Microalgas como matéria prima para a produção de compostos lipídicos precursores de combustíveis verdes / Microalgae as raw materials for the production of lipid compounds, potential precursors of green fuels

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p.13985-13994 mar. 2020. ISSN 2525-8761

Microalgas como matéria prima para a produção de compostos lipídicos

precursores de combustíveis verdes

Microalgae as raw materials for the production of lipid compounds,

potential precursors of green fuels

DOI:10.34117/bjdv6n3-316

Recebimento dos originais: 04/02/2020 Aceitação para publicação: 20/03/2020

Mailena Silva Dourado

Doutoranda em Engenharia Industrial

Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia – UFBA, Laboratório de Bioenergia e Catálise – LABEC.

Rua Professor Aristides Novis, 2 - Federação, Salvador - BA, 40210-630, Brasil E-mail: mailenadsilva@gmail.com

Camila Cristina Andrade Cardoso

Mestre em Meio Ambiente, Águas e Saneamento

Rua Professor Aristides Novis, 2 - Federação, Salvador - BA, 40210-630, Brasil E-mail: andrade.eng.amb@gmail.com;

Caroline Souza Cabral Calado

Graduanda em Engenharia Química

Rua Professor Aristides Novis, 2 - Federação, Salvador - BA, 40210-630, Brasil E-mail: carolinescalado@gmail.com;

Roger Thomas François Frety Doutor em Catálise e Cinética

Departamento de Físico-Química, Instituto de Química, Universidade Federal da Bahia – UFBA, Laboratório de Bioenergia e Catálise – LABEC.

Rua Professor Aristides Novis, 2 - Federação, Salvador - BA, 40210-630, Brasil E-mail: rfrety@ufba.br

Emerson Andrade Sales

Doutor em Ciências / Engenharia Química

Rua Professor Aristides Novis, 2 - Federação, Salvador - BA, 40210-630, Brasil E-mail: andradesales.emerson@gmail.com

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RESUMO

Microalgas vêm sendo estudadas como fonte de biomassa para produzir biocombustíveis, devido a sua elevada produtividade, elevado teor lipídico e capacidade de crescer em uma grande variedade de climas e espaços sem competir com a produção de alimentos. Este trabalho tem como objetivo a caracterização da biomassa de microalgas das espécies

Halamphora coffeaeformis (Hc), Chlorella vulgaris (Cv) e Nannochloropsis oculatta (No).

Foi realizado o cultivo das três espécies em escala de laboratório, seguido de colheita e secagem. As técnicas de gravimetria, extração por solvente, combustão em alta temperatura com oxigênio purificado e análises termogravimetricas permitiram determinar, respectivamente, a produtividade de biomassa seca durante o cultivo, a fração de lipídeos desta biomassa, o conteúdo de C, H e N da mesma, e os percentuais das análises imediatas (umidade, voláteis, carbono fixo e cinzas). Dentre as três espécies estudadas, a Cv e No possuem maior potencial para a produção de combustíveis verdes, considerando simultaneamente o teor de carbono, a produtividade em biomassa e o conteúdo de lipídeos. O presente estudo confirma a biomassa de microalgas como uma alternativa promissora para a produção de combustivies verdes.

Palavras Chave: Microalgas, matéria prima, caracterização, combustíveis verdes.

ABSTRACT

Microalgae have been studied as a source of biomass to produce biofuels, due to their high productivity, high lipid content and ability to grow in a wide variety of climates and spaces without competing with food production. This work aims to characterize the biomass of microalgae of the species Halamphora coffeaeformis (Hc), Chlorella vulgaris (Cv) and Nannochloropsis oculatta (No). The cultivation of the three species was carried out on a laboratory scale, followed by harvesting and drying. The techniques of gravimetry, solvent extraction, combustion at high temperature with purified oxygen and thermogravimetric analysis allowed to determine, respectively, the productivity of dry biomass during cultivation, the lipid fraction of this biomass, the content of C, H and N of the same , and the percentages of immediate analyzes (moisture, volatiles, fixed carbon and ash). Among the three species studied, Cv and No have greater potential for the production of green fuels, considering simultaneously the carbon content, the biomass productivity and the lipid content. The present study confirms microalgae biomass as a promising alternative for the production of green fuels.

Keywords: Microalgae, raw material, characterization, green fuels.

1 INTRODUÇÃO

De acordo Mercer e Armenta, (2011) as microalgas são organismos pertencentes ao reino protista que compreendem um grupo muito diverso de organismos fotossintetizantes, são microscópicos, unicelulares ou pluricelulares, presentes tanto nos meios aquático doce ou salino, como no solo (bentônicas). Fisiologicamente podem ser procarióticos ou eucarióticos,

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p.13985-13994 mar. 2020. ISSN 2525-8761 variam em tamanho, morfologia e outras características, sendo compostas basicamente de proteínas, carboidratos, vitaminas e lipídios (Yen et al., 2013). Para o crescimento, as microalgas precisam de um local adequado, nutrientes inorgânicos, e uma fonte de carbono (Safi et al., 2014).

