Microalga Scenedesmus sp. : produção, aplicação e análise de compostos de interesse a partir da pirólise rápida

Abstract

Além dos problemas de poluição causados pelo uso generalizado de combustíveis fósseis, a alta demanda energética no setor industrial e doméstico tornam cada vez mais necessário o desenvolvimento de fontes de energia renováveis com menor impacto ambiental do que as tradicionais e com elevada produtividade. Uma alternativa aos combustíveis fósseis é o uso de óleo de microalgas. A obtenção de produtos a partir desse óleo requer a análise de tecnológicas vantajosas em cada etapa da cadeia de produção. A presente pesquisa analisa alternativas tecnológicas para a obtenção de compostos de interesse científico a partir do cultivo da microalga Scenedesmus sp. O estudo foi conduzido em 4 etapas: i) seleção de fotobiorreator (comparando o uso de sacos plásticos como fotobiorreator de baixo custo vs fotobiorreator air-lift de acrílico), ii) monitoramento do conteúdo de lipídios durante o cultivo (proposta de método de uso de espectroscopia de fluorescência vs método tradicional) para controle automático dos cultivos, iii) comparação de alternativas de colheita da biomassa produzida, e iv) a análise dos subprodutos existentes no bio-óleo gerado por pirólise rápida, visando a obtenção de produtos de alto valor agregado. Na primeira etapa, foram utilizados sacos plásticos para o cultivo de Scenedesmus sp. resultando em produtividade de 0,53 g.L-1.dia-1, enquanto o fotobiorreator air-lift apresentou resultados de 0,07 g.L-1.dia-1. Essa diferença de valores levou a considerar o efeito da radiação UV, barrada no air-lift enquanto os sacos permitem passar. Os experimentos nos sacos plásticos foram conduzidos com e sem filtros UV. Cultivos em sacos plásticos sem filtro UV apresentaram valores maiores do que aqueles com filtros UV, em termos de concentração máxima média (22% maior) e produtividade (24% maior). Concluiu-se que a passagem de luz UV é responsável pela diferença no crescimento da microalga Scenedesmus sp. no fotobiorreator de baixo custo avaliado. A segunda etapa objetivou a quantificação de lipídios ao longo do cultivo: utilizando metodologia que combina o uso de corante Vermelho do Nilo, medidas de fluorescência e a metodologia Modelagem Quimiométrica com Componentes Espectrais Puros (PSCM). O ajuste dos resultados apresentou erro absoluto médio menor que 5% e R² de aproximadamente 0,99. Comprova-se que a metodologia de quantificação proposta neste projeto é mais eficiente que o método gravimétrico tradicional, exigindo menos de 30 minutos quando os métodos tradicionais podem levar até 5 horas. Na terceira etapa, avaliou-se o método de colheita das microalgas e suas melhores condições utilizando vinhaça como parte do meio de cultivo. Os métodos de sedimentação e flotação de ar dissolvido (FAD) foram comparados. Foram desenvolvidos planejamentos experimentais que avaliaram: pH, concentração de floculante e velocidade de agitação, em meios de cultivo contendo 0%, 20% e 40% de vinhaça, tanto para sedimentação como para flotação. Ambos métodos de separação apresentaram valores de eficiência acima de 85%. O pH foi uma variável que influenciou significativamente em todos os casos, sendo que o ideal seria trabalhar com pH 6,7, mas quando o meio contém 40% de vinhaça o pH deve ser ácido na sedimentação. Na última etapa, a pirólise rápida foi utilizada como alternativa para obtenção de bio-óleo. A biomassa de microalga foi pirolisada a 600°C, gerando bio-óleo, biochar e gás. O bio-óleo foi avaliado devido ao interesse na obtenção de produtos químicos de valor agregado. O rendimento do bio-óleo é de cerca de 20%, caracterizado pela presença de compostos nitrogenados (17,59%), oxigenados (19,76%) e hidrocarbonetos (14,13%) que podem ser separados para aplicação industrial.

In addition to the pollution problems caused by the widespread use of fossil fuels, the high energy demand in the industrial and domestic sectors makes it increasingly necessary to develop renewable energy sources with less environmental impact than traditional ones and with high productivity. A possible alternative to fossil fuel is the use of microalgae oil. This research analyzes technological alternatives for obtaining compounds of scientific interest from the cultivation of the microalgae Scenedesmus sp. The study was conducted in four stages: i) selection of photobioreactor (comparing the use of plastic bags as a low-cost photobioreactor vs. acrylic air-lift photobioreactor), ii) monitoring of lipid content during cultivation (proposing a method with fluorescence spectroscopy vs. traditional method) for automatic control of crops, iii) comparison of alternative methods for harvesting the produced biomass, and iv) analysis of existing by-products in the bio-oil generated by fast pyrolysis, aiming to obtain products with high added value. In the first stage, using plastic bags to cultivate Scenedesmus sp., a productivity of 0.53 g.L-1.day-1 was reached, while the air-lift photobioreactor presented results of 0.07 g.L-1.day-1. This difference in values led to considering the effect of UV radiation, barred in the air-lift, while the bags allow it to pass. The experiments in plastic bags were conducted with and without UV filters. Cultures in plastic bags without UV filters showed higher values than those with UV filters, in terms of average maximum concentration (22% higher) and productivity (24% higher). It was concluded that the passage of UV light was responsible for the difference in the growth of the microalgae Scenedesmus sp. in the evaluated low-cost photobioreactor. The second stage aimed to quantify lipids throughout the culture using a methodology that combines Nile red dye, fluorescence measurements, and the PSCM methodology (Pure Spectral Chemometric Modeling). The adjustment of the results presented an average absolute error of less than 5% and an R² of approximately 0.99. This proves that the quantification methodology proposed in this project is more efficient in terms of time than the traditional gravimetric method, requiring less than 30 minutes when traditional methods can take up to 5 hours. In the third stage, the microalgae harvest method and its best conditions were evaluated using vinasse as part of the cultivation medium. Sedimentation and dissolved air flotation (FAD) methods were compared. Experimental designs were developed that evaluated the following variables: pH, flocculant concentration, and agitation speed, in culture media containing 0%, 20%, and 40% vinasse, for both sedimentation and flotation. The harvest efficiency results showed that both sedimentation and dissolved air flotation (FAD) can be used, and both separation methods showed efficiency with values above 85%. The pH was a variable that significantly influenced all cases, and the ideal would be to work with pH 6.7; however, when the medium contains 40% vinasse, the pH must be acidic in the sedimentation. In the last stage, fast pyrolysis was used as an alternative to obtain bio-oil. The microalgae biomass was pyrolyzed at 600°C, producing bio-oil, biochar, and gas. The bio-oil was evaluated for its potential in obtaining high-value-added chemical products. The bio-oil yield was about 20%, characterized by the presence of nitrogenous (17.59%), oxygenated (19.76%), and hydrocarbon (14.13%) compounds that can be separated for industrial application.