UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO
PROGRAMA REGIONAL DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO E MEIO AMBIENTE/PRODEMA
MICROALGAS - AGENTES NATURAIS NO PROCESSO DE
FLOCULAÇÃO E CONHECIMENTO DE ALUNOS SOBRE
SEU USO
ARIOCNOLOGIA VEGETAL COMO ALTER PARA A COTONICULTURA FAMILIAR SUS
ELAINE CRISTINA RODRIGUES DO NASCIMENTO
2019 Natal – RN
Elaine Cristina Rodrigues do Nascimento
MICROALGAS - AGENTES NATURAIS NO PROCESSO DE
FLOCULAÇÃO E CONHECIMENTO DE ALUNOS SOBRE
SEU USO
A BIOTECNOLOGIA VEGETAL COMO ALTERNATIVA PARA A COTONICULTURA FAMILIAR SUSTENTÁVEL
A BIOTECNOLOGIA VEGETAL COMO ALTERNATIVA PARA A COTONICULTURA FAMILIAR SUSTENTÁVEL A BIOTECNOLOGIA VEGETAL COMO ALTER PARA A COTONICULTURA FAMILIAR SUSTENTÁVELAAA
Dissertação apresentada ao Programa Regional de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PRODEMA/UFRN), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre.
Orientadora: Prof
a.Dr
a. Juliana Espada Lichston
2019 Natal – RN
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede Nascimento, Elaine Cristina Rodrigues do.
Microalgas: agentes naturais no processo de floculação e conhecimento de alunos sobre seu uso / Elaine Cristina Rodrigues do Nascimento. - 2019.
61f.: il.
Dissertação (Mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Biociências, Programa Regional de Pós-Graduação em Desenvolvimento e Meio Ambiente, Natal, 2019.
Orientadora: Dra. Juliana Espada Lichston.
1. Biopolímeros - Dissertação. 2. Scenedemus sp - Dissertação. 3. Semiárido - Dissertação. I. Lichston, Juliana Espada. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 574
AGRADECIMENTOS
À minha orientadora, Profª Drª Juliana Espada Lichston, pessoa sem a qual não conseguiria ter concluído essa dissertação. Muito obrigado por toda a paciência, ao tempo dedicado e ensinamentos.
À Universidade Federal do Rio Grande do Norte/UFRN e ao Centro de Tecnologia em Aquicultura (CTA Extremoz) pelo acolhimento e estrutura física a mim concedida.
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte e ao Prof. Dr. André Calado por me ceder gentilmente o jar test.
Ao Sérgio Ricardo e José Anchieta por me ajudarem tão gentilmente ao longo do cultivo das microalgas.
À Allyne Eufrásio por me auxiliar nos ensaios de floculação.
À Mariana Ramos por me auxiliar na coleta e identificação dos cactos.
À Deus por toda sabedoria e coragem a mim concedida para superar os momentos difíceis.
À minha família, em especial aos meus pais Ednalva Rodrigues e Marcos Dantas, por sempre estarem ao meu lado e me apoiarem de todas as formas.
Ao José Roberto pela atenção, apoio e compreensão nos momentos bons e ruins dessa minha jornada.
Aos amigos que me acompanham há muito tempo, em especial, Anderson, Allyne, Mariana e Adlany por todo o carinho, compreensão e amor.
RESUMO
Microalgas - Agentes naturais no processo de floculação e conhecimento de alunos sobre seu uso
O semiárido brasileiro tem um grande potencial para produção de biomassa, principalmente originada das microalgas que são microorganismos fotossintetizantes eucariontes ou procariontes. Esses seres se mostram estratégicos pelo potencial ecológico e econômico. Ao final do cultivo, as microalgas necessitam ser concentradas e separadas do meio de cultura, esta fase é problemática e requer altos custos. A floculação é um método de separação com baixo custo e consiste na neutralização das cargas negativas presentes na superfície da célula da microalga por meio da utilização de um agente. Os floculantes mais usados são compostos por sais de alumínio e ferro, porém essas substâncias são tóxicas, não biodegradáveis. Como alternativa podem ser utilizados os floculantes naturais à base de plantas. Outro aspecto importante é o conhecimento sobre as potencialidades das microalgas em regiões semiáridas. No município de Apodi, o IFRN oferece o curso técnico em Biocombustíveis e a oportunidade de formar profissionais que, além das culturas energéticas já amplamente difundidas, visualizem novas opções para o setor energético do semiárido. Dessa forma, os objetivos desse trabalho são avaliar a floculação da microalga Scenedemus sp. sob a influência da concentração do floculante e variação do pH, como também analisar o conhecimento de estudantes do IFRN no campus Apodi/RN sobre microalgas e seu enfoque no setor energético. Para isso, a microalga da espécie Scenedesmus sp. foi cultivada em raceways no Centro de Tecnologia em Aqüicultura, localizado no município de Extremoz/RN. Para os ensaios de floculação foram utilizados a solução e o pó de Moringa oleífera em cinco concentrações e em pH ácido, neutro e básico. Para avaliar o conhecimento de estudantes do IFRN sobre microalgas foram aplicados questionários com perguntas semi-estruturadas (n= 86). No que diz respeito à floculação, a partir da análise dos dados, constatou-se que a solução e o pó de moringa apresentaram alta eficiência na floculação. Os melhores resultados foram encontrados para a solução de moringa no qual, obteve-se 93 % de eficiência com uma concentração de 0,2 g/L. Observa-se também que fatores como o pH e concentração interferiram no processo. Em relação ao conhecimento dos estudantes, constatou-se que 44 % dos alunos ouviram falar a respeito de microalgas, mas apresentavam conhecimento superficial sobre o tema. Concluiu-se que seria importante que esse tema fosse abordado nas disciplinas iniciais assim como a cultura de outras matrizes vegetais energéticas e que os estudantes necessitam ampliar seus conhecimentos sobre toda a gama de produtos e benefícios que as microalgas podem gerar, além do biodiesel.
ABSTRACT
Microalgae - natural agents in the flocculation process and students' knowledge about its use
The Brazilian semiarid has great potential for biomass production, mainly originated from microalgae that are microorganisms photosynthetic or eukaryotic prokaryotes. These beings are strategic for the ecological and economic potential. At the end of the cultivation, the microalgae need to be concentrated and separated from the culture medium, this phase is problematic and requires high costs. Flocculation is a low cost separation method and consists of neutralizing the negative charges present on the surface of the microalgae cell through the use of an agent. The most used flocculants are composed of aluminum and iron salts, but these substances are toxic, not biodegradable. Alternatively, natural plant-based flocculants may be used. Another important aspect is the knowledge about the potential of microalgae in semi-arid regions. In the municipality of Apodi, the IFRN offers the technical course on Biofuels and the opportunity to train professionals who, in addition to the widely disseminated energy crops, envisage new options for the semiarid energy sector. Thus, the objectives of this work are to evaluate the flocculation of the microalga Scenedemus sp. under the influence of flocculant concentration and pH variation, as well as to analyze the knowledge of IFRN students at the Apodi / RN campus on microalgae and its focus on the energy sector. For this, the microalga of the species Scenedesmus sp. was cultivated in raceways at the Aquaculture Technology Center, located in the municipality of Extremoz / RN. For the flocculation assays, Moringa oleífera solution and powder were used in five concentrations and acid, neutral and basic pH. To evaluate the knowledge of IFRN students on microalgae, questionnaires were applied with semi-structured questions (n = 86). With regard to flocculation, from the analysis of the data, it was verified that the moringa solution and powder presented high flocculation efficiency. The best results were found for the moringa solution in which 93 % efficiency was obtained at a concentration of 0.2 g / L. It is also observed that factors such as pH and concentration interfered in the process. Regarding the knowledge of the students, it was verified that 44 % of the students heard about microalgae, but presented superficial knowledge on the subject. It was concluded that it would be important for this topic to be addressed in the initial disciplines as well as the culture of other energy plant matrices and that students need to expand their knowledge about the whole range of products and benefits that microalgae can generate besides biodiesel.
