O Uso de Algas Verdes Para Produção de Etanol
Rosangela L. Costa, Thamayne V. de Oliveira, Juliana de S. Ferreira, Vicelma L.
Cardoso, Fabiana R. X. Batista
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Química
E-mail para contato: [email protected] (F.R.X. Batista)
RESUMO
Com a demanda energética cada vez maior, fontes alternativas para o fornecimento de energia estão cada vez mais em evidenciadas. É neste contexto que se destacar o bio-etanol, combustível ambientalmente aceito que pode ser produzido de diversas formas, sendo uma delas por meio de biomassa de alga verde. Este trabalho avaliou a produção de etanol a partir da alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii, mantida em foto-período com ciclos de 12h luz e 12h escuro (intensidade luminosa de 30 µE·m-2·s-1), temperatura de 25°C, em meio TAP com supressão de enxofre. Os parâmetros avaliados foram a concentração celular e a suplementação do meio com fontes de carbono mixotróficas. Os resultados mostraram que a C. reinhardtii foi capaz de produzir até 19,26± 0,03g/L de etanol quando cultivada em meio TAP sem enxofre a partir de uma concentração de inóculo de 0,05g/L.
1. INTRODUÇÃO
Atualmente um apelo por combustíveis que desempenhem um papel potencialmente importante na produção de energia limpa tem sido cada vez mais demandado (GIOVANNIS et al., 2013). A produção de bio-etanol em substituição ao combustível fóssil mostra-se uma alternativa viável para garantir um futuro no qual a sustentabilidade é o foco principal. Convencionalmente, a produção deste biocombustível no país tem ocorrido com sucesso por meio de fermentação em biorreatores através do uso de leveduras (ANDRIETTA et al., 2008). Por outro lado, indica-se também o uso de algas verdes, as quais podem apresentar elevada taxa de crescimento e produtividade, bem como efetuar o consumo de sais inorgânicos (NH4+, NO3- e PO4-3), originalmente contaminantes em efluentes industriais (MATA et al., 2010; COSTA, et al., 2015).
Estudos demonstraram que sob condições anaeróbicas, algas verdes e bactérias púrpuras não sulfurosas utilizam vias enzimáticas para a produção de etanol e H2 (KOSOUROV et al., 2003;
PHILIPPS et al., 2011). Em algas verdes como a C. reinhardtii a produção de etanol ocorre a partir do metabolismo do amido acumulado durante a fotossíntese. Nesta rota, por intermédio da PFR1 (piruvato ferrodoxina oxiredutase), o piruvato, oriundo do amido, é clivado em acetilcoenzima A, observando-se também a liberação de dióxido de carbono. A acetil-CoA é convertida em acetaldeído que é ainda reduzido em etanol pela álcool-desidrogenase. Este trabalho sugeriu a produção de etanol extracelular por C. reinhardtii mantida em meio basal TAP suplementado com fontes de carbono mixotrópicas (COSTA et al., 2014 a).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Biomassa de alga
Neste trabalho foi utilizada a alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii CC-124 adquirida do banco canadense Chlamydomonas Resource Center. As algas foram cultivadas em meio basal Tris Acetate Phosphate (TAP), conforme formulação de ANDERSEN (2005). Os subcultivos foram realizados em frascos erlenmeyers de 500mL. Neste processo 250mL de meio TAP fresco contendo enxofre foram adicionados à 250mL de suspensão de algas. Testes preliminares (COSTA et al., 2014b) indicaram que a idade do inóculo de 10d foi a mais adequada para a obtenção das células e sendo assim, os subcultivos para a propagação celular foram executados neste intervalo de tempo. As algas foram incubadas a 22°C, em foto-período de 12h e intensidade luminosa de 25 µE·m-2·s-1.
2.2. Fotofermentação para produção de etanol
Na fotofermentação para a produção de etanol em condições anaeróbias foram utilizados reatores de 50 mL, nos quais gás argônio (99,999%) foi purgado por 3 min. Os inóculos utilizados nos ensaios apresentaram idade de 10d e a fermentação ocorreu durante 5d, sob foto-período de 12h luz e 12h escuro, a 25°C e intensidade luminosa de 30 µE·m-2·s-1.
