SECAGEM DA MICROALGA Aphanothece microscopica
Nägeli EM LEITO DE JORRO
Eduardo JACOB-LOPES* Leila Queiroz ZEPKA* Luiz Antônio de Almeida PINTO** Maria Isabel QUEIROZ***
* Curso de pós-graduação - Engenharia e Ciência de Alimentos - Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG - 96201-900 - Rio Grande - RS - Brasil.
** Laboratório de Operações Unitárias - Departamento de Química - FURG - 96201-900 - Rio Grande - RS - Brasil. *** Laboratório de Biotecnologia - Departamento de Química - FURG - 96201-900 - Rio Grande - Brasil.
RESUMO: A técnica do leito de jorro possui relevante aplicação em operações envolvendo contato entre partículas sólidas e fluidos. Este método vem sendo amplamente utilizado na secagem de pastas e suspensões de produtos alimentícios. Neste sentido, o trabalho teve por objetivo avaliar a secagem da biomassa da microalga Aphanothece microscopica Nägeli em leito de jorro. Através de um planejamento fatorial 23, estudou-se a viabilidade técnica do processo, em função dos fatores: temperatura (80ºC, 90ºC), taxa de circulação acima da velocidade de jorro mínimo (60%, 100%) e vazão de alimentação (200 mL/h, 300 mL/h). As condições de operação foram estabelecidas em função da qualidade final do produto, expressa em termos de umidade, teor de clorofila a e cor expressa em ângulo hue. Os resultados indicaram que os fatores avaliados influenciaram significativamente (p<0,05) as características da biomassa. A condição de secagem definida pelo planejamento experimental refere-se a temperatura de 90ºC, vazão de alimentação de 200 mL/h e taxa de circulação de ar 100% acima da velocidade de jorro mínimo.
PALAVRAS CHAVE: Microalga; proteína unicelular; secagem; clorofila a; cor.
INTRODUÇÃO
As microalgas são consideradas fonte potencial de proteínas devido aos altos teores apresentados, geralmente entre 40-60% em peso seco. O teor protéico associado ao balanço de aminoácidos indicam o alto valor nutricional destas proteínas, que em muitos casos é comparável e até mesmo superior a fontes protéicas convencionais como a carne, ovos e farinha de trigo. A composição bioquímica destes microrganismos também apresenta ácidos graxos com predominância dos insaturados, vitaminas, carboidratos e pigmentos, que viabilizam o seu uso na complementação da dieta alimentar.1,10
O termo proteína unicelular foi definido no Instituto Tecnológico de Massachusetts em 1966, referindo-se à biomassa microbiana como alimento ou aditivo.4 Dentre as vantagens de produção de proteínas unicelulares citam-se a
rápida reprodução dos microrganismos e a utilização de fontes baratas de energia e de nutrientes para a sua multiplicação.17
Uma vez obtidas as proteínas unicelulares através de processos biotecnológicos, uma necessidade refere-se ao desenvolvimento de métodos de preservação destas biomassas, visando sua utilização como fonte de nutrientes. Neste sentido, a operação de secagem é comumente utilizada para prolongar a vida útil de biomassas microbianas, especialmente se a biomassa é produto final. Métodos de secagem têm sido utilizados neste tipo de produto, incluindo spray dryer, liofilizadores, secagem ao sol e secadores convectivos.5,9,16 A secagem em spray dryer é um método adequado para produtos de alto valor agregado, sendo a técnica mais viável em larga escala para a secagem de microalgas. Entretanto, essa técnica pode causar significativas alterações em determinados componentes bioquímicos, como pigmentos e ácidos graxos. A liofilização é outra técnica que vem sendo utilizada para a secagem de biomassas em pesquisas laboratoriais, já que praticamente evita a degradação dos componentes celulares. No entanto, é uma operação demasiadamente cara para o uso em larga escala.15
Segundo Menegalli et al.14 processos de secagem de líquidos e pastas em leito de jorro têm sido reportados como uma alternativa frente à secagem por spray drying, devido à obtenção de produtos com alta qualidade, associadas ao baixo custo operacional. Na secagem em leito de jorro, variáveis relativas à fluidodinâmica do leito, como taxa de circulação de sólidos, velocidade do ar no jorro e vazão de alimentação associadas às características constitutivas do material são de fundamental importância na efetuação dos balanços de massa, energia e quantidade de movimento, influenciando ainda as características do produto final.19
Critérios para a aceitabilidade de produtos desidratados estão fortemente correlacionados com a cor do produto final. Alterações neste atributo durante o processamento térmico é um índice de redução da qualidade.13 As alterações na cor de materiais biológicos é resultado de diversas reações, sendo que a degradação de pigmentos como carotenóides e clorofilas é considerado o mecanismo mais comum de alteração.6
ISSN 0103-4235
Alim. Nutr., Araraquara
A Aphanothece microscopica Nägeli é uma microalga que vem sendo aplicada ao tratamento de efluentes líquidos provenientes de industriais de alimentos, de maneira a associar o tratamento de efluentes com a produção de componentes bioquímicos de interesse industrial como proteínas, carboidratos, pigmentos e ácidos graxos.9,21,22 Desta forma, uma vez associado o tratamento de efluentes à produção de nutrientes, a secagem torna-se uma operação relevante, já que viabilizaria o uso desta biomassa na formulação de alimentos destinado a consumo humano, em rações utilizadas na aquacultura e ainda para a extração de componentes bioquímicos de interesse industrial. Em face disto, o trabalho teve por objetivos avaliar a secagem da Aphanothece microscopica Nägeli em leito de jorro.
