COMPARAÇÃO DE MEIOS DE CULTIVO AUTOTRÓFICOS,      MIXOTRÓFICOS E HETEROTRÓFICOS PARA PRODUÇÃO DE    BIOMASSA DE MICROALGAS...
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contribui para a viabilidade econômica do processo. A Tabela 2 apresenta o preço dos co-produtos obtidos demicroalgas, evi...
REFERÊNCIASANDRADE, M. R.; COSTA, J. A. Cultivo da microalga Spirulina plantensis em fontes alternativas denutrientes. Ciê...
REICHERT, C. C.; REINEHR, C. O.; COSTA, J. A. V.. Semicontinuous cultivation of the cyanobacteriumSpirulina platensis in a...
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Artigo 3 comparação de meios de cultivo autotróficos, mixotróficos e heterotróficos para produção de biomassa de microalgas com foco em biocombustíveis e co-produtos

  1. 1. COMPARAÇÃO DE MEIOS DE CULTIVO AUTOTRÓFICOS, MIXOTRÓFICOS E HETEROTRÓFICOS PARA PRODUÇÃO DE BIOMASSA DE MICROALGAS COM FOCO EM BIOCOMBUSTÍVEIS E CO-PRODUTOSAna Carolina Cunha Arantes1, Maria Judite Dzuman2, Janaina Alana Bosa3, Keli Cristiane Correia Morais4, WellingtonBalmant5, Raevon Pulliam6, José Viriato Coelho Vargas7, Luiz Pereira Ramos8, André Bellin Mariano91 Química, Mestranda, Departamento de Química, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – aninhacunha@gmail.com2 Graduanda de Tecnologia de Bioprocessos e Biotecnologia, UTP, Curitiba, PR, Brasil – mdzuman@ufpr.br3 Graduanda de Tecnologia de Bioprocessos e Biotecnologia, UTP, Curitiba, PR, Brasil – janaina_alana@hotmail.com4 Bióloga, Mestranda do PIPE, NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil - biokeli2000@gmail.com5 Engenheiro de Bioprocessos, MsC., Doutorando em Ciências – Bioquímica, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – wbalmant@gmail.com6 Engenheira Mecânica, MsC., Doutoranda PIPE – NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, – raevonpulliam@gmail.com7 Engenheiro Mecânico, PhD., Departamento de Engenharia Mecânica, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – jvargas@demec.ufpr.br8 Químico, PhD, Departamento de Química, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – lramos@quimica.ufpr.br9 Farmacêutico Bioquímico–Industrial, DsC., NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – andrebmariano@gmail.com RESUMOAs microalgas são fontes promissoras para produção de biocombustíveis devido ao seu potencial de crescimentoe teor de óleo. No entanto, muitos estudos ainda são necessários, principalmente em relação à tecnologia ecomposição do meio de cultivo. O Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto-Sustentável(NPDEAS) da UFPR desenvolveu um Fotobiorreator (FBR) Tubular Compacto que fornece condições ideaispara crescimento de microalgas. Entretanto, a composição do meio de cultivo precisa ser estudada para permitirmaior produtividade. Desta forma, o objetivo deste trabalho consistiu na avaliação da produtividade embiomassa e óleo de diferentes microalgas cultivadas em meios distintos encontrados na literatura. Foram levadasem consideração as espécies de microalgas utilizadas, o meio de cultivo, regime de crescimento (autotrófico,mixotrófico e heterotrófico) e a produção de óleo e co-produtos. Um estudo foi realizado no NPDEAS aotrabalhar com a Phaeodactylum tricornutum em cultivos autotrófico e mixotrófico. Nestes resultados, assimcomo na literatura, a adição de carbono orgânico promoveu aumento da produção de biomassa e óleo. Aavaliação da produção de co-produtos para diferentes microalgas indicou o potencial de empreendimentosbiotecnológicos desta natureza.Palavras chave: biomassa, biocombustíveis, microalgas, co-produtos, meios de cultivo, faturamento anual. ABSTRACTComparision of autotrophic, heterotrophic, and mixotrophic cultivation for biomass production of microalgaewith focus on biofuels and co-products. Microalgae are promising sources for biofuel production because of theirpotential for growth and oil content. Yet many studies are still needed, especially in relation to technology andcomposition of the medium. The Center for Research and Development of Self-Sustainable Energy (NPDEAS)UFPR developed a tubular compact photobioreactor (PBR) which provides ideal conditions for the growth ofmicroalgae. However, the composition of the culture medium needs to be studied to enable greater productivity.Therefore, the objective of this study was to evaluate