LISTA DE FIGURAS INTRODUÇÃO GERAL E METODOLOGIA GERAL
Figura 1 – Microalgas: em (a) cultivo de microalgas em raceway e em (b) células da
microalga Scenedesmus sp... 15
Figura 2 – Esquema apresentando a biorremediação através do uso de microalgas... 17
Figura 3 – Estrutura de cultivo vertical: fotobiorretator tubular... 20
Figura 4 – Mapa da região semiárida brasileira... 21
Figura 5 – Biomassa separada do meio ao final do cultivo... 23
Figura 6 – Exemplar de Moringa oleífera Lam... 26
Figura 7 – Ensaios de floculação utilizando o jar test... 27
Figura 8 – Delineamento experimental demonstrando as variações de concentração e pH utilizadas para moringa em pó e solução... 28
CAPITULO 1 Figura 1 – Valores da eficiência da floculação em % em função da variação de concentração (C1 = 0,2 g.L-1, C2 = 0,5 g.L-1, C3 = 0,8 g.L-1, C4 = 1 g.L-1, C5 = 2 g.L -1 ) e pH para a solução de moringa... 34
Figura 2 - Valores da eficiência da floculação em % em função da variação de concentração (C1 = 0,2 g.L-1, C2 = 0,5 g.L-1, C3 = 0,8 g.L-1, C4 = 1 g.L-1, C5 = 2 g.L -1 ) e pH para o pó de moringa... 36
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Dados estatísticos contendo as diferenças significativas dos tratamentos
LISTA DE QUADROS
CAPÍTULO 2
Quadro 1: Principais categorias de resposta dos estudantes do IFRN sobre o conceito
de microalgas... 45
Quadro 2: Principais categorias do uso de microalgas atribuidas pelos alunos do IFRN
de Apodi/RN... 47
Quadro 3: Motivações da viabilidade do cultivo de microalgas na região de Apodi
segundo estudantes do IFRN... 48
Quadro 4: Percepções da sustentabilidade do uso dos biocombustíveis no meio
ambiente para 10 anos... 50
Quadro 5: Papel do governo na sustentabilidade do uso dos biocombustíveis no meio
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO GERAL E REVISÃO DA LITERATURA... 13
1.1. Aspectos sobre natureza e desenvolvimento... 13
1.2. Usos ambientais e econômicos das microalgas... 14
1.3. Potencialidades do semiárido para produção de biomassa algal... 20
1.3.1. Município de Apodi como produtor de microalgas... 22
1.4. Processos de recuperação de biomassa... 23
1.4.1. Floculação... 24
1.4.2. Moringa como agente floculante... 25
2. METODOLOGIA GERAL... 26
2.1. Condições de cultivo das microalgas... 26
2.2. Obtenção dos agentes floculantes... 27
2.3. Ensaios em jar test... 27
2.4. Avaliação do conhecimento de alunos do Curso Técnico de Nível Médio em Biocombustíveis sobre microalgas... 28
2.5. Análises dos dados... 29
CAPÍTULO 1 – EFEITO DA FLOCULAÇÃO DE MICROALGAS SOB VARIAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO, pH E FORMA DO FLOCULANTE... 30
RESUMO... ABSTRACT... INTRODUÇÃO... MATERIAL E MÉTODOS... RESULTADOS E DISCUSSÃO... CONCLUSÕES... LITERATURA CITADA... 30 30 31 32 33 38 38 CAPÍTULO 2 - MICROALGAS COMO UMA MATRIZ PARA BIODIESEL NA PERSPECTIVA DE ESTUDANTES DO SEMIÁRIDO ... 41
RESUMO... 41 ABSTRACT... 41 INTRODUÇÃO... 41 METODOLOGIA... 43 RESULTADOS E DISCUSSÃO... 44 CONSIDERAÇÕES FINAIS... 52 REFERÊNCIAS... 52
CONCLUSÕES GERAIS... 54 REFERÊNCIAS GERAIS... 55 APÊNDICE... 61
1.INTRODUÇÃO GERAL E REVISÃO DA LITERATURA
1.1. Aspectos sobre natureza e desenvolvimento
São vários os problemas ambientais que a população mundial enfrenta atualmente, como diminuição da fertilidade do solo, contaminação da água e liberação de carbono em excesso para atmosfera, causado pela exploração dos recursos naturais (RICKLEFS, 2003). Todas essas complicações ambientais em conjunto com problemáticas sociais e econômicas abriram o debate para o que atualmente é chamado de “desenvolvimento sustentável”. Segundo Jacobi (2010), este conceito aparece para enfrentar a crise ecológica e redefinir a relação humana com a natureza.
O conceito de desenvolvimento sustentável surgiu primeiramente como ecodesenvolvimento nos anos de 1970 e, mesmo ainda sendo objeto de controvérsias, se referia a um desenvolvimento economicamente eficiente, socialmente includente e ecologicamente equilibrado (ROMEIRO, 2012). Desde então, houve vários eventos marcantes cuja finalidade foi debater os rumos do desenvolvimento sustentável. Em 1972 na primeira Conferência das Nações Unidas sobre meio ambiente ocorreu uma ampla discussão baseada nas conclusões do relatório do Clube de Roma no qual afirmava que para evitar o esgotamento dos recursos naturais seria preciso parar o crescimento econômico (ROMEIRO, 2012).
Outro fato foi a publicação do relatório de Brundtland em 1987, ou o chamado Nosso Futuro Comum, no qual estabelecia que o desenvolvimento sustentável é “aquele que atende as necessidades do presente sem comprometer as necessidades das gerações futuras”. Já em 1992, durante a segunda Conferência das Nações Unidas, no Rio de Janeiro, foram apresentados como pontos fortes a participação de representantes da sociedade civil, ONGs e movimentos sociais, o “Pensar globalmente e agir localmente” foi o slogan mais difundido no evento (OLIVEIRA, 2012). Segundo este autor, apesar do grande debate proporcionado pela Rio 92, não houve uma mudança na forma da apropriação e produção do espaço.
No contexto brasileiro, mesmo após a Eco 92 e a Rio+20, cenários como contaminação da água, desmatamento, má gestão dos resíduos e descontrole no crescimento dos centros urbanos ainda continuam (OLIVEIRA, 2012). O desenvolvimento não deve ser mercantilizado, para Leff (2016) a resolução dos problemas ambientais passa por uma quebra de paradigmas, de repensar o mundo, a racionalidade econômica e construir outras maneiras.
Segundo Sachs (2007), aliado a crise econômica, o mundo também passa por uma crise social relativa à falta de oportunidades. Para Sen (2010) o sucesso do desenvolvimento seria a expansão das liberdades humanas, ou seja, retirar tudo aquilo que priva a liberdade
como: pobreza, desnutrição, negligência dos serviços públicos e fornecer a população serviços de educação, saúde, participação na política e oportunidades sociais.
Dentro dessas discussões sobre o meio ambiente e desenvolvimento, a temática energética tem ganhado destaque. De acordo com Sachs (2010) é importante o desenvolvimento de um novo ciclo e discussões sobre os estilos de vida, um futuro no qual as civilizações sejam conduzidas através da captura da energia solar pela fotossíntese. Por meio da exploração do trinômio biodiversidade-biomassa-biotecnologia, seria possível produzir um leque de produtos como alimentos para humanos e animais, adubos verdes, bioenergias, fármacos, cosméticos, materiais para a construção.
Nesse sentindo, os lugares mais privilegiados seriam os países tropicais, pois apresentam maior biodiversidade e climas adequados para a produção de biomassa. No entanto, tudo isso não pode ocorrer sem que haja também ações que visem o melhoramento da crise social, do déficit de empregos, respeitando as limitações ecológicas e sem colocar em perigo a segurança alimentar da população (SACHS, 2010).
1.2. Usos ambientais e econômicos das microalgas
Atualmente, busca-se aliar o crescimento econômico com a proteção ambiental através de estudos e desenvolvimento de alternativas que visam diminuir os impactos ambientais das atividades humanas. A utilização de organismos vivos no combate à degradação, remoção de poluentes e geração de renda vem crescendo nos últimos anos. Neste contexto estão inseridas, por exemplo, as microalgas (Figura 1), este termo geral, sem valor taxonômico, se aplica a microorganismos fotossintetizantes eucariontes ou procariontes (cianobactérias) (GONÇALVES et al., 2017).