Diversas são as aplicações biotecnológicas e industriais das microalgas, como por exemplo, na suplementação alimentar, indústria farmacêutica e cosmética, e também aplicações ambientais, como por exemplo, o tratamento de águas residuais, fixação de CO2 e a produção de biocombustíveis (Mubarak, Shaija e Suchithra, 2015).

As microalgas podem prover diferentes tipos de biocombustíveis renováveis. Dentre eles estão: biodiesel derivado do óleo, o metano produzido da digestão anaeróbica, e o etanol a partir dos carboidratos (Chisti, 2008).

No cultivo de microalgas, a maioria das espécies utiliza energia luminosa e CO2 como fonte de carbono para seu crescimento, chamado de crescimento autotrófico. Algumas espécies utilizam compostos orgânicos como glicose para obter fonte de carbono: são chamadas espécies de crescimento heterotrófico. O crescimento mixotrófico acontece com a junção de energia luminosa e compostos orgânicos (Mubarak, Shaija e Suchithra, 2015).

A colheita consiste em separar a biomassa do meio de cultivo. A etapa de colheita inicia a partir do momento em que o crescimento chega na fase estacionária. Algumas cepas apresentam dificuldade na separação, uma vez que as microalgas são de tamanhos muito pequenos e estão suspensas no meio aquoso, tornando a colheita uma etapa crítica ao ponto de vista da produção em larga escala. A colheita pode ser realizada por floculação, centrifugação, coagulação, auto sedimentação e filtração (Milano et al., 2016).

Os métodos utilizados para a extração de lipídios de microalgas são métodos mecânicos ou químicos. Os métodos mecânicos são prensagem e extração assistida por micro-ondas ou ultrassom (Mubarak, Shaija e Suchithra, 2015), enquanto que os métodos químicos utilizam solventes e fluidos supercríticos.

De acordo Yen e colaboradores (2013), a etapa de extração de lipídios ocorre após a colheita e a secagem. Diferente das culturas terrestres, a extração de lipídios das microalgas é um processo relativamente difícil devido as características das células, tornando o método de prensagem menos eficiente.

A secagem é uma etapa fundamental quando o objetivo é a produção de biocombustíveis, devido a presença de água ter caráter inibidor no processo de extração de lipídios e também na conversão de lipídios em biocombustíveis (Yen et al., 2013). Os

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p.13985-13994 mar. 2020. ISSN 2525-8761 processos de secagem devem garantir que as células das microalgas não sejam deterioradas com a desidratação.

O presente trabalho tem como objetivo a caracterização da biomassa de microalgas das espécies Halamphora coffeaeformis (Hc), Chlorella vulgaris (Cv) e Nannochloropsis oculatta (No) determinando as principais características que permitem analisar seu potencial para a produção de combustíveis verdes.

2 METODOLOGIA

As espécies foram cultivadas no Laboratório de Bioenergia e Catálise (LABEC), na Escola Politécnica da Universidade Federal da Bahia – EPUFBA. Para as espécies (No) e (Hc) foi utilizado o Meio de cultivo Conway, e para a cepa de (Cv), foi utilizado o meio Bold Basal Medium – BBM de acordo (Walne, 1966). Os cultivos foram feitos em recipientes com capacidade de 10L.

2.1 PRODUTIVIDADE EM BIOMASSA

Uma alíquota de 10 mL foi colhida no primeiro e no último dia de cultivo. A produtividade foi mensurada mediante filtração e posterior pesagem do filtro seco em estufa (60°C por 24 horas), aplicando a Equação1, recomendada por Griffiths e Harrison (2009):

𝑷𝒙 = 𝑿𝒇− 𝑿𝒊 𝒕_𝒇− 𝒕_𝒊

Equação 1

Onde: Px = produtividade da biomassa (mg L.dia); Xf = massa da biomassa seca final (mg L); Xi = massa da biomassa seca inicial (mg L); tf = primeiro dia de cultivo; ti = último dia de cultivo.

2.2 COLHEITA DA BIOMASSA DE MICROALGAS

O cultivo foi efetuado por 30 dias, posteriormente ao cultivo, foi realizada a colheita da biomassa das três espécies, por centrifugação durante 10 minutos a 3200 rotações por minuto (RPM). As espécies (No) e (Hc) após a centrifugação foram lavadas com água destilada para a retirada dos sais proveniente do meio do cultivo salino.

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p.13985-13994 mar. 2020. ISSN 2525-8761 2.3 EXTRAÇÃO DE LIPÍDEOS

Inicialmente a biomassa colhida foi seca em placas de Petri e 200 mg dessa biomassa foi macerada. Foram adicionados 300 µL de n-Hexano à biomassa, e essa foi novamente macerada, junto com o solvente. Logo após, 700 µLdesse solvente foram acrescentados e essa mistura foi agitada em vórtex por dois minutos e centrifugada a 4400 RPM por três minutos. 90% do sobrenadante, contendo solvente e óleo, formado mediante a separação da biomassa, foram retirados e dispostos em tubos de reação para a evaporação do solvente. Esse procedimento é uma adaptação da metodologia de Bligh e Dyer (1959).

