO DA MICROALGA SCNEDESMUS SP. PARA PRODUÇÃO DE LIPÍDIOS COMO MATÉRIA PRIMA PARA BIODIESEL

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1 ESTUDO DA CINÉTICA DE CRESCIMENTO DA MICROALGA SCNEDESMUS SP. PARA PRODUÇÃO DE LIPÍDIOS COMO MATÉRIA PRIMA PARA BIODIESEL STUDY OF GROWTH KINETICS OF MICROALGAE SCNEDESMUS SP. TO PRODUCE LIPIDS AS FEEDSTOCK FOR BIODIESEL Luiz Alessandro da Silva 1 Henry França Meier 2 Aline Dal COnti Lampert Laux 3 António André Chivanga Barros 4 RESUMO: Como conceito, os biocombustíveis são combustíveis derivados de biomassa que podem ser obtidos por diferentes processos, tais como o craqueamento térmico (bio-óleo, bio-gasolina, biogás), a fermentação (bio-etanol), a esterificação e a transesterificação (Biodiesel). Dentre as várias fontes renováveis, a biomassa é a forma mais comum de energia renovável, pois possui um grande potencial para resolver problemas ambientais. Dentre os biocombustíveis, o biodiesel, pode ser produzido a partir de gorduras animais ou de óleos vegetais. Buscando meios para reduzir o custo de produção do biodiesel, as microalgas surgem como uma oportunidade, devido a ma série de vantagens, como por exemplo, altas taxas fotossintetizantes, alta produção de biomassa e um crescimento mais rápido, se comparado a outras fontes de óleos para a produção de lipídios. Este trabalho teve como objetivo desenvolver um modelo cinético para o crescimento da microalga Scendesmus sp. em fotobiorreator 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, Microalgas, fotobiorreator. ABSTRACT: As concept, the biofulls is combustible derived of biomass that they can be obtained by different processes, such as the thermal pyrolizsis (bio-oil, bio-gasoline, bio-gas), the fermentation (Bio-ethanol ), the esterificação and the transesterificação (Biodiesel). Among the several sources renewed, the biomass is the form more common of energy renovable, because it possesses a great potential to solve environmental problems. Then, of the biofulls, the biodiesel, can be produced starting from animal fats or of vegetable oils. Looking for means to reduce the cost of production of the biodiesel, the microalgae appears as an opportunity, due to ma series of advantages, I eat for example, discharges photosynthesis rates, high biomass production and a faster growth, if compared to other sources of oils for the lipids production. This work had as objective to develop a kinetic model for the growth of the microalgae Scendesmus sp. in fotobiorreactor laboratory a, through a culture of the type Mixotroph, and to propose a mathematical model for studies of amplification of process scale with the proposition of continuous KEY WORDS: Biofuels, Microalgae, Photobioreactor. INTRODUÇÃO 1 Mestre, Engenharia Ambiental - Pesquisador h2all luiz_alessandro@h2all.com.br 2 Doutor, Engenharia Quimica FURB meier@furb.br 3 Mestre, Quimica Pesquisadora h2all alidcl@yahoo.com.br 4 Doutor, Químico Industrial FURB chivanga_barros@furb.br

2 O 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. (Figura 1), escolhida por já apresentar dados descritos, e ser de fácil obtenção (KNIE; LOPES, 2004).

3 (a) (b) Figura 1 - Desenho esquemático (a) e micrografia da microalga Scenedesmus sp (b) ( 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 10 7 cel/ml (HARMEL, 2004). O cultivo foi do tipo 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, (Figura 2) e 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 litros (Figura 3). 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. Figura 2 - Fotografia do aparato experimental para estudos em micro escala.

4 Figura 3 - Fotografia do aparato experimental para estudos em escala de bancada. Assim, acompanhou-se a variação temporal da concentração de células (C M ), medida em termos de células/litro e da própria concentração celular em base seca, a variação temporal da concentração de substrato (C S ), 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., como visto na Tabela 1. Variáveis Valores Temperatura 29,1 a 31,0 C Luminosidade 2500 a 4500 lux Aeração 2,5 a 3,5 L/min ph 6,9 a 8,0 Tabela 1 - Condições adequadas de cultivo da Scenedesmus sp encontradas nos experimentos preliminares em micro-escala.

5 Os dados obtidos com os experimentos foram tabulados e tratados. Para a Concentração celular os resultados médios foram 6,00 x 10 7 Cel/mL, 5,00 x 10 7 Cel/mL e 5,30 x 10 7 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 10 6 cel/ml e um máximo de 5,48 x 10 7 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 R 2 = 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 - k D = 0,0258 h-1. Estes dados resultaram nas propriedades geométricas e operacionais para a ampliação vista no modelo de fotobiorreator contínuo de fluxo empistonado (Figura 4).

6 z = C M L L Total ( g / L ) z = 0 C M 0 z = 0 C M 0 (g / l) (g / l) Dispersores de CO 2 Figura 4 - Desenho esquemático do fotobiorreator contínuo de fluxo empistonado. Este fotobiorreator consiste em canais retangulares montados na forma modular com sistemas de dispersão de CO 2 gasoso ao longo dos canais para promover agitação/aeração e fornecimento de fonte de carbono ao meio de cultivo. CONCLUSÕES O método empregado para o cultivo de microalgas em escala de bancada e para o acompanhamento da concentração de biomassa tanto por técnica de câmara de Neubauer como por espectrofotometria, e de acompanhamento da concentração de substrato por carbono total apresentou-se como uma metodologia adequada, visando o propósito desta dissertação. O trabalho evidenciou um modelo cinético para o cultivo Mixotrófico microalgal com uma concentração constante de substrato, e com a ajuda das equações de Monod, correlacionou-se satisfatoriamente para os dados experimentais, corroborando a possibilidade de sua utilização em estudos de ampliação de escala.

7 Para a ampliação de escala, foi empregado o método matemático, que nesta dissertação, possibilitou o desenvolvimento do projeto de um biorreator contínuo de fluxo, empistonado, em um formato adequado de protótipo industrial, visando estudos futuros para uma consolidação da tecnologia desenvolvida. O cultivo de mixotrófico de microalgas apresentou, nas projeções realizadas com o modelo cinético, um desempenho bastante superior ao cultivo de culturas tradicionais hoje utilizadas, com valores de taxas de produção da ordem de 70 ton. de biomassa seca ha/ano, contra os valores de aproximadamente 3 e 22 ton. há/ano da soja e do cana de açúcar, respectivamente. REFERÊNCIAS CHU, SP. The influence of the mineral composition if the medium on the growth of planktonic algae. (1942) J. Ecol., 30, 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 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., Catalytic conversion of microalgae and vegetable oils to premium gasoline, with shape-selective zeolites. Biomass 21, MINOWA, T., YOKOYAMA, S.Y., KISHIMOTO, M., OKAKURAT, T., Oil production from algal cells of Dunaliella tertiolecta by direct thermochemical liquefaction. Fuel 74, SHELEF, G.; SOEDER, C. J. (eds.) Algae Biomass. Production and Use. Amsterdam: Elsevier/North Holland Biomedical, p