Segundo Chisti (2007), as microalgas são uns dos seres mais antigos do planeta, estão presentes nos ambientes marinhos e dulcícolas e apresentam um papel significativo, pois, historicamente foram os primeiros organismos capazes de realizar fotossíntese, sendo de grande importância para a composição da atmosfera atual. Esses microorganismos utilizam a água, CO2 e nutrientes (formas nitrogenadas e fosfatadas, por exemplo) para ganho de biomassa (polissacarídeos, proteínas, lipídios e hidrocarbonetos) (RAJA et al., 2008), sendo também responsáveis por mais da metade da atividade fotossintética do planeta (SIMÕES et al., 2016).
Figura 1 – Microalgas: em (a) cultivo de microalgas em raceway e em (b) células da microalga
Scenedesmus sp.
Fonte: A autora (2019).
Do ponto de vista filogenético esses organismos podem ser procarióticos (cianobactérias) ou eucarióticos e em termos evolutivos podem ser recentes ou antigas (OLAIZOLA, 2003). Sob a ótica taxonômica, as microalgas têm sido categorizadas de acordo com sua pigmentação, ciclo de vida e estrutura celular. As principais classes de microalgas termos de abundancia são: Bacillariophyceae (diatomáceas), Chlorophyceae (algas verdes), Chrysophyceae (algas douradas) e Cyanophyceae (cianobactérias) (DEMIRBAS, 2010).
Segundo Franceschini et al. (2009) as algas são pouco conhecidas pelo público em geral e por parte de alguns biólogos há apenas uma vaga noção do que sejam esses organismos. Por se mostrarem versáteis, as microalgas têm sido estudadas devido ao seu potencial ecológico e econômico (ANTELO et al., 2010).
Do ponto de vista ecológico, as microalgas são seres capazes de biorremediar efluentes. Estes são subprodutos provenientes principalmente de atividades domésticas, industriais, da agricultura ou aquicultura. Caracterizam- se por apresentar alta demanda por oxigênio, materiais orgânicos, agentes patogênicos, alta carga de nutrientes (geralmente nitrogênio e fósforo) e outros produtos químicos, como metais pesados (DINIZ et al., 2017; GONÇALVES et al., 2017; SONUNE & GHATE, 2004). Esse tipo de contaminante quando em contato com corpos hídricos pode causar diversos danos ambientais, inclusive a eutrofização (DINIZ et al., 2017).
Uma das alternativas para o tratamento desses efluentes é a ficorremediação, que se trata da utilização de macro e microalgas para remoção ou biotransformação de contaminantes. Estudos a respeito da aplicação de microalgas para o tratamento de águas residuais vêm sido realizados desde os anos de 1960, quando Oswald utilizou estes microrganismos para o tratamento de efluentes municipais. (OLGUÍN, 2003).
De fato, vários estudos demonstram que as microalgas são eficazes no tratamento de águas residuais. Diniz et al. (2017) usaram cinco espécies de microalgas (Scenedesmus sp1, Scenedesmus sp2, Desmodesmus sp., Chlorella sp1 e Chlorella sp2) em efluentes municipais e observaram que em quatro dias de cultivo estes organismos foram capazes de reduzir o nitrogênio amoniacal e o fosfato em cerca de 60 % e 90 %, respectivamente. Com atenção especial para Scenedesmus sp2 que apresentou uma eficiência de remoção de 70,9 % de N amoniacal e 96, 3 % de fosfato.
Por sua vez, Shen et al. (2017), utilizaram Chlorella vulgaris em efluentes originados da suinocultura e observaram que a alga foi capaz de remover 99,95 % de amônia, 96,05 % do nitrogênio total e 99,83 % do fósforo total. Já Escapa et al. (2017), utilizaram duas espécies de microalgas (Chlorella vulgaris e Tetradesmus obliquus) para avaliar a remoção de dois fármacos, o paracetamol e ácido salicílico da água. Foi possível observar que Tetradesmus obliquus e Chlorella vulgaris conseguiram remover o paracetamol em cerca de 40 % e 21 %, respectivamente, já para o ácido salicílico a redução foi de 93 % para Tetradesmus obliquus e 25 % para Chlorella vulgaris.
As microalgas também possuem a capacidade de bioacumulação de metais. Kastanek et al. (2018) testaram três espécies de microalgas (Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus e Desmodesmus quadricauda) em efluentes contendo rubídio e lítio e observaram que a Chlorella vulgaris foi capaz de bioacumular 54 % da quantidade original de rubídio presente no meio de cultivo, em quatro dias.
Em relação a metais pesados, já existem estudos que comprovam a capacidade de absorção desses componentes pelas microalgas. Dal Magro et al. (2011) utilizaram Spirulina patensis em efluentes contendo cromo e verificaram que a microalga foi capaz de absorver 40 % a 60 % desse metal. Já Aneja et al. (2010) observaram que Spirulina sp. foi capaz de reduzir os níveis de chumbo e zinco em 82 % e 90 %, respectivamente.
Além da biorremediação de efluentes aquáticos, as microalgas também possuem a capacidade de fixar gás carbônico atmosférico. Geralmente as duas principais formas de tratar as emissões de CO2 são por reações químicas e mitigação biológica. O tratamento por reação química apresenta algumas desvantagens, pois, consomem energia, usam processos caros e apresentam dificuldades para o descarte dos produtos da reação. Porém a mitigação biológica tem ganhado atenção nos últimos anos por ser mais barato, eficiente e apresentar ganho de biomassa durante o processo (PULZ e GROSS, 2004; WANG et al., 2008).
Os gases de escape industriais contêm cerca de 15 % de gás carbônico e este composto é uma fonte primordial para o cultivo de microalgas. Essas algas conseguem captar o dióxido de carbono da atmosfera, de gases provenientes de atividades industriais e carbonatos
dissolvidos no meio de cultivo (WANG et al., 2008). Segundo Li et al. (2008) estes microrganismos conseguem fixar o gás carbônico com uma eficiência de 10 a 50 vezes maior do que as plantas terrestres.
Dessa forma, a biorremediação de CO2 com uso de microalgas pode ser economicamente viável e ambientalmente sustentável, principalmente quando combinado a outros processos, como a ficorremediação de efluentes (WANG et al., 2008) (Figura 2). De acordo com Singh e Ahluwalia (2013) Scenedesmus obliquus, Botryococcus braunii, Chlorella vulgaris e Nannochloropsis oculata são as espécies de microalgas mais promissoras para o sequestro de carbono e produção de biomassa.
Figura 2 – Esquema apresentando a biorremediação através do uso de microalgas
Fonte: A autora (2019).
Jiang et al. (2011) observaram que Nannochloropsis sp apresentou um crescimento significativamente maior quando houve incremento de 15 % de CO2 na aeração. Chiu et al. (2011) utilizaram Chlorella sp. para tratamento de gases provenientes de usina siderúrgica e observaram que a eficiência média de remoção desses gases foi de 60 % para o CO2, 70 % para NO e 50 % para SO2. Em outro estudo realizado por Kao et al. (2014) foi possível observar que Chlorella sp. apresentou uma eficiência máxima de remoção de CO2 de 25 % proveniente de forno de coque, 40 % de fogão quente e 50 % dos gases de combustão.
Além de possuírem a capacidade de biorremediar efluentes das mais variadas origens, as microalgas podem gerar diversos produtos para os setores: alimentício, farmacêutico, cosmético e biocombustíveis. Estes microorganismos têm sido utilizados para consumo humano e animal desde a antiguidade em países como China e México. Devido a sua composição única possuem um grande potencial na fabricação de produtos alimentícios e corantes, sendo consumidas na forma de cápsulas, comprimidos, líquidos, na composição de molhos, doces e bebidas (VANTHOOR-KOOPMANS et al., 2014; VARFOLOMEEV E WASSERMAN, 2011).
As microalgas são capazes de sintetizar uma gama de produtos para interesse da indústria alimentícia incluindo carboidratos, aminoácidos essenciais, carotenoides, ficobilinas, ácidos graxos poli-insaturados de cadeia longa, ômega 3, ômega 6, ácidos eicosapentaenóico, docosahexaenóico e araquidônico. Além disso, ainda podem ser utilizadas in natura para a alimentação de estágios larvais de crustáceos, moluscos e peixes (MATOS, 2017; VANTHOOR-KOOPMANS et al., 2014; VARFOLOMEEV E WASSERMAN, 2011).
