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
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.
Laboratório de Cultivo de Algas LCA/UFSC
LCA Banco de Cepas
LCA Cultivo Experimental Cultivo Inicial (até 5,0 L)
LCA Cultivo Experimental PBR (25 L) Photon Systems Instruments, Czech Republic. http://www.psi.cz
LCA Cultivo Intermediário (até 200 L)
LCA Cultivo Massivo (até10.000 L)
LCA Sistema em Cascata ou Rampa ou Laminar (200 L) HAPS Biofilme
LCA Sistema de filtração/tratamento de água (0,2µm)
LCA Separação da Biomassa
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
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 2014/2017 - 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 2014/2016 - Projeto Biodiesel FINEP AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DO PIGMENTO ASTAXANTINA POR MICROALGAS NATIVAS Haematococcus pluvialis (coordenação LCA e SÉSTON Biotecnologia) / CNPq 2013/2015 - 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
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.
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
Produção de microalgas em escala piloto
Estudo da separação da biomassa, da extração de óleos, produção de biodiesel via transesterificação e utilização de coprodutos
Responsabilidades Cultivos experimentais Produção de Biomassa
Avaliação do crescimento microalgal
Culturas de Choricystis minor empregando os meios WC e BBM. Estresse nutricional
Estudos da Expressão gênica
Efeito da qualidade da luz (biomassa e composição bioquímica) Fluorescente T10 40W LED 40W
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.
Sistemas de produção
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 10.000 L Nenhum controle Biomassa = 0,5 g/l (0,4/7 dias) 62,5 t/ha/a FAME 15% = 9,4 t/ha/a
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.
Acumulação dos compostos de interesse - Estresses (nutrientes {N, P}, luminoso, ph etc.) - Cultivo em duas fases
Separação da biomassa Séston Biotecnologia
Separação da biomassa Emprego de floculantes
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
Separação da biomassa Eletro-flotação - Muito eficiente - Rápido - Contaminação da biomassa pelo íon metálico das placas
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
Biomassa
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?
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.
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.
Muito obrigado! roberto.derner@ufsc.br 48 3721 4107 9115 5008 www.lca.ufsc.br