2.2.1. Chlamydomonas reinhardtii sob supressão de enxofre
A obtenção de etanol ocorreu em meio TAP sem enxofre. Para tal, os sais de sulfato foram substituídos por seus equivalentes em cloreto. As variáveis avaliadas foram a concentração de inóculo (0,05, 0,10 e 0,20 g/L) e a fonte de carbono mixotrófica. Nestes últimos ensaios, além do ácido acético já presente na composição original do meio TAP, foram adicionados de forma individual ou simultânea acetato de sódio e permeado de soro de leite (PSL), rico em lactose, nas concentrações finais de 0,1 ou 1 g/L. O PSL foi disponibilizado pela empresa brasileira Soro Concentrado de Produtos Lácteos Ltda., o qual continha em sua composição lactose (93%), proteínas (1,2%), cinzas (4,6%) entre outros traços de componentes.
2.3. Métodos analíticos
O crescimento das algas foi acompanhado por espectrofotometria (Espectrômetro UVmini-1240, Shimadzu), sendo a densidade óptica utilizada de 665 nm (OD665). A concentração de ácidos
orgânicos e de etanol foi determinada em HPLC (Shimadzu modelo LC-20A proeminência, Supelcogel, coluna C-610H), em que os componentes foram detectados por luz ultravioleta (UV). A temperatura da coluna foi mantida a 32°C e uma solução aquosa de H3PO4 (0,1%) foi usada para a eluição a 0,5 mL/min.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A supressão de enxofre pode levar à produção de dois biocombustíveis, o hidrogênio e o etanol. Isso ocorre porque o metabolismo da alga verde é alterado, inicialmente, com o acúmulo de amido e redução da taxa de fotossíntese e, consequentemente, decréscimo da evolução de O2, uma vez que a atividade do foto-período II (FSII) da alga, no qual ocorre a quebra da água e liberação de O2, é reduzida, enquanto que as taxas de respiração das células mantém-se constantes. Em condição de anaerobiose, o uso da energia solar para a quebra da água resulta na geração de ATP e H2 e converte o amido em CO2, etanol e ácidos fórmico, málico, acético, láctico, propiônico, etc (HIRANO et al., 1997; MUS et al., 2007). Hirano et al. (1997) avaliaram a produção de etanol a partir da fermentação do amido intracelular. As variáveis investigadas foram o pH do meio, concentração de células e diferentes cepas de microalgas. Os autores realizaram uma triagem das algas capazes de acumular elevado teor de amido e com isso sintetizarem o etanol. Os resultados mostraram que a alga verde Chlorella vulgarius apresentou o maior teor de amido (37%), sendo a taxa de conversão deste carboidrato no produto-alvo de 65%. Por outro lado, Mus et al. (2007) monitoraram a formação de metabólicos orgânicos no seu estudo de produção de hidrogênio por algas verdes. Na fermentação no escuro em anoxia, a C. reinhardtii produziu formato, acetato e etanol, sendo em uma razão molar observada de 1:1:0,5.
3.1. Avaliação da concentração celular
A avaliação do efeito da concentração celular (0,05; 0,10 e 0,20g/L) na produção de etanol é mostrada na Tabela 1. Verifica-se que a produção de etanol não parece estar associada ao crescimento da alga. Entretanto, Hirano et al. (1997) observaram que a produção do etanol aumentou proporcionalmente à concentração celular das algas, sendo como principais metabólitos observados o etanol seguido do lactato e acetato.
Tabela 1. Concentração final de células, ácidos orgânicos e etanol obtidos em 5d de fermentação, a partir da variação da concentração de inóculo.
Conc. de inóculo (g/L)
Conc. Celular Final (g/L) Ác. Acético (mmol/L) Ác. Propiônico (mmol/L) Etanol (mmol/L.) 0,05 0,057 ± 0,01 53,70 ± 3,31x10 -3 0,01± 0,08x10-3 417,60± 0,06 0,10 0,175 ± 0,02 30,13 ± 0,74x10-3 0,07± 0,2x10-3 ND(1) 0,20 0,155 ± 0,01 58,82 ± 0,96x10-3 0,09± 0,02x10-3 298,80± 0,05x10-1 (1)
O etanol produzido a partir de uma concentração de inóculo de 0,05g/L atingiu 418 mmol/L (19,3 g/L), observado que a concentração celular final de algas foi cerca de 14% maior do que a inicial. Além do etanol, também foi verificado a presença de ácido acético (53,70 mmol/L) e ácido propiônico (0,01 mmol/L). Outra produção significativa foi verificada a 0,20 g/L de concentração de inóculo, 300 mmol/L (14 g/L). Neste caso, a concentração final de células teve uma redução de 20%. Ácidos orgânicos (acético e propiônico) foram sintetizados nas concentrações finais de 58,8 mmol/L e de 0,09 mmol/L, respectivamente.