As principais espécies de interesse nutricional utilizadas são Chlorella vulgaris, Dunaliella salina, Isochrysis galbana, Arthrospira platensis. Arthrospira platensis, por exemplo, possui todos os aminoácidos essenciais e cerca de 68 % de sua biomassa é composta por proteínas (SHAH et al., 2018). Já Chlorella vulgaris, é largamente produzida e comercializada como suplemento alimentar na China, Japão, Estados Unidos e Europa, por apresentar amplo espectro de nutrientes, carotenóides, vitaminas e minerais (VANTHOOR-KOOPMANS et al., 2014).
Na aquicultura estes microrganismos desempenham um papel ímpar. Um dos grandes entraves no cultivo de organismos aquáticos é o uso da farinha e óleo de peixe como fonte proteica e lipídica na fabricação de rações. Estes componentes se originam principalmente da pesca industrial que, por sua vez, causa sérios danos ao meio ambiente. Neste contexto, surge a microalga como uma alternativa sustentável para a aquicultura, participando como principal componente da ração (CAMACHO-RODRÍGUEZ et al., 2018).
Maliwat et al. (2017) utilizaram Chlorella vulgaris na dieta do de pós larvas (PL 30) de camarão da espécie Macrobrachium rosenbergii e observaram que houve uma melhora na taxa de crescimento, na resposta imunológica e resistência das larvas a infecções. Já Sarker et al. (2016) testaram três espécies de microalgas (Spirulina sp., Chlorella sp. e Schizochytrium sp.) na ração da tilápia do nilo (Oreochromis niloticus) e verificaram que Spirulina sp. apresentou uma ótima digestibilidade de aminoácidos essenciais. Já Schizochytrium sp. apresentou-se como candidata a substituir o óleo de peixe, pois, mostrou o maior conteúdo de ácidos graxos lipídicos e insaturados.
As microalgas também apresentam especialidades funcionais e terapêuticas, sendo capazes de sintetizar compostos bioativos como mecanismo de proteção usado em situação de estresse. Esses compostos, por sua vez, têm propriedades antimicrobianas, antivirais, anticoagulantes, anti-inflamatórias, antioxidantes (SINGH et al., 2015; YEN et al. 2013).
As microalgas do gênero Chlorella, por exemplo, são capazes de sintetizar o glucano β – 1.3, composto imunoestimulante que combate radicais livres e reduz lipídios no sangue. Além disso, esta microalga também é eficaz no tratamento de úlceras estomacais, cicatrização
de feridas, prevenção de aterosclerose e hipercolesterolemia (VARFOLOMEEV E WASSERMAN, 2011).
Arifin et al. (2017) utilizaram ratos induzidos a câncer de fígado com o objetivo de avaliar o efeito quimiopreventivo de Chlorella vulgaris e observaram que o mecanismo quimiopreventivo desta microalga, que é rica em antioxidantes, acarretou na redução da formação de nódulos neoplásicos. Já Grawish et al. (2010) realizaram um estudo com 80 hamsters e perceberam que o extrato de Spirulina platensis foi capaz de regredir a progressão do câncer bucal nesses indivíduos, bem como melhorou suas características clínicas e histopatológicas.
Em outro experimento, Torres-Duran et al. (2007) utilizaram a suplementação com Spirulina maxima em 36 indivíduos durante o período de seis semanas com uma dosagem de 4,5 gramas/dia para avaliar os lipídios, glicose e pressão arterial. Ao final do estudo, concluíram que a microalga apresentou efeito hipolipêmico, em especial nas concentrações de triacilglicerois e colesterol LDL,como também, redução na pressão arterial sistólica e diastólica.
Outro assunto cada vez mais recorrente nos debates atuais é a produção de energias renováveis, visto que o crescente aumento da população e da demanda energética torna o petróleo uma fonte insustentável (por ser limitado e poluente). Neste cenário surge a energia de biomassa como uma alternativa, pois, ao mesmo tempo em que fornece energia contribui para a diminuição de impactos ambientais.
A produção de biocombustíveis a partir de biomassa pode ser dividida em três gerações. A primeira consiste no uso de cultivos alimentares como, cana de açúcar, soja, milho e outros, tendo como desvantagem a competição pela produção de alimentos. Já na segunda geração está incluída a biomassa proveniente de resíduos da agricultura e cultivos não alimentares. Um dos principais entraves é a dificuldade em extrair o combustível desejado (ELRAYIES, 2018).
As microalgas, por sua vez, estão inseridas na terceira geração, competem com os outros cultivos e apresentam diversas vantagens se comparadas aos vegetais superiores, como: maior produtividade do que a soja e outros cultivos; não competem com a agricultura pelo uso da terra; podem ser cultivadas em solos não aráveis em tanques abertos (raceways) ou em estruturas fechadas (fotobioreatores) (Figura 3), reduzindo assim a quantidade de terra requerida; crescem em uma ampla variedade de condições climáticas e aquáticas (CHEN et al., 2009).
Figura 3 – Estrutura de cultivo vertical: fotobioreator tubular.
Fonte: www.npdeas.ufpr.br
Esses microrganismos são capazes de fornecer matéria-prima para a produção de biodiesel, bioetanol, biometano. Para formação desses compostos é necessário avaliar alguns fatores como condições ambientais, meio de cultivo, espécie de microalga e fase de crescimento. Por exemplo, se o biocombustível desejado é o biodiesel, é importante escolher uma espécie que contenha altas concentrações lipídicas, já se o produto desejado é o bioetanol o ideal seria escolher uma espécie com alto teor de carboidratos (MATA et al., 2010; DICKINSON et al., 2017).
Várias espécies de microalgas podem ser utilizadas na produção de biodiesel. Calixto et al. (2018) pesquisaram sobre a produtividade e teor lipídico de 12 espécies de microalgas nativas da região nordeste do Brasil (Chlorella sp., Scenedesmus acuminatus, Pediastrum tetras, Chlamydomonas sp., Lagerheimia longiseta, Monoraphidium contortum, Sinechocystis sp., Romeria gracilis, Aphanothece sp., Planktothrix isothrix, Synechococcus nidulans) e observaram que a espécie com maior teor lipídico foi Chlmydomonas sp. Já quando analisada a relação entre produtividade de biomassa e propriedades lipídicas as microalgas que se apresentaram como candidatas promissoras foram: Chlorella sp., Chlamydomonas sp., Pediastrum tetras, Scenedesmus acuminatus e Sinechocystis sp.
1.3. Potencialidades do semiárido para produção de biomassa algal
O semiárido brasileiro se distribui amplamente pelos estados Maranhão, Piauí, Ceará, Rio Grande Do Norte, Paraíba, Pernambuco, Alagoas, Sergipe, Bahia e Minas Gerais (Figura 4).
Figura 4 - Mapa da região semiárida brasileira
Fonte: IBGE (2017).
As principais características dessa região são temperaturas elevadas (média de 27 oC), baixa umidade do ar, alta insolação, elevadas taxas de evaporação e a presença do bioma caatinga. Um aspecto marcante é a escassez hídrica resultante principalmente da irregularidade na distribuição de chuvas (250 a 600 mm/ano) no espaço/tempo e longos períodos de estiagem (FERREIRA et al., 2009; BRASIL, 2017).
Neste meio, considerado por muitos “adverso”, estão as condições necessárias para o cultivo de uma importante biomassa, as microalgas. Segundo Chisti (2007), esses microorganismos podem ser cultivados em temperaturas que variam de 20 a 30 oC, além disso, os altos índices de luminosidade dessa região favorecem o crescimento das microalgas, melhorando a produtividade. Dessa forma, se cultivadas em regiões semiáridas as microalgas poderiam apresentar altos rendimentos de biomassa.
De fato, esta não é uma realidade tão distante, no município de Santa Terezinha, localizado no sertão da Paraíba está a Fazenda Tamanduá produtora comercial de spirulina para suplementação humana. Diante de um ambiente com dias longos, alta insolação e poucas chuvas foi possível até mudar a configuração dos tanques de cultivo que tiveram um aumento da profundidade em 50%. Vale salientar também que a produção nacional de spirulina é insuficiente para atender as demandas nacionais, sendo, portanto, necessário a importação deste produto da China (EMBRAPA, 2016).