2.4 ANÁLISE IMEDIATA

Foi empregado o método E1131-08 (ASTM, 2008), o qual determina a composição imediata, determinando umidade, voláteis, carbono fixo e cinzas a partir de análises termogravimétricas (TG/DTG).

2.5 ANÁLISE ELEMENTAR

O método utilizado para essa análise foi o ASTM D 5291 -11 (ASTM, 2011), o qual possibilita a determinação de carbono, hidrogênio e nitrogênio em produtos de petróleo e lubrificantes, através da combustão em alta temperatura com oxigênio purificado. O ensaio usou 1,1 ± 0,1 mg de biomassa seca, pesada em microbalança acoplada ao aparelho. Foi aplicado o método de Pregl-Dumas. A quantidade de oxigênio foi estimada por diferença, uma vez conhecidos os teores de C, H, N e cinzas.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

As Figuras 1 e 2 apresentam a produtividade de biomassa seca em peso e a produtividade de lipídios respectivamente, das três espécies de microalgas utilizadas nesse estudo.

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Figura 1 – Produtividade de biomassa seca em peso das três espécies

Fonte: Elaborado pelos autores, 2019.

A Figura 1 mostra que as espécies Hc e Cv, estatisticamente, obtiveram a mesma produtividade de biomassa levando em consideração 30 dias de cultivo. A espécie No exibiu um rendimento menos expressivo, provavelmente por conta do seu menor tamanho quando comparado com as demais espécies, o que interfere no peso seco.

Figura 2 – Produtividade de lipídeos em biomassa seca das três espécies

Fonte: Elaborado pelos autores, 2019. 0 5 10 15 20 25 Hc Cv No

Biomassa Seca (mg/l.dia)

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Hc Cv No % de lipídeos

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p.13985-13994 mar. 2020. ISSN 2525-8761 Com relação ao teor de lipídeos, as espécies No e Hc foram as que mostraram o maior conteúdo, com destaque para a No, a qual apresentou um percentual de 6,2  0,2% de conteúdo lipídico em sua biomassa seca, enquanto que a Cv apresentou o teor de lipídeos menos relevante. Liau et al. (2010) utilizaram a espécie Nannochloropsis occulata (No) e obtiveram 5,79 % e 9 % de rendimento lipídico empregando o n-Hexano e diclorometano, respectivamente, como solventes na extração.

Os resultados das análises imediatas e elementares das três espécies são apresentados nas Figuras 3 e 4 respectivamente.

Figura 3 - Análises Imediatas das três espécies de microalgas

Na Figura 3, observa-se que a amostra com maior percentual de umidade e cinzas foi a Hc, sendo que o último pode ser justificado devido a adição de metassilicato de sódio penta hidratado no seu processo de cultivo, necessária devido a esta espécie possuir sílica em sua parede celular. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hc Cv No (%) Voláteis (%) Carbono fixo (%) Cinzas (%) Umidade

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Figura 4 – Caracterização elementar das três espécies de microalgas

O resultado do balanço refere-se às quantidades de enxofre, oxigênio e cinzas não contabilizadas nestes experimentos. Os teores de carbono fixo, hidrogênio e voláteis da Cv e

No são comparáveis, e sugerem que cada uma dessas microalgas tem um potencial para

produzir uma quantidade semelhante de energia. Os resultados deste estudo mostram que as microalgas Cv e No contêm maior teor de carbono comparadas com a Hc. Assim, essas espécies, possivelmente, são mais eficientes para a produção de biocombustíveis, em termos de conteúdo energético, visto que é de conhecimento difundido que o carbono é o elemento desejável na biomassa quando o objetivo é a produção de biocombustíveis. Contudo, o baixo teor de nitrogênio encontrado na espécie Hc é altamente desejável para a produção de biocombustíveis mais limpos.

Chagas et al. (2016) estudaram a espécie Spirulina e Zainan et al. (2018) a Chlorella

vulgaris, e descreveram resultados coerentes com os apresentados neste estudo. A Hc é pouco

reportada na literatura, sendo visto apenas seu potencial para a produção de biodiesel, conforme expõem Lira et al. (2012).

4 CONCLUSÕES

Comparando as três espécies de microalgas desse estudo, foi verificado que a Cv e a

Hc apresentaram maior produtividade em biomassa seca. Por outro lado, com relação ao

conteúdo lipídico, a No foi a espécie que mostrou percentual um pouco superior. Dentre as três espécies estudadas, a Cv e No possuem maior potencial para a produção de combustíveis

0 10 20 30 40 50 60 70 Hc Cv No % Carbono % Balanço % Nitrogênio % Hidrogênio

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 3,p.13985-13994 mar. 2020. ISSN 2525-8761 verdes, considerando simultaneamente o teor de carbono, a produtividade em biomassa e o conteúdo de lipídeos.

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AGRADECIMENTOS

O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal

de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001. Ao grupo de pesquisa do