https://repositorio.ufba.br/handle/ri/40442
Tipo: | Tese |
Título: | Biorrefinaria de microalgas e valoração de efluentes industriais: um modelo potencial de bioeconomia circular para o Brasil |
Autor(es): | Pessôa, Luiggi Cavalcanti |
Primeiro Orientador: | Assis, Denilson de Jesus |
metadata.dc.contributor.advisor-co1: | Pontes, Luiz Antônio Magalhães |
metadata.dc.contributor.referee1: | Assis, Denilson de Jesus |
metadata.dc.contributor.referee2: | Pontes, Luiz Antônio Magalhães |
metadata.dc.contributor.referee3: | Ebinuma, Valéria de Carvalho Santos |
metadata.dc.contributor.referee4: | Almeida, José Luis Gonçalves de |
metadata.dc.contributor.referee5: | Silva, Jania Betania Alves da |
Resumo: | Nos últimos anos, a demanda humana por recursos naturais tem superado a capacidade regenerativa do planeta, exigindo uma mudança no modelo econômico linear de "extrair, produzir, descartar". Nesse contexto, a biorrefinaria de microalgas associada ao tratamento de efluentes (BBMTE) emerge como um modelo promissor de bioeconomia circular, alinhando- se às principais agendas globais de sustentabilidade e com grande potencial para integrar o recente programa de neoindustrialização no Brasil. Embora as microalgas tenham se destacado nos últimos anos como uma solução tecnológica para o tratamento de efluentes industriais, ainda há uma carência de estudos focados no aproveitamento simultâneo dos bioprodutos sintetizados intra e extracelularmente. Este estudo visa oferecer uma perspectiva integral e inovadora sobre a biomassa, os produtos de alto valor agregado extracelular e os benefícios ambientais da BBMTE em relação à água produzida (AP), à manipueira (MP) e ao soro de leite (SL). Para alcançar esse objetivo, a tese está estruturada em cinco pilares metodológicos: (i) prospecção tecnológica e mercadológica mundial neste campo de pesquisa; (ii) caracterização dos efluentes e aclimatação da Chlorella vulgaris aos mesmos; (iii) estudo da influência do pré- tratamento e suplementação da AP nos bioprodutos microalgais intra e extracelulares; (iv) otimização dos cultivos de microalgas para a produção individual e simultânea de biomassa e substâncias poliméricas extracelulares (EPS); (v) cultivos em escala piloto contendo SL e análise do consórcio microalgas-bactérias na produção de EPS e no potencial reológico destes biopolímeros. O panorama mercadológico global, apoiado na curva S tecnológica, mostra que a BBMET é uma área em ascensão desde 2011. A partir da análise do estado da arte, identificou- se cinco barreiras para o cultivo de microalgas em AP, mas que foram atenuadas com algum tipo de pré-tratamento e/ou suplementação. Do ponto de vista cinético, o pré-tratamento com carvão ativado (CA) apenas funcionou quando acompanhado da suplementação de MP, resultando em uma produtividade máxima de biomassa. Além disso, os biodieseis produzidos se enquadraram nas normas nacionais e internacionais. A avaliação morfológica do meio extracelular revelou a presença de micropartículas queladas em uma matriz polimérica, formando um biocompósito (EPS-micropartículas) com potencial aplicação de aditivo viscosificante para a indústria do petróleo. O pré-tratamento com CA promoveu, junto com a suplementação, uma maior síntese desses biocompósitos com melhores propriedades reológicas, alcançando uma produção de 1,16 g L-1 e uma distribuição média de tamanho de 0,7 μm. A análise de desejabilidade global indicou que a combinação de 10% de MP, 38% de AP e 170 rpm de agitação maximizou simultaneamente as produções de EPS e biomassa, com previsões de 1,89 e 1,45 g L−1, respectivamente, alcançando uma desejabilidade de 89%. Notavelmente, a mistura de efluentes (AP e MP) propiciou os maiores valores de EPS reportados na literatura para Chlorella vulgaris, demonstrando-se como uma estratégia inovadora para a maximização deste biopolímero. A espectroscopia com transformada de Fourier (FTIR), a técnica de ressonância magnética (RMN) de difusão e o estudo reológico revelaram que os biopolímeros sintetizados na escala piloto com o SL apresentaram características químicas e reológicas comparáveis à goma xantana comercial, com tamanhos moleculares entre 284 e 324 kDa. A presença de um consórcio microalgas-bactérias resultou em maior produção de EPS e melhores propriedades reológicas em relação ao controle, representando um avanço significativo no campo de valorização de resíduos por microalgas. Por fim, este estudo demonstra que a BBMTE contribui para a sustentabilidade ambiental e oferece uma abordagem técnica viável para a produção de bioprodutos de alto valor agregado, reutilizáveis nas próprias indústrias fornecedoras de efluentes ou em outros segmentos de mercado, dentro de uma perspectiva circular. O Brasil, com sua intrínseca vocação para biorrefinarias, pode incorporar a BBMTE como uma tecnologia dentro da proposta da Nova Indústria Brasil, aproveitando-se do contexto geopolítico demandante de novas soluções verdes. Essa tecnologia transforma a gestão de efluentes industriais, convertendo resíduos em recursos valiosos, aderindo-se à nova agenda de sustentabilidade global. |