O Brasil possui cerca de 3,5 mil espécies de algas catalogadas e esses organismos são capazes de gerar diversos produtos para o mercado, tais como: pigmentos, antioxidantes,
betacaroteno, polissacarídeos, triglicerídeos, ácidos graxos, vitaminas e biomassa que podem ser usadas como commodities em diversos setores da indústria (EMBRAPA, 2016; MATA et al., 2010). Além disso, esses microrganismos possuem vantagens em relação às culturas tradicionais, principalmente por apresentar uma produtividade cerca de 10 a 100 vezes maior, possibilidade de ser cultivada em solo não agricultáveis e, dependendo da espécie, utilizar água do mar, doce, salobra ou originadas de efluentes (EMBRAPA, 2016).
Visto as condições ambientais do semiárido brasileiro, como a baixa pluviosidade, altos índices de insolação e solo degradados, é importante se fomentar a produção de biomassa algal nessas regiões. Esta produção não está atrelada a produtividade do solo, necessitando de pequenas extensões de terra, como também poderia impulsionar o desenvolvimento de tecnologias para o reaproveitamento de águas residuais no semiárido.
1.3.1 Município de Apodi como produtor de microalgas
O município de Apodi, situado no Estado do Rio Grande do Norte, pertence ao semiárido nordestino brasileiro e, assim como toda esta região, apresenta condições de secas prolongadas. Segundo Santos et al. (2009) essa condição acompanhada de exclusão social, pobreza e a degradação ambiental, pode acarretar sucessivos movimentos migratórios para cidades com melhor oportunidade.
O cultivo de microalgas no Nordeste brasileiro, além de ser considerado ambientalmente sustentável, pode gerar renda para a mão de obra local. Em Apodi, por exemplo, anualmente, o Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) abre uma turma para o curso técnico em Biocombustíveis. A criação de um curso técnico no IFRN está atrelada às demandas sociais e peculiaridades regionais. Dessa forma, se o curso de biocombustíveis está instalado no município de Apodi/RN é por que esta região possui potencialidades para a produção de biocombustíveis. Sendo assim, é possível observar que esta é uma região estratégica para o estado.
Além de gerar vários produtos de valor agregados, as microalgas vêm ganhando destaque no cenário mundial por produzir também matéria prima diferentes tipos de combustíveis renováveis como o biodiesel, metano, hidrogênio, entre outros. Em especial o biodiesel, pelo alto teor lipídico das células, que pode variar de 1 a 70 % (MATA et al., 2010). Além das culturas já amplamente difundidas como soja, milho e cana-de-açúcar, é importante que esses futuros profissionais também visualizem as microalgas como cultura promissora para esta região. Outra vantagem, do ponto de vista financeiro, é que o processamento das microalgas pode ser feito no mesmo local de cultivo, reduzindo custos de
logística e favorecendo a produção integrada e sequencial (EMPRABA, 2016). Para Sachs (2010) a biomassa pode ser o caminho para a fixação da população no meio rural, desacelerando o êxodo rural, criando oportunidades de emprego e fornecendo uma vida digna a essas pessoas.
1.4. Processos de recuperação de biomassa
Para se ter acesso aos compostos comerciais que a célula microalgal é capaz de fornecer, é necessário que o final do cultivo, as microalgas sejam concentradas e separadas do meio de cultura (Figura 5). Esta coleta consiste na separação de uma pequena quantidade de biomassa, composta por pequenas células individuais contidas em um grande volume de meio de cultura (VANDAMME et al., 2013). Para Milledge e Heaven (2013) esta é uma fase problemática, na qual, requer altos custos acarretando o encarecimento do produto final. Ademais, é uma área que necessita ser estudada, pois, não há um método universal para a coleta de biomassa e esse processo pode envolver diversas técnicas (MATA et al., 2010).
Figura 5 – Biomassa separada do meio ao final do cultivo
Fonte: A autora (2019).
Segundo Gupta et al. (2017) as técnicas de coletas são baseadas no volume do material. Quando o volume a ser recuperado é pequeno os processos de centrifugação e filtração são os mais adequados. Já quando a coleta é realizada em grande escala os processos mais indicados são flotação e floculação.
A centrifugação depende da aplicação da força centrifuga, sendo mais utilizada em laboratórios. Geralmente não se aplica a coletas em larga escala, pois, demanda altos gastos de energia. Neste método não há risco de contaminação da biomassa, porém, as células das microalgas podem ser danificadas pelas altas forças gravitacionais (GUPTA et al., 2017; KIM et al., 2013).
A filtração por membranas, por sua vez, é um método simples e contínuo que não apresenta nenhuma demanda por produtos químicos e possui alta eficiência de separação
(AHMAD et al., 2012; KIM et al., 2013). Porém, o entrave desta técnica é a incrustação do filtro (o que acarreta a redução do fluxo e aumento de custos) e ineficiência para filtração de células menores (GUPTA et al., 2017).
Na flotação são produzidas microbolhas de ar que carreiam as células microalgais até a superfície para posterior coleta. Neste processo podem ser usadas algumas substâncias químicas, como por exemplo, sulfato de alumínio, para aumentar a eficiência da coleta. Este método depende de fatores que incluem o tamanho e superfície da célula (MILLEDGE E HEAVEN, 2013; GUPTA et al., 2017).
A floculação, por fim, diz respeito à neutralização das cargas negativas presentes na superfície da célula da microalga por meio da utilização de um agente. Após a neutralização há a formação de flocos que sedimentam e são retirados do meio de cultivo. É um método simples e barato se comparado às outras técnicas, porém, tem como desvantagem a contaminação da biomassa e/ou da água, a depender do agente químico utilizado (GUPTA et al., 2017).
1.4.1. Floculação
Existem diversas formas de floculação e as abordagens variam desde métodos tradicionais (usados na indústria), até novas técnicas baseadas na biologia das microalgas e uso de tecnologias emergentes. Mas de maneira geral a floculação, depende de uma série de fatores, como o tamanho e a espécie de microalga, natureza química e dosagem do floculante, pH da água, dentre outros (VANDAMME et al., 2013, GUPTA et al., 2017).
De acordo com Roselet et al. (2017) a floculação de microalgas pode ocorrer basicamente de quatro formas: autofloculação, biofloculação, floculação física e floculação química. Na autofloculação a microalga flocula espontaneamente devido ao aumento do pH e interações eletrostáticas entre cátions de cálcio e magnésio que neutralizam as cargas negativas da superfície da célula.
Já a biofloculação refere-se ao uso de bactérias, fungos ou outras microalgas que possuem algumas características como: capacidade de autofloculação, síntese de substâncias capazes de flocular a biomassa, ou ainda carga superficial positiva. Esses organismos podem ser cultivados separados ou combinados ao cultivo da microalga desejada (VANDAMME et al., 2013; DICKINSON et al., 2017).
A floculação física é aquela que compreende o uso de nanopartículas magnéticas ou métodos de eletrocoagulação. As nannopartículas (Fe2O3) são inseridas no meio de cultura, adsorvidas pelas superfícies das células microalgais e por fim separadas do cultivo com o uso
de um imã. Já na eletrocoagulação ocorre a liberação de ions metálicos de um ânion para induzir a floculação (VANDAMME et al., 2013; DICKINSON et al., 2017).
Segundo Gupta et al. (2017) a floculação química consiste no uso substâncias de origem química ou natural. Essas substâncias químicas devem ser preferencialmente catiônicas para neutralizar a superfície negativa da microalga e induzir a formação dos flocos. Os floculantes químicos podem ser classificados em dois grupos: orgânicos e inorgânicos. Os floculantes orgânicos são compostos por polímeros, enquanto os inorgânicos podem ser representados pelos sais de ferro ou alumínio, porém estes últimos compostos são tóxicos e não biodegradáveis (GHEBREMICHAEL et al., 2005). Essas substâncias podem causar diversos danos à saúde humana, afetando o sistema nervoso, a coordenação motora e induzindo a deficiência renal na filtração de metais no sangue.
Já os floculantes naturais ou biopolímeros são principalmente os materiais à base de plantas. Podem ser catiônicos, aniônicos ou não-iônicos, e geralmente são solúveis em água. Um exemplo deste tipo de floculante é a espécie Moringa oleífera que possui em suas sementes proteínas catiônicas capazes de absorver e neutralizar cargas coloidais eletrostáticas das células das microalgas (VANDAMME et al., 2013, GUPTA et al., 2017).