MATERIAL E MÉTODOS Produção da biomassa
A Aphanothece (RSMan92) foi cedida pela unidade de pesquisa em cianobactérias/Fundação Universidade Federal do Rio Grande-FURG, RS. As culturas de Aphanothece foram propagadas e mantidas em meio padrão BGN, em câmara de cultivo com luminosidade de 2 klux, temperatura de 30ºC e fotoperíodo de 12h. A biomassa foi produzida em reatores de coluna de bolhas, utilizando como meio de cultura o efluente da parboilização do arroz nas condições de ausência de luminosidade, pH 8,0, razão C/N 50 (ajustada quando necessário com sacarose e sulfato de amônio), temperatura de 30ºC e tempo de detenção hidráulica de 72 h.
Separação da biomassa do efluente
A biomassa foi separada do efluente da parboilização do arroz por centrifugação, conforme indicado por Molina Grimma et al.15
Secagem da biomassa
Os experimentos de secagem foram realizados em um secador de leito de jorro, de geometria cônica, que consiste em uma célula de secagem com 22 cm de diâmetro, 16 cm de altura de leito, base cônica de 60º e capacidade para 860 g de partículas inertes de polietileno (diâmetro de 3,2 mm, esfericidade de 0,70 e densidade de 0,96). A relação diâmetro da célula e diâmetro do orifício de entrada de ar (Dc/Do) é igual a 11,5. O bombeamento da pasta foi realizado através de bomba peristáltica com atomização de duplo fluído a partir de dois bicos de aspersão acoplados a célula de secagem. A separação da biomassa seca foi realizada em um ciclone do tipo Lapple.
Avaliação estatística
A secagem foi realizada a partir de um planejamento fatorial completo 23, onde a viabilidade técnica do processo foi avaliada em dois níveis de variação em função dos fatores:
temperatura (T) (80ºC, 90ºC), taxa de circulação acima da velocidade de jorro mínimo (TC) (60%, 100%) e vazão de alimentação (VA) (200 mL/h, 300 mL/h). As respostas consideradas nos experimentos foram umidade, teor de clorofila a e cor instrumental expressa em termos de ângulo hue.
Para quantificar então as respostas requeridas no planejamento utilizou-se o modelo estatístico indicado por Barros Neto et al.,3 de acordo com a Equação 1:
Avaliação da qualidade do produto
Determinação de umidade
A umidade foi determinada por gravimetria de acordo com procedimento descrito na A.O.A.C.2
Determinação do teor de clorofila a
A concentração de clorofila a foi determinada por espectrofotometria, mediante a extração dos pigmentos em acetona 90% a 5ºC por 24 h e leitura da absorção de luz em 630, 647, 664 e 750 nm de acordo com descrito em Paranhos.18
Determinação de cor
A cor da biomassa foi avaliada a partir das diferentes condições de secagem, utilizando-se um sistema Minolta (CR-300, Minolta Corporation, Ramsey, NJ, USA). A cor foi mensurada utilizando um diagrama tridimensional de cores (L-a-b), onde L indica luminosidade, a indica cromaticidade tendendo do verde (-) até vermelho (+) e b indica a cromaticidade que varia do azul (-) até amarelo (+). Os valores numéricos de a e b foram convertidos no ângulo hue (Equação 2). O ângulo hue é o valor em graus correspondente ao diagrama tridimensional de cores: 0º (vermelho), 90º(amarelo), 180º (verde) e 270º(azul).