the productivity of biomass and oil from microalgae grownin different culture media founded in the literature. The species of microalgae used, the culture medium, growthregime (autotrophic, mixotrophic and heterotrophic) and production of oil and co-products were taken intoconsideration. An investigation was conducted at NPDEAS with Phaeodactylum tricornutum cultures inautotrophic and mixotrophic cultivation processes. As found by these results, and supported by the literature, theaddition of organic carbon promoted increased production of biomass and oil. The evaluation of production ofco-products for different microalgae showed the potential of biotechnological developments of this nature.Keywords: biomass, biofuels, microalgae, the co-products, culture medium, annual revenues.INTRODUÇÃO As microalgas são uns dos organismos mais antigos existentes e apresentam-se em formasunicelulares ou em cadeia. A composição diferencial das microalgas em ácidos graxos de cadeias longas,principalmente insaturadas como Omega-3 e Omega-6, além da alta concentração de proteínas e carboidratos
  2. 2. torna-as fontes ideais para o preparo de alimentos funcionais, aditivos de alimentos ou até mesmo nutracêuticos(RODRIGUES et al., 2004) . Isso justifica o fato de que o mercado de microalgas está centralizado nas indústriasde alimentos, farmacêutica, de cosméticos e aqüicultura. Todavia, tanto o seu potencial de crescimento quanto oteor de óleo estão chamando atenção para o seu uso na área de biocombustíveis (CHISTI, 2007). Existem maisde 105 tipos de microalgas passíveis de serem utilizadas como matéria prima para produção de biodiesel(SATYANARAYANA et al., 2010). Tradicionalmente, as microalgas são cultivadas em tanques (Figura 1A) que ocupam grandes áreas eapresentam baixo aproveitamento volumétrico. Recentemente estão sendo desenvolvidos em todo o mundosistemas de cultivo aberto conhecidos como fotobiorreatores (FBR) cujos elementos principais podem ser vistosna (Figura 1B). Estes sistemas apresentam custo de construção mais elevado que os tanques ou lagoas, masapresentam a vantagem de possuir maiores taxas de crescimento, melhor aproveitamento de CO 2 e menoresíndices de contaminação (SATYANARAYANA et al., 2010). O Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento deEnergia Auto-Sustentável da UFPR desenvolveu um Fotobiorreator (FBR) Tubular Compacto que fornececondições ideais para crescimento das microalgas (Figura 1C).Figura 1 – Sistemas de cultivo de microalgas: (A) Sistema de cultivo aberto – Lagoas, tanques, raceways ponds; (B) Sistema de cultivofechado: Fotobiorreatores; (C) Fotobiorreator desenvolvido pelo NDPEAS – UFPR.Figure 1 – Microalgae cultivation systems: (A) Open cultivation systems – Lakes, ponds, raceways ponds; (B) Closed cultivation systems:Photo bioreactors; (C) Photo bioreactor develop by NDPEAS – UFPR. O principal metabolismo energético das microalgas consiste na obtenção de energia na formaautotrófica. Assim como as plantas, esses microorganismos utilizam a energia luminosa para fazer a reação entreo CO2 e a H2O para a produção de açúcar (C6H12O6) conforme representado de forma esquemática na Figura 2A.Esse carbono, fixado na forma de glucose, é utilizado na célula para a síntese das demais moléculas importantespor diferentes vias metabólicas (glicólise, ciclo de Krebs, síntese de lipídeos, síntese de aminoácidos, etc).Entretanto, as microalgas também podem utilizar fontes de carbono orgânico como única fonte de energia emmetabolismo heterotrófico ou, ainda, em combinação com a fotossíntese, em metabolismo denominadomixotrófico (Figura 2B). Muitos trabalhos na literatura avaliam os efeitos da composição do meio de cultivo (autotrófico,mixotrófico ou heterotrófico) na produtividade de biomassa, óleo ou algum co-produto de interesse comercial.Não foram encontrados na literatura trabalhos que analisassem o custo do meio de cultivo e as produtividades debiomassa, que corresponde a um estudo de grande relevância na pesquisa e no desenvolvimento de tecnologiasde produção de biocombustíveis. Com isso, o objetivo deste trabalho foi o da revisão bibliográfica destes artigos,bem como da análise de experimentos realizados no NPDEAS, com o intuito de avaliar os custos de produção, orendimento de co-produtos e assim determinar os melhores meios para otimização do processo.