1.4.2. Moringa como agente floculante
Moringa oleífera Lam., conhecida popularmente como moringa, é uma planta nativa da Índia que possui crescimento acelerado e grande resistência, pois é capaz de desenvolver-se em solo pobre e desenvolver-seco (Figura 6). A moringa possui propriedades medicinais, nutricionais e também pode ser usada como fonte de produção de biodiesel (ANWAR et al., 2007). Segundo Ndabigengesere et al. (1995), as propriedades coagulantes da moringa podem ser atribuídas a existência de uma proteína catiônica de alto peso molecular, esta por sua vez, desestrutura as partículas contidas na água e coagula os colóides. Essa proteína corresponde a aproximadamente 40 % da composição da semente de moringa (GALLAO et al., 2006). Por apresentar essa característica coagulante, diversos autores têm relatado o uso da semente de moringa no tratamento de água para consumo humano, floculando sedimentos que estão presentes na coluna d’água (ABALIWANO et al., 2008; ARANTES et al., 2015; JAIRO et al., 2014; GHEBREMICHAEL et al., 2005; JAIRO et al., 2014; PRITCHARD et al., 2010).
Figura 6 – Exemplar de Moringa oleífera Lam.
Fonte: A autora (2019).
Diante do exposto acima, considerando as propriedades da moringa como coagulante natural, esta pesquisa formulou a hipótese de que espécie vegetal será eficiente na floculação de microalgas, contribuindo para a obtenção de biomassa. Destarte, o objetivo desse trabalho é avaliar a floculação da microalga Scenedemus sp. sob a influência da concentração e variação do pH.
Considerando ainda o potencial das microalgas como alternativa energética para o semiárido e a formação de alunos em um curso técnico em Biocombustíveis na região, este trabalho mantém a hipótese de que estes futuros profissionais são conhecedores do potencial energético das microalgas e seus demais usos na economia. Dessa forma, o segundo objetivo é analisar o conhecimento de estudantes do Curso Técnico de Nível Médio em Biocombustíveis do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) no campus Apodi/RN sobre microalgas e seu enfoque no setor energético.
2. METODOLOGIA GERAL
2.1. Condições de cultivo das microalgas
As culturas de Scenedesmus sp. foram disponibilizadas, já identificadas, pelo Centro de Tecnologia em Aqüicultura, localizado no município de Extremoz/RN, onde foram realizados os cultivos no meio BG11 adaptado (RIPPKA, 1979). Este contém nutrientes necessários para o crescimento das microalgas, são eles: ácido cítrico, cloreto férrico, EDTA dissódico , fosfato de monoamônio, solução de metais traço, sulfato de magnésio e uréia.
Durante o cultivo as algas foram submetidas a um fotoperíodo 12:12 h (claro/escuro), luminosidade de aproximadamente 1164 lx e salinidade de 10. Essas microalgas foram cultivadas em raceways e coletadas para o experimento em jar test a uma concentração de 1,1 mg/L. A determinação da biomassa seca foi obtida através da filtragem de alíquotas com 50
mL em filtros GF/F de 47 mm, previamente pesados. Esses filtros foram levados novamente a estufa a uma temperatura de 100 oC e permaneceram por 24 h, quando foram retirados e pesados novamente.
2.2. Obtenção do agente floculante
As sementes de Moringa oleífera foram coletadas na Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), localizada no município de Natal/RN. Após coletadas, as sementes foram conduzidas até o Laboratório de Investigação de Matrizes Vegetais Energéticas (LIMVE-UFRN), onde foram descascadas, trituradas em liquidificador doméstico e colocadas em estufa a 100 oC por 6 h com o intuito de retirar a umidade.
O pó foi peneirado, até a obtenção de uma granulometria de aproximadamente 300 µm, e separado para ser usado desta forma. Já para a obtenção da solução foi pesado 10 g do pó, e em seguida adicionado a 1 L de água destilada, formando desta forma uma solução padrão de concentração 10 g/L (adaptado de NDABIGENGESERE et al., 1995).
2.3. Ensaios em jar test
Os ensaios de floculação e coagulação foram realizados no Laboratório de Pesquisas Ambientais do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) campus central em jar test da marca Marconi, que consiste em um equipamento que fornece diferentes níveis de velocidade. (Figura 7). Foram adicionados 500 ml de microalgas, em cada jarro, para a realização dos ensaios.
Figura 7 – Ensaios de floculação utilizando jar test
Fonte: A autora (2019).
Foram realizados tratamentos em diferentes concentrações: 0,2 g/L, 0,5 g/L, 0,8 g/L, 1 g/L, 2 g/L, para a moringa em pó e solução, além de um controle somente com as microalgas.
C
1
C
3
Todos os testes acontecem em tréplicas. Para cada tratamento e o controle variou-se o pH nos valores de 5, 7 e 9 (Figura 8). O pH desejado foi obtido com a adição de hidróxido de sódio (NaOH) e ácido clorídrico (HCl) a 1 M. Os cultivos foram agitados em 300 rpm por 20 segundos e depois 200 rpm por 10 minutos.
Figura 8 - Delineamento experimental demonstrando as variações de concentração e pH utilizadas para moringa em pó e solução.
Fonte: A Autora (2019)
Em seguida, o equipamento foi desligado e as amostras descansaram por 60 minutos. Posteriormente, alíquotas de 20 ml foram retiradas para a leitura da densidade ótica. Esta determinação foi feita por meio de espectrofotômetro da marca Gehaka UV/Visível – UV 330G, no comprimento de onda de 670 nm.
A partir das leituras de densidade ótica, foi calculada a eficiência da floculação em percentual obtida através da fórmula descrita por Papazi e colaboradores (2010):
No qual, “A” equivale densidade ótica da floculação após a adição do floculante e o “B” refere-se a densidade do controle de cada pH Scenedemus sp.
2.4. Avaliação do conhecimento de alunos do Curso Técnico de Nível Médio em Biocombustíveis sobre microalgas
A caracterização do conhecimento de estudantes do Curso Técnico de Nível Médio em Biocombustíveis foi realizada por meio de questionários aplicados no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) no campus Apodi/RN, no qual os dados foram coletados durante o mês de outubro de 2017. Ao todo participaram da pesquisa 86 alunos, do primeiro ao quarto ano, do curso técnico integrado em biocombustíveis. Os nomes dos alunos foram substituídos por numeração de 1 a 86. Os dados
foram coletados mediante assinatura do Termo de Consentimento Livre e Esclarecido autorizado pela escola e com o assentimento dos jovens, em respeito à Resolução do Conselho Nacional de Saúde CNS/MS Nº 510, DE 07 DE ABRIL DE 2016 – para garantir a livre participação.
O questionário foi estruturado em 6 perguntas de múltipla escolha e discursivas, abordando sobre conceito, uso, vantagens e sustentabilidade no cultivo das microalgas. As perguntas contidas no instrumento abordavam questões introdutórias sobre microalgas, perspectivas futuras de biocombustíveis e sustentabilidade. As respostas das questões discursivas foram trabalhadas na forma de categorias que articularam os resultados.
A escolha do IFRN Apodi se deu por diversos motivos, dentre eles estão: oferta anual de turma para o curso de Biocombustíveis; a suposta inclusão do conteúdo relativo ao ensino de microalgas em algum dos seus componentes curriculares (visto que esses microorganismos podem gerar diversos tipos de combustíveis, principalmente o biodiesel). Além disso, pelo fato do Nordeste brasileiro ter condições ambientais favoráveis ao cultivo de microalgas, e ainda pelo público discente escolhido representar os recursos humanos cuja formação vai se desdobrar no contexto local.
2.5. Análises dos dados
Para as análises estatísticas em relação a concentração de floculante e variação do pH verificou-se inicialmente se os dados apresentavam homocedasticidade e normalidade. Em caso afirmativo foi utilizado o modelo linear generalizado com distribuição gamma, com nível de significância de 0,05. O programa utilizado foi o R-Studio. Os gráficos, cálculos da média e desvio padrão dos dados foram feitos no programa Microsoft Excel 2017.
Em relação os dados do questionário, as questões de múltiplas escolhas foram analisadas quantitativamente, ou seja, através da análise de números e confecção de gráficos e tabelas através do Microsoft Excel 2017. Já para as questões subjetivas, em relação às respostas discursivas, observou-se a análise de conteúdo, que segundo Bardin (2009) refere-se a um compilado de técnicas para análise das comunicações, através de metodologia sistemática e objetiva de descrição do teor das mensagens. Os discursos foram organizados, analisados e aqueles que apresentavam ideias similares foram separados por categorias demonstrando as frequências das temáticas.
