Evaluation of Cyanobacteria Oil as Lipid Feedstock for Biodiesel Synthesis by Ethanol Route

O objetivo principal deste trabalho foi avaliar o óleo produzido por cianobactérias como matéria-prima lipídica para sintetisar biodiesel pela rota etílica empregando catalisadores heterogêneos. Cinco linhagens de cianobactérias não produtoras de toxinas: Microcystis aeruginosa NPCD-1, Synechococcus sp. PCC7942, Chlorogloea sp. CENA170, Leptolyngbya sp. CENA104 e Trichormus sp. CENA77 foram inicialmente cultivadas e avaliadas, tomando por base parâmetros como: produtividade de biomassa celular, teor de lipídeo e composição em ácidos graxos. Os valores mais elevados de produtividade celular e de lipídeo foram obtidos para as linhagens M. aeruginosa NPCD-1, Trichormus sp. CENA77 e Synechococcus sp. PCC7942. As matérias-primas lipídicas oriundas das linhagens selecionadas foram ainda caracterizadas quanto as propriedades reológicas (viscosidade), térmicas (termogravimetria) e químicas (espectroscopia na região de infravermelho). Na etapa seguinte, as condições de cultivo das linhagens foram estudadas e otimizadas por meio de um planejamento fatorial avaliando as variáveis intensidade luminosa (50 a 150 ?mol m-2s-1) e concentração de Na2CO3 (0,5 a 1,5 g/L), considerando como variáveis resposta a produtividade celular e o teor de lipídeo. A análise estatística indicou que a intensidade de luz influenciou positivamente os valores de produtividade celular para todas as linhagens estudadas, enquanto a concentração de Na2CO3 influenciou negativamente apenas no cultivo da linhagem M. aeruginosa NPCD-1. Com relação à variável teor de lipídeo, para a linhagem M. aeruginosa NPCD-1 nenhuma variável apresentou significância dentro da faixa estudada. No entanto, para as outras linhagens, o emprego das variáveis estudadas nos níveis mais altos implicou valores mais elevados para o teor de lipídeo. Definidas as condições ótimas de cultivo, o trabalho foi direcionado para execução da reação de interesse do projeto, empregando dois catalisadores heterogêneos de comprovada potencialidade: óxido de nióbio impregnado com sódio (químico) e Novozym 435® (bioquímico). Os resultados obtidos demonstraram que ambos os catalisadores atuaram de forma eficiente, convertendo os ácidos graxos em seus respectivos ésteres de etila. Entretanto, a qualidade da biomassa (índice de acidez e presença de pigmentos) interferiu a atuação dos catalisadores de maneira diferenciada. Enquanto o catalisador químico foi sensível à presença de níveis elevados de acidez, como constatado no óleo de Trichormus sp. CENA77, o catalisador bioquímico pode ter adsorvido os pigmentos presentes em maior quantidade nessa matéria-prima, reduzindo sua atividade catalítica. Desta forma, com exceção do biodiesel dessa matéria-prima lipídica, parâmetros, tais como número de cetano, ponto de entupimento de filtro a frio, índice de saponificação e índice de iodo, foram estimados por modelos teóricos, visando à predição da qualidade do biodiesel obtido dos diferentes óleos de acordo com as especificações estabelecidas pelas normas oficiais. Do ponto de vista geral, os resultados obtidos neste trabalho foram promissores e demonstraram a potencialidade do uso de cianobactérias como fonte de matéria-prima lipídica na síntese de biodiesel. As amostras de biodiesel das biomassas lipídicas de Microcystis aeruginosa NPCD-1 e Synechococcus sp. PCC7942 obtidas pela catálise heterogênea química atenderam as especificações estabelecidas na ANP como biocombustível.The main goal of this study was to evaluate the lipid extracted from cyanobacteria as feedstock source for the synthesis of biodiesel using heterogeneous catalysis and ethanol as acyl acceptor. Five cyanobacterial non-microcystin producer strains: Microcystis aeruginosa NPCD-1; Synechococcus sp. PCC7942; Chlorogloea CENA170; Leptolyngbya CENA104 and Trichormus sp. CENA77 were cultivated and evaluated taking into account the biomass productivity, lipid content and fatty acid composition. Results indicated that M. aeruginosa NPCD-1, Trichormus sp. CENA77 and Synechococcus sp. PCC7942 gave the best set of parameters and were selected for further characterization using analytical techniques, including: viscosimetry, thermogravimetry and infrared spectroscopy. Following this, the cultivation conditions were studied and optimized using a factorial design, taking into consideration as independent variables light irradiance (50 to 150 ?mol m-2s-1) and concentration of Na2CO3 (0.5 to 1.5 g/L) as a carbon source. Cell productivity and lipid content were taking as response variables. For all strains, the most important factor was the light irradiance, since it presented a significant effect for all responses. Depend on the cyanobacteria strain, the concentration of Na2CO3 was found to have either positive or negative influence on the response variables. While for the M. aeruginosa NPCD-1 the presence of the Na2CO3 in the culture medium negative affected both cell productivity and lipid level, for the other strains high levels of Na2CO3 increase the lipid levels. After establishing the optimum cultivation conditions the experimental work was directed towards to perform the reaction of interest, using cyanobacterial feedstocks and two heterogeneous catalysts: chemical (niobium oxide impregnated with sodium) and biochemical (Novozym 435®). The dataset obtained demonstrated that the formation of ethyl esters from the feedstocks was feasible for the tested catalysts. Both catalysts were efficient in converting all fatty acids present in the feedstocks into the corresponding ethyl esters; however the chemical catalyst gave higher conversion than the biochemical one. The lower quality of the Trichormus sp. CENA77 feedstock strong affected the performance of the catalysts in a different way. While the chemical catalyst was sensitive to high acidity level verified in this microbial oil, the biocatalyst performance was influenced by the presence of pigments which was adsorbed on the biocatalyst matrix reducing its catalytic activity. Except for this oil, parameters such as cetane number, cold filter plugging point, saponification number and iodine value were estimated by theoretical models to predict the quality of biodiesel according to the specifications established by official standards. The results obtained in this study were promising and demonstrated the potential of using cyanobacteria as a feedstock source in the biodiesel synthesis. The lipid biomass from M. aeruginosa NPCD-1 and Synechococcus sp. PCC7942 originated biodiesel samples with appropriate characteristics to be used as fuel that are in accordance with specifications recommended by ANP