Optimization of cultivation of microalgae Chlorella spp. in photobioreactors types airlift and bags: biomass as an alternative source of biodiesel

Os combustíveis derivados do petróleo são notadamente reconhecidos como fontes insustentáveis de energia, visto que há um empobrecimento das suas fontes, e ainda pela contribuição nas mudanças climáticas globais. Nesse cenário, os biocombustíveis aparecem como alternativa renovável frente às não-renováveis. No Brasil, a inserção de fontes renováveis na matriz energética tem crescido ao longo das últimas décadas, onde o biodiesel tem desempenhado um papel de destaque. A linha de frente da produção está centrada nos vegetais superiores e resíduos contendo óleos vegetais e animais, entretanto, estas não são as únicas fontes de matéria-prima para a fabricação do biodiesel. Microalgas oleaginosas são uma alternativa potencial que resolve, em parte, alguns dos problemas associados ao biodiesel oriundo de óleos vegetais e animais. As microalgas podem acumular significativas quantidades de lipídeos (até mais que 50% do seu peso seco) e gerar grande quantidade de biomassa, porém, não se encontram disponíveis na natureza em concentrações que suportem exploração comercial, salvo exceções. Portanto, para serem produzidas em larga escala, podem ser utilizados sistemas controlados de cultivo. Dentro desse contexto, a pesquisa foi dividida em 3 etapas que visaram atingir os seguintes objetivos: (1) Através de técnicas de axenização, purificar duas cepas de Chlorella spp. para que os resultados obtidos pudessem ser atribuídos exclusivamente à alga; (2) Estudar o comportamento de duas cepas em dois meios de cultura distintos (WC e TAP) utilizando glicose como fonte orgânica de carbono e investigar fatores físicos e químicos para otimizar a produtividade de biomassa e lipídeos em relação à esses fatores. (3) Com os fatores escolhidos e otimizados, avaliar de forma simplificada o cultivo em média escala (fotobiorreatores de 10 L). A cepa de Chlorella DAM5% 04 apresentou os melhores resultados quanto às velocidades de crescimento, e por isso foi escolhida. Para monitorar o crescimento, foram utilizadas as absorbâncias calibradas previamente por sólidos suspensos. O modelo de Gompertz foi utilizado para a modelagem do crescimento e gerou curvas e parâmetros de crescimento (amplitude, velocidades máximas específicas de crescimento e tempo de geração). A adição de glicose aos meios de cultura aumentou 4 vezes as velocidades de crescimento quando comparado ao meio WC padrão (de 0,30 UFC mL-1 dia-1 para 1,23 UFC mL-1 dia-1. A relevância da glicose no meio TAP foi em relação à biomassa produzida, que dobrou seu valor em relação ao WC e TAP padrão (de 500 mg.L-1 para 1090 mg.L-1). Na investigação dos fatores químicos, a retirada de enxofre do meio foi responsável por aumentar em mais de 7 vezes o valor da fluorescência de lipídeos neutros (de 1 u.a para 7,8 u.a.), sendo o mais eficiente. Na combinação dos fatores envolvidos, a produção de biomassa chegou ao 2000 mg.L-1, ao passo que a fluorescência de lipídeos chegou às 14 u.a. O ponto ótimo para produção de biomassa e fluorescência de lipídeos neutros encontrado pelo modelo de otimização utilizado foi de 98 mg L-1 de nitrogênio, 51 mg L-1 de fósforo, 0 mg L-1 de enxofre e 200 μmol fótons m-2 s-1 para o meio de cultura. Esses valores foram utilizados na fase posterior, o cultivo nos fotobiorreatores. Foi constatado que o airlift é mais suscetível à contaminação da cultura (comprovado microscopicamente) do que as bags, o que interferiu nos resultados. As maiores velocidades específicas de crescimento foram obtidas no reator airlift (5,77 d-1) para o cultivo com ar enriquecido em CO2 (2%), sendo de 4 a 5 vezes maiores do que as obtidas em pequena escala (tubos de ensaio). Em relação à biomassa, o cultivo no airlift apresentou 2550 mg L-1. A fluorescência de lipídeos neutros não ultrapassou 1 u.a, em todos os experimentos realizados nos fotobiorreatores, muito aquém dos valores encontrados nos tubos.Oil-based fuels are notably recognized as unsustainable sources of energy, as their sources are impoverished, as well as their contribution to global climate change. In this scenario, biofuels appear as a renewable alternative to non-renewable ones. In Brazil, the insertion of renewable sources in the energy matrix has grown over the last decades, where biodiesel has played a prominent role. The production front line is centered on top vegetables and residues containing vegetable and animal oils, however, these are not the only sources of raw material for the production of biodiesel. Oil microalgae are a potential alternative that solves, in part, some of the problems associated with biodiesel from vegetable and animal oils. Microalgae can accumulate significant amounts of lipids (up to more than 50% of their dry weight) and generate large amounts of biomass, but are not available in nature at concentrations that support commercial exploitation, except for exceptions. Therefore, to be produced on a large scale, controlled cropping systems can be used. Within this context, the research was divided into 3 stages that aimed to achieve the following objectives: (1) Through axenization techniques, to purify two strains of Chlorella spp. So that the results obtained could be attributed exclusively to the algae; (2) To study the behavior of two strains in two different culture media (WC and TAP) using glucose as an organic carbon source and to investigate physical and chemical factors to optimize biomass and lipid productivity in relation to these factors. (3) With the chosen and optimized factors, to evaluate in a simplified way the cultivation in medium scale (10B photoboreaders). The Chlorella strain DAM5% 04 presented the best results regarding growth rates, and it was therefore chosen. To monitor growth, the absorbances previously calibrated by suspended solids were used. The Gompertz model was used for growth modeling and generated growth curves and parameters (amplitude, maximum growth speeds and generation time). The addition of glucose to the culture media increased the growth rates 4 fold compared to standard WC media (0.30 CFU mL-1 day-1 to 1.23 CFU mL-1 day-1). In the investigation of the chemical factors, the removal of sulfur from the medium was carried out in the same way as the biomass produced, which doubled its value in relation to WC and standard TAP (from 500 mgL-1 to 1090 mg L-1). Which is responsible for increasing the fluorescence value of neutral lipids by more than 7 times (from 1 ua to 7.8 ua), being the most efficient. In the combination of the factors involved, biomass production reached 2000 mg.L-1, Whereas the lipid fluorescence reached 14 ua. The optimal point for the production of biomass and fluorescence of neutral lipids found by the optimization model was 98 mg L-1 of nitrogen, 51 mg L-1 of phosphorus, 0 mg L-1 of sulfur and 200 μmol photons m-2 s-1 for the culture medium. Phase, culture in photobioreactors. It has been found that the airlift is more susceptible to contamination of the crop (microscopically proven) than bags. The highest specific growth rates were obtained in the airlift reactor (5.77 d-1) for CO2-enriched air (2%) cultivation, 4 to 5 times higher than those obtained on a small scale (test tubes). In relation to biomass, the airlift culture presented 2550 mg L-1. Neutral lipid fluorescence did not exceed 1 u.a. in all experiments performed on photobioreactors, well below the values found in the tubes