CAPÍTULO 1
Efeito da floculação de microalgas sob variação da concentração, pH e forma do floculante
Elaine Cristina Rodrigues do Nascimento, Allyne do Nascimento Eufrásio Silva, Juliana Espada Lichston. ESTE ARTIGO SERÁ SUBMETIDO À REVISTA BRASILEIRA DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E, PORTANTO, ESTÁ FORMATADO DE ACORDO COM AS RECOMENDAÇÕES DESTA REVISTA
(acessar:
http://www.agraria.pro.br/ojs-2.4.6/index.php?journal=agraria&page=article&op=view&path%5B%5D=2513&path%5B%5D=4800).
Resumo
A etapa de recuperação de biomassa de microalgas é problemática e requer altos gastos. A floculação é um método de separação com baixo custo e consiste na neutralização das cargas negativas presentes na superfície da célula da microalga por meio da utilização de um agente. Os floculantes mais usados são compostos por sais de alumínio e ferro, porém essas substâncias são tóxicas, não biodegradáveis. Como alternativa podem ser utilizados os floculantes naturais à base de plantas. Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi avaliar a floculação da microalga Scenedemus sp. sob a influência da concentração, variação do pHe forma do floculante. Para os ensaios de floculação foram utilizados a solução e o pó de Moringa oleífera. A partir da análise dos dados, constatou-se que as formas testadas apresentaram alta eficiência na floculação. Os melhores resultados foram encontrados para a solução de moringa no qual, obteve-se 93 % de eficiência com uma concentração de 0,2 g/L. As maiores eficiências para todos os tratamentos foram em pH básico. Observou-se também que fatores como o pH e concentração de floculante interferiram no processo de floculação. Palavras chave: biomassa, polímeros naturais, Scenedemus sp.
Abstract
The recovery stage of microalgae biomass is problematic and requires high expenses. Flocculation is a low cost separation method and consists of neutralizing the negative charges present on the surface of the microalgae cell through the use of an agent. The most used flocculants are composed of aluminum and iron salts, but these substances are toxic, not biodegradable. Alternatively, natural plant-based flocculants may be used. Thus, the objective of this work was to evaluate the flocculation of the microalga Scenedemus sp. under the influence of concentration, pH variation and flocculant shape. The solution and the Moringa oleífera powder were used for the flocculation assays. From the analysis of the data, it was
verified that the tested forms showed high flocculation efficiency. The best results were found for the moringa solution in which 93 % efficiency was obtained at a concentration of 0.2 g/L. The highest efficiencies for all treatments were at basic pH. It was also observed that factors such as pH and flocculant concentration interfered in the flocculation process.
Keywords: biomass, natural polymers, Scenedemus sp
INTRODUÇÃO
As microalgas são uns dos seres mais antigos do planeta e estão presentes nos ambientes marinhos e dulcícolas (Chisti, 2007). Por se mostrarem versáteis, estes microorganismos fotossintetizantes têm sido estudados pelo seu potencial ecológico e econômico. Para obtenção de biomassa, as microalgas necessitam ser concentradas e separadas do meio de cultura. Esta é uma fase problemática que requer altos custos e acarreta o encarecimento do produto final. Além disso, não há um método universal para a coleta de biomassa e esse processo pode envolver diversas técnicas, muitas vezes baseadas no volume do material (Mata et al., 2010; Gupta et al., 2017; Milledge & Heaven, 2013).
De maneira geral a floculação, depende de uma série de fatores, como o tamanho e a espécie de microalga, natureza química e dosagem do floculante, pH da água, dentre outros fatores (Vandamme et al., 2013, Gupta et al., 2017). A floculação química, segundo Gupta et al. (2017), consiste no uso substâncias de origem química ou natural. Essas substâncias químicas devem ser preferencialmente catiônicas para neutralizar a superfície negativa da microalga e induzir a formação dos flocos. Os floculantes químicos podem ser classificados em dois grupos: orgânicos e inorgânicos.
Os floculantes orgânicos são compostos por polímeros, enquanto os inorgânicos podem ser representados pelos sais de ferro ou alumínio, porém estes últimos compostos são tóxicos e não biodegradáveis (Ghebremichael et al., 2005). Essas substâncias podem causar diversos danos à saúde humana, afetando o sistema nervoso, a coordenação motora e induzindo a deficiência renal na filtração de metais no sangue.
Os floculantes naturais ou biopolímeros são principalmente os materiais à base de plantas. Podem ser catiônicos, aniônicos ou não-iônicos, e geralmente são solúveis em água. Exemplo deste tipo de floculante é Moringa oleífera Lam., conhecida popularmente como moringa, é uma planta nativa da Índia que possui crescimento acelerado e grande resistência, pois é capaz de desenvolver-se em solo pobre e seco (Anwar et al., 2007).
Segundo Ndabigengesere et al. (1995), as propriedades coagulantes da moringa podem ser atribuídas a existência de uma proteína catiônica de alto peso molecular, esta por sua vez, desestrutura as partículas contidas na água e coagula os colóides. Essa proteína corresponde a
aproximadamente 40 % da composição da semente de moringa (Gallão et al., 2006). Por apresentar essa característica de coagulante, diversos autores têm relatado o uso da semente de moringa no tratamento de água para consumo humano, floculando sedimentos que estão presentes na coluna d’água (Abaliwano et al., 2008; Arantes et al., 2015; Jairo et al., 2014; Ghebremichael et al., 2005; Jairo et al., 2014; Pritchard et al., 2010).
Dessa forma, o objetivo desse trabalho foi avaliar a eficiência da moringa na floculação da microalga Scenedemus sp. sob a influência da concentração, variação do pH e forma do floculante.
MATERIAL E MÉTODOS
Condições de cultivo das microalgas
A microalga Scenedesmus sp. foi disponibilizada, já identificada, pelo Centro de Tecnologia em Aqüicultura, localizado no município de Extremoz/RN, onde foram realizados os cultivos. As algas foram cultivadas no meio BG11 adaptado (Rippka, 1979), submetidas a um fotoperíodo 12:12 h (claro/escuro), luminosidade de aproximadamente 1164 lx e salinidade de 10.
Essas microalgas foram cultivadas em raceways e coletadas para o experimento em jar test a uma concentração de 1,1 mg/L. A determinação da biomassa seca foi obtida através da filtragem de alíquotas com 30 mL em filtros GF/F de 47 mm, previamente pesados. Esses filtros, então, foram levados novamente a estufa a uma temperatura de 100 oC e permaneceram por 24 h, quando foram retirados e pesados novamente.
Obtenção dos agentes floculantes
As sementes de moringa foram coletadas na Universidade Federal do Rio Grande do Norte, localizada no município de Natal/RN. Após coletadas, as sementes foram conduzidas até o Laboratório de Investigação de Matrizes Vegetais Energéticas (LIMVE-UFRN), onde foram descascadas, trituradas em liquidificador doméstico e colocadas em estufa a 100 oC por 6 h com o intuito de retirar a umidade. O pó foi peneirado, até a obtenção de uma granulometria de aproximadamente 300 μm, e separado para ser usado desta forma. Para a obtenção da solução foi pesado 10 g do pó, e em seguida adicionado a 1 L de água destilada, formando desta forma uma solução padrão de concentração 10 g/L (adaptado de Ndabigengesere et al., 1995).
Ensaios em jar test
Os ensaios de floculação foram realizados no Laboratório de Pesquisas Ambientais do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFRN) campus central em jar test, que consiste em um equipamento que fornece velocidades variadas. Foram adicionados 500 ml de microalgas, em cada jarro, para a realização dos ensaios.
Foram utilizados a solução de moringa e o pó nas concentrações: 0,2 g.L-1, 0,5 g.L-1, 0,8 g.L-1, 1 g.L-1 e 2 g.L-1. Todos os testes aconteceram em tréplicas. Para cada tratamento foi variado o pH nos valores de 5, 7 e 9, além de um controle somente com as microalgas e a variação de pH. O pH foi obtido com a adição de hidróxido de sódio (NaOH) e ácido clorídrico (HCl) a 1 M.
