Produção de microalgas cultivadas em meio reutilizado e uso da eletrofloculação como método de separação de biomassa

Abstract

As microalgas são organismos microscópicos, procarióticos ou eucarióticos, multicelulares ou unicelulares e fotossintetizantes encontrados em ambientes marinhos, dulciaquícolas e terrestres. Seu rápido crescimento, capacidade de adaptação a condições adversas e e diversidade metabólica, caracterizada pela produção de grande quantidade de proteínas, carboidratos, pigmentos, lipídios e outras biomoléculas são responsáveis por sua grande importância biotecnológica. A produção de biomassa de microalgas possui alto custo, porém uma das alternativas para a redução destes custos é a reutilização do meio de cultivo, que consiste na separação da biomassa microalgal e consequente inoculação do meio residual, que pode ser suplementado ou não com nutrientes. Depois de cultivada, a biomassa produzida precisa ser separada do meio de cultivo para que seja utilizada nos diferentes processos industriais. Estima-se que o custo de separação pode atingir 20–30% do seu custo total de produção. A eletrofloculação é um método de separação de biomassa ecologicamente correto, barato e energeticamente eficiente e consiste no uso de dois eletrodos metálicos (um ânodo e um cátodo) que liberam íons que neutralizam a carga das células microalgais e permite a formação de flocos celulares, resultado na separação da biomassa. Desse modo, o desenvolvimento de tecnologias de produção e separação da biomassa microalgal que permitam a redução dos custos, sem comprometer a eficiência e qualidade do processo é de grande importância para a produção das biomoléculas obtidas de microalgas no mercado mundial. Diante disso, este trabalho tem como objetivo a verificação do efeito do reaproveitamento de meio durante o cultivo de microalgas marinhas e dulciaquícolas, bem como o teste da eletrofloculação como método para separação da biomassa de microalgas marinhas e dulciaquícolas. Para isso, as microalgas Dunaliella salina e Ankistrodesmus falcatus foram cultivadas em fotobiorreator tipo Erlenmeyer (1 L) em meio Conway e LC-Oligo, respectivamente. D. salina foi submetida a três diferentes condições de cultivo: meio padrão, meio suplementado com nitrogênio e meio suplementado com fósforo. Foram realizados 4 ciclos de cultivo em meio reutilizado. Ao final de cada ciclo, o meio residual foi reutilizado, recebendo novo inóculo da mesma espécie de trabalho. Foram analisados os parâmetros de produção máxima, taxa de crescimento máximo e produtividade máxima. Houve redução na produção de biomassa, crescimento e produtividade máximos durante cultivo de D. salina nos meios Não suplementado e suplementado com Fósforo após três ciclos. No meio suplementado com Nitrogênio houve aumento significativo da produção de biomassa em comparação ao cultivo Controle. A maior produção de biomassa foi obtida no 1º ciclo em meio reutilizado (1,122 g L-1). O 4º ciclo de cultivo promoveu maior produção de biomassa que o 3º ciclo (0,908 g L-1 e 0,854 g L-1, respectivamente). A produtividade máxima aumentou significativamente durante os ciclos de cultivo em meio reutilizado, sendo a maior produtividade obtida no 4º ciclo (0,201 g L-1 d-1). Observou-se morte celular durante cultivo de A. falcatus em meio reutilizado. Além disso, foi desenvolvido um aparelho de eletrofloculação para fotobiorreator tubular composto por dois eletrodos paralelos de alumínio e fonte elétrica com ajuste de tensão (12V–24V) para separação de biomassa de microalgas marinhas, que resultou no depósito de uma patente de modelo de utilidade junto ao Instituto Nacional de Propriedade Industrial.

Microalgae are microscopic, prokaryotic or eukaryotic, multicellular or unicellular and photosynthetic organisms found in marine, freshwater and terrestrial environments. Its rapid growth, ability to adapt to adverse conditions and metabolic diversity, characterized by the production of large amounts of proteins, carbohydrates, pigments, lipids and other biomolecules are responsible for its great biotechnological importance. The production of microalgae biomass has a high cost, but one of the alternatives to reduce these costs is the reuse of the culture medium, which consists of the microalgal biomass separation and the consequent inoculation of the residual medium, which can be supplemented or not with nutrients. Once cultivated, the biomass produced needs to be separated from the culture medium in order to be used in different industrial processes. It is estimated that the cost of separation can reach 20–30% of its total production cost. Electroflocculation is a method of separating biomass that is ecologically correct, inexpensive and energy efficient and consists of the use of two metallic electrodes (an anode and a cathode) that release ions that neutralize the charge of the microalgal cells and allows the formation of cell flakes, a result in the separation of biomass. Thus, the development of technologies for the production and separation of microalgal biomass that allow cost reduction, without compromising the efficiency and quality of the process, is of great importance for the production of biomolecules obtained from microalgae on the world market. Therefore, this work aims to verify the effect of reusing medium during the cultivation of marine and freshwater microalgae, as well as the electroflocculation test as a method for separating the biomass from marine and freshwater microalgae. For this, the microalgae Dunaliella salina and Ankistrodesmus falcatus were grown in an Erlenmeyer type photobioreactor (1 L) in Conway and LC-Oligo media, respectively. D. salina was submitted to three different culture conditions: standard medium, medium supplemented with nitrogen and medium supplemented with phosphorus. Four cultivation cycles were performed in reused medium. At the end of each cycle, the residual medium was reused, receiving a new inoculum from the same microalgae of work. The parameters of maximum production, maximum growth rate and maximum productivity were analyzed. There was a reduction in the production of biomass, maximum growth and productivity during the cultivation of D. salina in the media Not supplemented and supplemented with Phosphorus after three cycles. In the medium supplemented with Nitrogen there was a significant increase in biomass production compared to the Control cultivation. The highest biomass production was obtained in the 1st cycle in a reused medium (1,122 g L-1). The 4th cultivation cycle promoted greater biomass production than the 3rd cycle (0.908 g L-1 and 0.854 g L-1, respectively). The maximum productivity increased significantly during the cultivation cycles in reused medium, with the highest productivity obtained in the 4th cycle (0.201 g L-1 d-1). Cell death was observed during cultivation of A. falcatus in reused medium. In addition, an electroflocculation apparatus for a tubular photobioreactor was developed, consisting of two parallel aluminum electrodes and a voltage source (12V – 24V) for separating biomass from marine microalgae, which resulted in the filing of a utility model patent with the National Institute of Industrial Property.