Y(X1X2X3)=0+1X1+ 2X2+3X3+12X1X2+13X1X3+23X2X3+ 123X1X2X3+ (X1X2X3) (Equação 1) ) (Equação 1) a b tan H 1 ab (Equação 2) RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Tabela 1 apresenta a matriz do planejamento fatorial para a secagem da biomassa da microalga Aphanothece microscopica Nägeli (94,5% de umidade) em função dos fatores e variáveis resposta avaliados. Verifica-se a partir da análise da tabela a variabilidade dos parâmetros avaliados em função dos fatores de estudo.
Os resultados dos efeitos e interações entre os fatores temperatura, vazão de alimentação e taxa de circulação para as variáveis resposta umidade, teor de clorofila a e ângulo hue, bem como os coeficientes do modelo estão registrados na Tabela 2.
Experimento Temperatura Vazão alimentação Taxa circulação Umidade (%) Clorofila a ( g/g) Ângulo hue (º) 1 -1 -1 -1 10,7 418,9 117,6 2 -1 +1 -1 13,2 389,3 122,1 3 +1 +1 -1 11,6 366,3 127,8 4 -1 +1 +1 9,40 455,4 121,1 5 -1 -1 +1 10,0 453,0 121,9 6 +1 -1 -1 7,32 448,5 122,2 7 +1 +1 +1 8,92 453,5 122,7 8 +1 -1 +1 8,30 629,1 123,7 9* -1 -1 -1 10,8 419,0 117,5 10* -1 +1 -1 12,9 390,0 122,0 11* +1 +1 -1 11,0 366,0 128,0 12* -1 +1 +1 8,35 455,5 121,1 13* -1 -1 +1 10,1 452,9 122,0 14* +1 -1 -1 7,30 448,0 122,2 15* +1 +1 +1 8,90 453,0 122,7 16* +1 -1 +1 8,40 628,5 123,0
Tabela 1 - Matriz randomizada do planejamento fatorial completo 23 na forma codificada.
Temperatura: 80ºC (-1), 90ºC (+1); vazão alimentação 200mL/h (-1), 300 mL/h (+1); taxa de circulação 60%(-1), 100% (+1) * réplicas dos experimentos.
Fatores Efeitos Erro padrão t(9) p Coeficientes modelo Erro padrão coeficientes -95% +95% Umidade Média 9,82 0,07 132,40 0,0000 9,82 0,07 9,65 9,99 (1) T -1,71 0,14 -11,55 0,0000 -0,85 0,07 -1,02 -0,68 (2) VA 1,41 0,14 9,56 0,0000 0,70 0,07 0,54 0,87 (3) TC -1,55 0,14 -10,49 0,0000 -0,77 0,07 -0,94 -0,61 1×2 0,85 0,14 5,77 0,0002 0,42 0,07 0,26 0,59 1×3 0,88 0,14 5,94 0,0002 0,44 0,07 0,27 0,60 2×3 -1,72 0,14 -11,63 0,0000 -0,86 0,07 -1,03 -0,69 Clorofila a Média 451,68 5,21 86,54 0,00000 451,68 5,21 439,87 463,48 (1) T 44,86 10,43 4,29 0,00199 22,43 5,21 10,62 34,23 (2) VA -71,11 10,43 -6,81 0,00007 -35,55 5,21 -47,36 -23,74 (3) TC 91,86 10,43 8,80 0,00001 45,93 5,21 34,12 57,73 1×2 -57,71 10,43 -5,52 0,00036 -28,85 5,21 -40,66 -17,04 1×3 41,96 10,43 4,01 0,00301 20,98 5,21 9,17 32,78 2×3 -15,41 10,43 -1,47 0,17391 -7,70 5,21 -19,51 4,10 Ângulo hue Média 122,35 0,06 2016,72 0,0000 122,35 0,06 122,21 122,48 (1) T 3,37 0,12 27,81 0,0000 1,68 0,06 1,55 1,82 (2) VA 2,17 0,12 17,92 0,0000 1,08 0,06 0,95 1,22 (3) TC -0,15 0,12 -1,23 0,24 -0,07 0,06 -0,21 0,06 1×2 0,35 0,12 2,88 0,01 0,17 0,06 0,03 0,31 1×3 -1,87 0,12 -15,45 0,0000 -0,93 0,06 -1,07 -0,80 2×3 -2,92 0,12 -24,10 0,0000 -1,46 0,06 -1,59 -1,32 Tabela 2 - Resultado dos efeitos e interações entre os fatores para as variáveis resposta.