Em seguida, o equipamento foi desligado e as amostras descansaram por 60 minutos. Posteriormente, alíquotas de 20 ml foram retiradas para a leitura da densidade ótica. Esta determinação foi feita por meio de espectrofotômetro da marca Gehaka UV/Visível – UV 330G, no comprimento de onda de 670 nm.
A partir das leituras de densidade ótica, foi calculada a eficiência da floculação em percentual obtida através da Eq. 1, descrita por Papazi e colaboradores (2010):
(Equação 1)
No qual, “A” equivale densidade ótica da floculação após a adição do floculante e o “B” refere-se a densidade do controle de cada pH de Scenedemus sp.
Para as análises estatísticas em relação a concentração de floculante e variação do pH verificou-se inicialmente se os dados apresentavam homocedasticidade e normalidade. Em caso afirmativo foi utilizado o modelo linear generalizado com distribuição gamma, com nível de significância de 0,05. O programa utilizado foi o R-Studio. Os gráficos, cálculos da média e desvio padrão dos dados foram feitos no programa Microsoft Excel 2017.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
De fato, a moringa na forma de solução e pó mostrou efeito coagulante na floculação da microalga Scenedemus sp. Além disso, os tratamentos apresentaram diferenças significativas com as alterações de pH e concentração (Tabela 1).
Tabela 1 – Dados estatísticos contendo as diferenças significativas dos tratamentos com solução e pó de moringa Fonte de variação Solução de Moringa Pó de Moringa
Concentração < 2.2e-16 < 2.2e-16
pH 2.296e-05 < 2.2e-16
Concentração/pH 0.01701 < 2.2e-16
Fonte: Os autores (2019)
Nos tratamentos com a solução de moringa foi possível observar que houve diferença significativa (p < 0,05) quando foi alterado o pH e a concentração. Todos os resultados de eficiência para a solução de moringa foram considerados satisfatórios, apresentando uma eficiência de floculação superior a 80 % (Figura 1).
Figura 1 – Valores da eficiência da floculação em % em função da variação de concentração (C1 = 0,2 g.L-1, C2 = 0,5 g.L-1,
C3 = 0,8 g.L-1, C4 = 1 g.L-1, C5 = 2 g.L-1) e pH para a solução de moringa
Fonte: Os autores (2019)
Foi possível observar que para todas as faixas de pH os melhores resultados foram obtidos com as menores concentrações de floculante. A maior eficiência de floculação foi obtida na concentração 1 (0,2 g.L-1) com os valores de 89 ± 0,28 %, 92 ± 0,09 % e 93 ± 0,22 % para o meio ácido, neutro e básico, respectivamente.
Analisando as diferentes concentrações para a mesma faixa de pH foi possível observar que no meio ácido a concentração 1 diferiu estatisticamente das demais (p < 0,05) por sua vez, no pH neutro, apesar da maior eficiência ser atribuída a concentração 1, não houveram diferenças significativas entre as concentrações 1, 2 e 3 (p > 0,05). Por fim para o pH básico não houveram diferenças significativas entre as concentrações 1, 2, 3 e 4 (p > 0,05). Dessa forma, foi possível observar que quanto mais ácido o meio, maior a diferença na ação do floculante. 90 87 86 85 82 93 92 92 90 88 93 93 91 91 89 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 C1 C2 C3 C4 C5 Ef iciê n cia (% ) Concentrações pH 5 pH 7 pH 9
Observando as mesmas concentrações para diferentes faixas de pH foi possível perceber que para todas as concentrações apenas aquelas do pH ácido diferiram estatisticamente das demais (p < 0,05). Ou seja, para uma mesma concentração não há diferença significativa na eficiência da floculação quando utilizado um pH neutro ou básico. Porém, apesar disso, o meio ácido apresentou uma eficiência variando entre 82 e 89 %, números considerados satisfatórios.
De maneira geral, nos processos de floculação é necessário considerar a concentração de íons de hidrogênio, pois este fator influenciará na densidade de carga superficial da célula microalgal e na ação do polieletrólito (Tenney et al., 1969). Em pH neutro e básico as algas tendem a possuir uma carga superficial negativa, enquanto em pH ácido ocorre a diminuição da carga superficial negativa da célula. Para os polieletrólitos catiônicos, o aumento de íons de hidrogênio proporciona redução da repulsão eletrostática entre os colóides e melhoria da oportunidade de ligação polimérica, devido a maior extensão das cadeias poliméricas, acarretando assim maior efetividade na floculação (Tenney et al., 1969).
Porém a influência do pH também depende da espécie de microalga. Segundo Roselet et al. (2017) a máxima eficiência de floculação (próxima a 100%), utilizando o tanfloc SG/ SL para as espécies Chlorella vulgaris e Nannochloropsis oculata foi alcançada utilizando diferentes faixas de pH, porém, para o pH 5 a concentração de floculante usado foi cerca de quatro vezes menor. Já Barrado-Moreno et al. (2016) utilizaram Moringa oleífera em Chlorella sp., Microcystis sp., Oocystis sp. e Scenedesmus sp. em ensaios variando o pH entre 5 e 9 e perceberam que este parâmetro não teve influência significativa no processo de floculação.
Perez et al. (2017) também estudaram a influência do pH na floculação de Skeletonema costatum e Chaetoceros gracilis e relataram que houve uma total recuperação de biomassa para essas duas espécies no pH básico (8 a 12), enquanto que no pH ácido essa recuperação foi de apenas 60 %. Neste trabalho ficou evidente que o pHs básico e neutro apresentaram maior eficiência de floculação de Scenedemus sp., provavelmente devido ao aumento na concentração de íons OH-, mas a alta eficiência para o pH ácido também ocorreu podendo ser explicado porque nesta faixa as cadeias poliméricas estão mais estendidas, aumentando a assim a eficiência deste polímero catiônico.
É importante ressaltar a variável pH, no tratamento controle, realizado apenas com as variações deste parâmetro e sem adição de nenhum floculante, foi possível observar que esta espécie de microalga sedimentou boa parte da biomassa, esta propriedade é denominada de autofloculação. Constata-se que para esta espécie o pH é um fator relevante no processo de floculação.
A autofloculação é uma floculação espontânea que ocorre em culturas de microalgas devido a depleção de CO2 ou induzido através da adição de alguma substância alcalina. A autofloculação de células de microalgas em pH básico está ligada a formação de precipitados de cálcio e magnésio, por meio da redução do suprimento de CO2.
Esses precipitados, por sua vez, possuem cargas superficiais positivas e podem induzir a floculação através da neutralização das cargas negativas das superfícies das algas (Vandamme et al., 2013; Mathimani & Mallick, 2018). Outro processo que pode afetar a estabilidade da microalga em suspensão é a dimensão celular e a densidade celular (Hamid et al., 2016). De fato, todos esses fatores afetaram a sedimentação da cultura de Scenedemus sp. visto que essa microalga sedimentou no pH ácido, neutro e básico.
Já em relação ao pó de moringa, este se comportou de forma diferente que a solução em relação ao pH, ou seja, o melhor resultado foi aquele encontrado em pH ácido. Para a variável concentração, novamente, as maiores eficiências estão associadas as menores concentrações. Neste caso,o aumento da concentração ocasionou o aumento da eficiência da floculação, principalmente nas três primeiras concentrações, após isso a eficiência diminuiu.
Os resultados encontrados para a eficiência de floculação foram menores do que os encontrados na solução de moringa (Figura 2), analisando todos os resultados de interações foi possível observar que a eficiência variou de 53 ± 2,03% (concentração 5 do pH 9) até 78 ± 0,32% (concentração 2 do pH 5).
Figura 2 - Valores da eficiência da floculação em % em função da variação de concentração (C1 = 0,2 g.L-1, C2 = 0,5 g.L-1, C3 = 0,8 g.L-1, C4 = 1 g.L-1, C5 = 2 g.L-1) e pH para o pó de moringa.
Fonte: Os autores (2019)
Analisando as diferentes concentrações para a mesma faixa de pH foi possível observar que no meio ácido a concentração 5 diferiu estatisticamente das demais (p < 0,05). Apesar da
74 78 76 73 61 72 75 72 70 66 58 65 71 71 54 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 C1 C2 C3 C4 C5 Ef iciê n cia (% ) Concentrações pH 5 pH 7 pH 9