Abstract: | In recent years, human demand for natural resources has exceeded the planet's regenerative capacity, necessitating a shift from the linear economic model of "extract, produce, discard." In this context, the microalgae biorefinery associated with wastewater treatment (MBWT) emerges as a promising model of circular bioeconomy, aligning with major global sustainability agendas and holding significant potential to integrate into Brazil's recent neo-industrialization program. Although microalgae have gained prominence in recent years as a technological solution for industrial wastewater treatment, there remains a lack of studies focused on the simultaneous utilization of intra- and extracellularly synthesized bioproducts. This study aims to provide a comprehensive and innovative perspective on biomass, high-value extracellular products, and the environmental benefits of MBWT concerning produced water (PW), cassava wastewater (CW), and whey (W). To achieve this objective, the thesis is structured into five methodological pillars: (i) global technological and market prospecting in this research field; (ii) characterization of effluents and acclimatization of Chlorella vulgaris to them; (iii) study of the influence of pre-treatment and supplementation of PW on intra- and extracellular microalgal bioproducts; (iv) optimization of microalgae cultures for the individual and simultaneous production of biomass and extracellular polymeric substances (EPS); (v) pilot- scale cultures containing W and analysis of the microalgae-bacteria consortium in EPS production and the rheological potential of these biopolymers. The global market panorama, supported by the technological S-curve, shows that MBWT has been an emerging area since 2011. From the state-of-the-art analysis, five barriers to microalgae cultivation in PW were identified, which were mitigated with some form of pre-treatment and/or supplementation. From a kinetic perspective, pre-treatment with activated carbon (AC) only worked when accompanied by CW supplementation, resulting in maximum biomass productivity. Additionally, the produced biodiesels met national and international standards. Morphological evaluation of the extracellular medium revealed the presence of chelated microparticles in a polymeric matrix, forming a biocomposite (EPS-microparticles) with potential application as a viscosifying additive for the petroleum industry. AC pre-treatment, along with supplementation, promoted greater synthesis of these biocomposites with better rheological properties, achieving a production of 1.16 g L−1 and an average size distribution of 0.7 μm. Global desirability analysis indicated that the combination of 10% CW, 38% PW, and 170 rpm agitation simultaneously maximized EPS and biomass productions, with predictions of 1.89 and 1.45 g L−1, respectively, achieving a desirability of 89%. Notably, the effluent mixture (PW and CW) provided the highest EPS values reported in the literature for Chlorella vulgaris, demonstrating itself as an innovative strategy for maximizing this biopolymer. Fourier- transform infrared spectroscopy (FTIR), diffusion nuclear magnetic resonance (NMR) technique, and rheological study revealed that the biopolymers synthesized at pilot scale with W exhibited chemical and rheological characteristics comparable to commercial xanthan gum, with molecular sizes between 284 and 324 kDa. The presence of a microalgae-bacteria consortium resulted in higher EPS production and better rheological properties compared to the control, representing a significant advancement in the field of waste valorization by microalgae. Finally, this study demonstrates that MBWT contributes to environmental sustainability and offers a viable technical approach for producing high-value bioproducts, reusable in the effluent-supplying industries or other market segments, within a circular perspective. Brazil, with its intrinsic vocation for biorefineries, can incorporate MBWT as a technology within the proposal of the New Industry Brazil, taking advantage of the geopolitical context demanding new green solutions. This technology transforms industrial wastewater management, converting waste into valuable resources, and adhering to the latest global sustainability agenda. |
Palavras-chave: | Biorrefinaria Microalga Efluentes industriais Indústria – tecnologia - Brasil |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editora / Evento / Instituição: | UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA |
Sigla da Instituição: | UFBA |
metadata.dc.publisher.department: | Escola Politécnica |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Quimica (PPEQ) |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.ufba.br/handle/ri/40442 |
Data do documento: | 20-Ago-2024 |
Aparece nas coleções: | Tese (PPEQ) |
Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
---|---|---|---|---|
Tese_LuiggiCavalcantiPessôa.pdf | 13,98 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
Os itens no repositório estão protegidos por copyright, com todos os direitos reservados, salvo quando é indicado o contrário.