3.2. Avaliação das fontes de carbono
Com o intuito de avaliar o efeito da fonte de carbono (acetato de sódio e PSL) na produção de etanol, alguns ensaios univariados foram realizados. Conforme a Tabela 2, as fontes de carbono suplementadas ao meio TAP com supressão de enxofre, quando a 0,1 g/L, apresentaram influência significativa em incrementos da concentração de etanol no meio extracelular, em contraste ao efeito observado para uma concentração maior (1,0 g/L).
Tabela 2. Avaliação do efeito das fontes de carbono (0,10 e 1g/L) na produção de etanol.
TAP (Ensaio) Ác. Acetico
(mmol/L) Ác. Propionico (mmol/L) Ác. Fómico (mmol/L) Etanol (mmol/L) Fontes de Carbono (0,10g/L) Controle(1) 29,86 ± 0,53x10-2 0,02 ± 0,001 ND(2) ND(2) Acetato 36,84 ± 0,45x10-2 0,07 ± 0,002 ND(2) 209,29 ± 4,11x10-2 PSL(3) 50,67 ± 0,38x10-2 0,06 ± 0,01 19,73 ± 0,24x10-3 284,58 ±4,38 x10-2 Acetato + PSL(3) 58,28 ± 0,58x10-2 0,12 ± 0,002 33,46 ± 5,61x10-3 324,44 ± 2,61 x10-2 Fontes de Carbono (1g/L) Controle (1) 31,30 ± 0,58x10-2 0,02 ± 0,01 ND(2) ND(2) Acetato 34,75 ± 0,58x10-2 0,05 ± 0,01 ND(2) ND(2) PSL(3) 31,63 ± 0,43x10-2 0,04 ± 0,00 24,31 ± 2,34 x10-2 ND(2) (1)
Ensaio controle: meio TAP sem enxofre contendo concentração de ácido acético (1,04 g/L) original
(2)
ND - Não detectado
(3) PSL – permeado de soro de leite
Na Tabela 2 verificou-se que a alga em meio TAP sem suplementação adicional de fonte de carbono (ensaio controle) não foi capaz de produzir etanol de forma significativa. Porém adições isoladas de 0,1 g/L de acetato de sódio ou de PSL, bem como adições simultâneas de ambos, resultaram na síntese deste biocombustível. A concentração de etanol atingiu níveis de 209,29 mmol/L (9,64 g/L), 284,58 mmol/L (13,11 g/L) e 324,44 mmol/L (14,94 g/L) na presença de acetato de sódio, PSL e ambos, respectivamente. Observa-se que a suplementação aumentou a produção do produto-alvo, levando em consideração que a concentração de células utilizadas foi de 0,10 g/L. A Tabela 2 ainda demonstrou que o aumento das mesmas fontes de carbono para 1 g/L não incrementou a síntese
de etanol. Outros produtos metabólicos foram identificados como ácido acético, ácido propiônico e ácido fórmico. O ácido fórmico somente foi sintetizado quando adicionado PSL ao meio TAP. Por fim, é importante salientar que os resultados deste trabalho foram úteis para explicitar a potencialidade das algas verdes na síntese de etanol como estratégias de produção alcoólica de terceira geração.
4. CONCLUSÃO
Neste estudo foi avaliado o efeito da concentração e fontes de carbono mixotróficas sob culturas da alga verde C. reinhardtii na produção de etanol. Observou-se que através da fotofermentação obteve-se uma produção máxima de etanol de 324,44 mmol/L (14,94 ±6,95 g/L) utilizando uma concentração celular de 0,10 g/L. Quando empregado somente o meio isento de enxofre (ensaio controle) a maior produção verificada foi de 417,60 mmol/L (19,26 ± 0,03 g/L), utilizando-se uma concentração de células de 0,05 g/L.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à FAPEMIG, CNPQ e CAPES pelo apoio financeiro.
6. REFERÊNCIAS
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