Observa-se que as variáveis taxa de circulação, temperatura e vazão de alimentação, bem como a interação entre os fatores, influenciam significativamente (p<0,05) na umidade final da biomassa. Fatores como temperatura do ar, taxa de circulação e vazão de alimentação afetam a taxa de secagem neste tipo de processo, já que estão relacionados à taxa de evaporação de água. 12,19 Segundo Reyes & Massarani 23 e Menegali et al.14 a vazão de alimentação é um dos mais importantes parâmetros na operação de secadores leito de jorro, já que determina a capacidade de secagem do
equipamento. Experimentalmente este é considerado o fator de maior restrição da capacidade deste tipo de secador. O aumento significativo deste parâmetro implica no acúmulo de material no leito e conseqüentemente colapso do jorro. Estes autores relatam ainda que a vazão de alimentação possui direta relação com a umidade final do produto, já que a capacidade de alimentação está relacionada com a taxa de evaporação de água.
Em relação à variável teor de clorofila a, observa-se que os fatores avaliados exercem influência no conteúdo
pigmentar da biomassa, sendo que as interações temperatura × vazão de alimentação e temperatura × taxa de circulação exercem importante influência neste parâmetro. Pont et al. 20 reportam que fatores como temperatura do ar, taxa de circulação e vazão de alimentação associados às características da suspensão ou pasta são determinantes nas características do produto final.
A influência dos fatores operacionais do secador em função dos parâmetros de cor, expressos em termos de ângulo hue indicam que os fatores temperatura, vazão de alimentação, bem como as interações temperatura × taxa de circulação e vazão de alimentação × taxa de circulação apresentam forte influência na cor da biomassa seca em leito de jorro.
A partir dos coeficientes dos modelos obtidos estatisticamente (Tabela 2), podemos definir os modelos empíricos para descrever a variação da umidade, teor de clorofila a e ângulo hue através da operação de secagem em leito de jorro em função das variáveis e níveis avaliados:
As condições de operação do secador, em função das variáveis analisadas são determinadas a partir da análise dos cubos de resposta, que apresentam os resultados do modelo estatístico para cada parâmetro de qualidade avaliado. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam os resultados dos modelos estatísticos através dos diagramas de resposta para os parâmetros de qualidade avaliados.
Verifica-se que a faixa de umidade utilizada comercialmente para a biomassa de proteínas unicelulares obtidas a partir de microalgas ocorre nas maiores temperaturas, menores taxas de circulação e vazão de alimentação avaliadas. Segundo Decaen & Desmorieux 5 a umidade final da biomassa de microalgas produzida comercialmente está na faixa de 7,0 a 7,5%.
Y(UMIDADE) = 9,82 - 0,85T + 0,70VA - 0,77TC + 0,42T.VA + 0,44T.TC - 086VA.TC
11,30 8,90 7,30 8,35 13,04 8,88 10,75 10,04
FIGURA 1 - Cubo de resposta para a variável umidade.
(Equação 5)
CLOROFILA
Y(HUE) = 122,35 + 1,68T + 1,08VA + 0,17T.VA – 0,93T.TC – 1,46VA.TC
Y(CLOROFILA) = 451,68 + 22,43T – 35,55VA + 45,93TC – 28,85T.VA + 20,98T.TC
Y( ) = 122,35 + 1,68T + 1,08VA + 0,17T.VA – 0,93T.TC – 1,46VA.TC
(Equação 4) 086VA.TC (Equação 3)
(Equação 4)
Em relação às alterações no conteúdo pigmentar, expressas em termos de clorofila a, observa-se que as condições de maior preservação do teor de clorofila a são obtidos em temperaturas de 90ºC, 200 mL/h e taxa de circulação de 100%. A clorofila a é uma importante classe de pigmentos presentes nas microalgas.8 Estes pigmentos são, no entanto, altamente susceptíveis a degradação durante o processamento térmico e estocagem. A conversão de clorofila em feotinina e outros derivados resulta em alterações na coloração verde da biomassa, acarretando em perdas de qualidade do produto.11 Estes resultados tornam-se relevantes, uma vez que de acordo com Sarada et al. 24 condições adequadas de secagem podem minimizar as perdas dos pigmentos nas microalgas. Segundo Teng & Chen, 26 a quantidade de clorofila que pode ser preservada durante o processamento térmico depende principalmente da temperatura e grau do tratamento aplicado.
