Recuperação e purificação de biomassa das microalgas de Chlorella sp. e Dunaliella tertiolecta utilizando microfiltração tangencial

Abstract

Microalgas são microrganismos fotossintéticos, capazes de sintetizar uma ampla gama de produtos dependendo de sua rota metabólica. A produção de microalgas envolve as etapas de cultivo, recuperação da biomassa e obtenção dos produtos intracelulares, sendo a etapa de recuperação de biomassa um gargalo da produção. No presente estudo foi avaliado a concentração e purificação de biomassa de duas espécies de microalgas, Chlorella sp. e Dunaliella tertiolecta, através da microfiltração tangencial, nos seguintes modos de operação: reciclo total, batelada e batelada combinada com diafiltração. Também foi avaliada a disponibilidade de reuso do permeado como meio de cultivo para as microalgas. No modo de reciclo total foram testadas quatro pressões transmembranas (PTM) para Chlorella sp. e cinco pressões transmembranas para D. tertiolecta em duas velocidades tangenciais para determinação das melhores condições operacionais para as etapas posteriores de concentração e purificação, considerando o efeito dessas condições de operação sobre a integridade celular. A velocidade selecionada foi 0,6 m s-1 para o processamento das duas suspensões de microalgas e a PTM de 0,5 bar para Chlorella sp. e de 0,15 bar para D. tertiolecta. As análises de microscopia ótica, microscopia eletrônica de transmissão e na câmara Neubauer não demostraram um efeito significativo do sistema de MF sobre a estrutura celular de Chlorella sp., entretanto, para D. tertiolecta, as análises mostraram a necessidade de operar o sistema em PTM de 0,15 bar. Foi observado um baixo percentual médio de fouling, sendo de 16 % para Chlorella sp. e 6 % para D. tertiolecta para as duas velocidades tangenciais testadas. A resistência da membrana foi elevada quando comparada com a resistência devido ao fouling de ambas as suspensões de microalgas. Em modo batelada, observou-se em todos os experimentos, a completa retenção das células de microalgas pela membrana de microfiltração. O fator de concentração volumétrico médio foi de 2,6 para a suspensão de Chlorella sp. e 2,5 para a de D. tertiolecta. Na operação do sistema em modo diafiltração foi possível reduzir o teor salino em 42 % para o concentrado da Chlorella sp. e 38 % para o concentrado de D. tertiolecta. O modelo de Hermia modificado por Field foi utilizado em software EMSO para a determinação dos mecanismos de fouling, e concluiu-se que a formação de torta foi o mecanismo de fouling dominante em filtração de Chlorella sp.. Para D. tertiolecta, todos os mecanismos se ajustaram bem aos dados experimentais, indicando que os mesmos ocorreram simultaneamente. Foram propostos dois tipos de meio de cultura para o reuso da corrente de permeado: o permeado simples e o permeado enriquecido com a adição de micronutrientes. Foi possível verificar a utilização do permeado como meio de cultivo, principalmente para o cultivo de D. tertiolecta; o permeado com adição de micronutrientes apresentou maior capacidade de crescimento que o meio padrão para esta microalga. No cultivo da Chlorella sp., a concentração de biomassa alcançada utilizando o permeado simples e enriquecido foi inferior a concentração de biomassa em meio de cultivo padrão. Os resultados obtidos neste trabalho comprovaram que o processo de microfiltração apresenta-se como uma alternativa promissora na etapa de concentração e purificação de suspensões de microalgas; além disso, a corrente de permeado gerada pode ser utilizada como meio de cultivo, garantindo, desta forma, um menor consumo de água e nutrientes, melhorando a viabilidade econômica do processo.

Microalgae are photosynthetic organisms with simple structures and capable to synthesize a wide range of products depending on their metabolic route. The production of microalgae comprises the steps of cultivation, biomass recovery and extraction of intracellular products, being the stage of biomass recovery a production bottleneck. In the present study was evaluated the concentration and purification of biomass of two species of microalgae, Chlorella sp. and Dunaliella tertiolecta, by crossflow microfiltration, in the following modes of operation: total recycling, batch and batch combined with diafiltration. It was also assessed the availability of the reuse the permeate as medium for microalgae cultivation. In total recycling mode were tested four different transmembrane pressures (TMP) for Chlorella sp. and five transmembrane pressures for D. tertiolecta in two crossflow velocities to determine the proper operating conditions for the stages of concentration and purification, considering the effect of operating conditions on the cellular integrity. The selected crossflow velocity was 0.6 m s-1 for processing the two suspensions of microalgae and TMP of 0.5 bar for Chlorella sp. and 0.15 bar for D. tertiolecta. The analyses of optical microscopy, transmission electron microscopy and the Neubauer chamber demonstrated no significant effect of the operating conditions of the MF system on the cellular structure of Chlorella sp., however, for D. tertiolecta, the analysis showed the need to operate the system at lower TMP of 0.15 bar. The average percentage of fouling observed was 16 % for Chlorella sp. and 6 %. for D. tertiolecta for both crossflow velocities tested. The resistance of the membrane was elevated when compared with the resistance due to fouling for both suspensions of microalgae. In batch mode, it was observed, for all the experiments, complete retention of microalgal cells by microfiltration membrane. The average volumetric concentration factor was 2.6 for the suspension of Chlorella sp. and 2.5 for D. tertiolecta. In the operation of the system in diafiltration mode was possible to reduce the the salt content in 42 % for the Chlorella sp. and 38 % for D. tertiolecta. The model of Hermia model was used in software EMSO for the determination of fouling mechanisms, and it is concluded that the cake formation was the dominant fouling in the filtration of Chlorella sp.. For D. tertiolecta, all the mechanisms adjusted well to the experimental data, demonstrating that all mechanisms occurred simultaneously. Were proposed two different culture mediums for the reuse of the permeate stream: the plain permeate and the permeate enriched with micronutrients. It was possible to verify the ability of the permeate as cultivation medium, mainly for the D. tertiolecta; in this case, the permeate enriched with micronutrients presented greater capacity for growth when compared with the standard medium. On the other hand, for the cultivation of Chlorella sp., the biomass concentration achieved using both, the plain permeate and the enriched one was less than that achieved using the standard medium. The results obtained in this work proved that the microfiltration process is a promising alternative for the concentration and purification of suspensions of microalgae. In addition, the permeate stream generated could be used as a growth medium, ensuring thereby a less consumption of water and nutrients, improving the economic viability of the process.