Concentração da biomassa de Chlorella sp. utilizando sistema de filtração com membrana submersa

Abstract

As microalgas vêm despertando grande interesse de pesquisadores em vista de sua grande aplicabilidade na indústria de alimentos e farmacêutica, e nas áreas da biomedicina e ambiental. A produção das microalgas envolve etapas de cultivo, recuperação e purificação da biomassa, sendo a etapa de recuperação um dos principais obstáculos da produção deste microrganismo, devido às baixas concentrações celulares obtidas no cultivo. Desta maneira, destaca-se a técnica de microfiltração para a concentração das microalgas no próprio meio de cultura. O objetivo deste trabalho foi avaliar a capacidade de concentração de biomassa da microalga Chlorella sp. utilizando um sistema de microfiltração com membranas submersas. Para isso, foram realizados cultivos de Chlorella sp. para a obtenção das suspensões que foram concentradas, experimentos de caracterização das membranas de polieterimida (PEI) e poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) do tipo fibra-oca, definição das melhores condições de operação do processo de microfiltração submersa para a concentração celular, avaliação da tendência ao fouling para cada uma das membranas utilizadas e avaliação da integridade e viabilidade celular das microalgas, após a etapa de concentração da biomassa. Por apresentarem maior tamanho de poro e uma estrutura de fibra menos densa, os módulos construídos com membrana de PEI apresentaram melhores resultados de filtração em comparação com os módulos fabricados com membranas de PVDF. Os dois módulos construídos com PEI apresentaram permeância hidráulica de 77,62 L m² h-1 bar-1 e 83,23 L m² h-1 bar-1, enquanto os módulos construídos com PVDF apresentaram permeância hidráulica de 32,52 L m² h-1 bar-1 e 26,29 L m² h-1 bar-1. Estes valores mostram que o fluxo através das membranas de PEI é maior do que através das membranas de PVDF fazendo com que a filtração das microalgas ocorra de maneira mais rápida. A utilização da técnica de relaxamento das membranas ao longo do experimento foi de extrema importância para que o fluxo de permeado retornasse aos valores iniciais e, por consequência, o objetivo de fator de concentração igual 2 fosse atingido mais rapidamente. Ao longo dos experimentos, as membranas de PEI atingiram a concentração de 2 g L-1 de microalgas em um tempo inferior ao necessário para as membranas de PVDF. A redução no fluxo de permeado causada pelo fouling nestes processos de filtração chegou a 64% para as membranas de PEI e 71% para as de PVDF. Em nenhuma das filtrações foram observados prejuízos quanto à integridade das microalgas, ou seja, tanto a aeração do tanque quanto a pressão transmembrana estavam adequadas aos experimentos. O emprego de corantes para determinação da viabilidade celular das microalgas foi uma técnica simples e visual de observação da integridade dos microrganismos. Portanto, as condições definidas para os procedimentos se mostraram adequadas e a membrana de PEI apresentou melhores resultados para a microfiltração submersa de microalgas.

Microalgae have been attracting great interest from researchers in view of their wide applicability in the food and pharmaceutical industry, and in the area of biomedicine and the environment. The production of microalgae involves stages of cultivation, recovery and purification of biomass, the stage of recovery being one of the main obstacles to the production of this microorganism, due to the low cell concentrations obtained in the cultivation. In this way, the microfiltration technique stands out for the concentration of microalgae in the culture medium itself. The objective of this work was to evaluate the biomass concentration capacity of the microalgae Chlorella sp. using a microfiltration system with submerged membranes. For this purpose, crops of Chlorella sp. were grown to obtain the suspensions that were concentrated, experiments to characterize the hollow fiber polyetherimide (PEI) and poly (vinylidene fluoride) (PVDF) membranes, defining the best operating conditions for the submerged microfiltration process for cellular concentration , evaluation of the tendency of fouling for each of the membranes used and evaluation of the cellular integrity and viability of the microalgae, after the biomass concentration stage. Due to their larger pore size and a less dense fiber structure, modules built with PEI membrane showed better results compared to modules made with PVDF membranes. Both modules built with PEI showed hydraulic permeability of 77.62 L m² h-1 bar-1 and 83.23 L m² h-1 bar-1, while modules built with PVDF showed hydraulic permeability of 32.52 L m² h-1 bar-1 and 26.29 L m² h-1 bar-1. These values show that the flux through PEI membranes is much greater than through the PVDF membranes, leading to a fastest microalgae filtration. The use of the membrane relaxation technique throughout the experiment was extremely important for the permeate flow to return to the initial values and, consequently, the objective of equal concentration factor 2 was reached more quickly. Throughout the experiment, PEI membranes reached a concentration of 2 g L-1 of microalgae in a shorter time than that required for PVDF membranes. The reduction in permeate flow caused by fouling in these filtration processes reached 64% for PEI membranes and 71% for PVDF membranes. In none of the filtrations were losses observed as to the integrity of the microalgae, that is, both the aeration of the tank and the transmembrane pressure were adequate for the experiments. The use of dyes to determine the cellular viability of microalgae was a simple and visual technique for observing the integrity of microorganisms. Therefore, the conditions defined for the procedures proved to be adequate and the PEI membrane showed better results for the submerged microfiltration of microalgae.