Os maiores ângulos hue foram obtidos nas condições de 90ºC, 300 mL/h e taxa de circulação de 60%, o que sugere que nesta condição ocorre a maior preservação da cor característica da biomassa, já que ângulos na faixa de 90º a 180º apresentam coloração com tonalidade tendendo a verde.7
350,49 468,60 463,90 613,14 405,30 439,79 403,29 468,60
FIGURA 2 - Cubo de resposta para a variável clorofila a. 127,77 122,82 122,32 123,22 122,17 120,97 117,42 122,07
FIGURA 3 - Cubo de resposta para a variável ângulo hue.
No entanto, a 90ºC, 200mL/h e taxa de circulação de 100%, que corresponde às condições definidas para as variáveis resposta umidade da biomassa e teor de clorofila a apresentam uma reduzida alteração na cor da biomassa, o que sugere que esta condição de secagem é a mais adequada para a secagem da biomassa da Aphanothece microscopica Nägeli nas condições avaliadas. As alterações na cor de matérias primas com elevadas concentrações de clorofila quando submetidas a tratamentos térmicos são atribuídas em grande parte a degradação da molécula da clorofila. Neste sentido, diversos trabalhos vêm utilizando a medida instrumental de cor, expressa em termos de ângulo hue para avaliar as alterações causadas pelo tratamento térmico no produto desidratado. A redução dos valores do ângulo hue correspondem ao decréscimo da tonalidade de cor verde. 25
A validade do modelo estatístico utilizado pode ser verificada na Tabela 3, que apresenta a análise da variância para o ajuste do modelo aos dados da Tabela 1:
A validação dos modelos é verificada a partir da distribuição F bem como aos coeficientes de determinação que sugerem a existência de uma relação linear entre as variáveis.
CONCLUSÃO
A partir dos resultados obtidos, foi possível concluir que a temperatura, taxa de circulação e vazão de alimentação influenciam significativamente ( =0,05) na secagem da biomassa da Aphanothece microscopica Nägeli;
Em condições adequadas de secagem é possível minimizar as perdas de clorofila a da biomassa, e
Fonte Variação Soma Quadrática Graus Liberdade Média quadrática Fcalculado
Umidade Regressão 47,43 6 7,9 90,8a Resíduos 0,79 9 0,087 Falta Ajuste 0,0005 1 0,0051 Erro Puro 0,7905 8 0,098 Total 48,23 15 R2=0,98 Clorofila a Regressão 83348,92 6 13891,65 31,87a Resíduos 3922,62 9 435,84 Falta Ajuste 3921,89 1 3921,89 Erro Puro 0,73 8 0,091 Total 87272,54 15 R2=0,97 Ângulo Hue Regressão 113,35 6 18,89 325,68a Resíduos 0,53 9 0,058 Falta Ajuste 0,25 1 0,25 Erro Puro 0,28 8 0,035 Total 113,88 15 R2=0,99
Tabela 3 - Análise de variância para o ajuste do modelo.
aSignificância estatística ( =5%).
conseqüentemente a manutenção da coloração verde característica da Aphanothece microscopica Nägeli;
A condição de secagem definida pelo planejamento experimental em relação aos parâmetros de qualidade refere-se a temperaturas de 90ºC, vazão de alimentação da biomassa de 200 mL/h e taxa de circulação acima da velocidade de jorro mínimo de 100%;
O secador de leito de jorro demonstrou ser um equipamento adequado para a desidratação deste tipo de matéria prima, visando à obtenção de um produto estável, sem o comprometimento das características de qualidade do produto final.
JACOB-LOPES, E.; ZEPKA, L.Q.; PINTO, L.A.A.; QUEIROZ, M.I. Drying of Aphanothece microscopica Nägeli microalgae in spouted bed. Alim.Nutr., Araraquara, v.17, n.4, p.387-392 , out./dez. 2006.
ABSTRACT: The spouted bed drier technique has relevant application in operations involving contact between solid particles and fluids. This drying method has been largely used in past and suspensions. In this sense, this study aimed to evaluate the drying of biomass of cyanobacteria Aphanothece microscopica Nägeli in spouted bed. Through a factorial design 23, it was studied the technical viability of the process, in function of the following factors: temperature (80ºC and 90ºC), circulation rate above the minimum spout speed (60% and 100%) and feeding flow (200 mL/h and 300 mL/h). The operation conditions were established regarding to the final quality of the product, express in terms
of moisture content, chlorophyll a and color express in Hue angle. The results indicated that influence of factors evaluated (p<0,05) on the characteristics of the biomass. The drying conditions defined by the experimental design refer to the temperature of 90ºC, feeding flow of 200 mL/h and circulation rate 100% above of the minimum spouted bed.
KEYWORDS: Microalgae; single-cell protein; biomass; drying; chlorophyll a; color.
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