  3. 3. Figura 2 – Metabolismo das microalgas: (A) Representação da fotossíntese e destinos metabólicos da glucose no metabolismo celular; (B)Diferenças entre os metabolismos autotróficos, heterotróficos e mixotróficos.Figure 2 – Microalgae metabolism: (A) Photosynthesis and metabolic destinations of glucose in cellular metabolism; (B) Differencesbetween autotrophic, heterotrophic and mixotrophic metabolisms.MATERIAIS E MÉTODOSColeta de dados através de revisão da literatura e experimentos realizados no NPDEAS Uma revisão bibliográfica foi realizada na base de dados Web of Science, coletando dados sobre aprodutividade de biomassa, de óleo e de co-produtos de diferentes microalgas para avaliar custos de produçãoem relação à composição do meio de cultivo e estimar o faturamento em relação à obtenção de co-produtos. Em adição aos dados da literatura, também foram analisados os resultados de experimentos realizadospelo NPDEAS com o crescimento da microalga P. tricornutum em regime autotrófico e mixotrófico, na presençade glicerol bruto em diferentes concentrações.Avaliação da composição de meios de cultivo autotróficos, heterotróficos e mixotróficos sobre ocrescimento de biomassa de microalgas e teor de óleo Com base nos dados publicados na literatura (representados nas Tabelas 3 a 5), foram selecionadosresultados de maior produtividade e uma análise na composição dos meios de cultivo foi realizada. Para fins decomparação, foram considerados a quantidade elementar de Nitrogênio, Fosfato, Ferro, EDTA eCianocobalamina. A Tabela 1 fornece uma estimativa do custo da produção de biomassa e óleo para cadasituação. Devido à falta de padronização dos meios de cultivo e experimentos descritos na literatura, não foramanalisadas vitaminas e sais minerais presentes em quantidades insignificantes e com baixo impacto no custo totaldo meio de cultivo.Tabela 1 – Estimativa de custo de Nitrogênio, Fosfato, Ferro, EDTA e CianocobalaminaTable 1 – Cost estimative for Nitrogen, Phosfate, Iron, EDTA and Cyanocobalamin Substância Fórmula Massa Molar Custo (R$.g-1)* Elemento Massa Molar Custo (R$.g-1) Nitrato de Sódio NaNO3 84,990 0,030 Nitrogênio 14,007 0,006 Fosfato de Sódio NaH2PO4.7H2O 246,085 0,038 Fosfato 94,972 0,015 Cloreto de Ferro FeCl3.6H2O 270,302 0,088 Ferro 55,85 0,018 EDTA C10H16N2O8 292,245 0,090 - - 0,090 Cianocobalamina C63H88CoN14O14P 1355,371 444,0 - - 444,0 * Valores médios praticados em junho de 2010 na compra de atacado.
  4. 4. Avaliação da produtividade de co-produtos e faturamento anual O faturamento anual para empreendimentos que cultivam microalgas foi calculado utilizando umafórmula empírica (Equação 1), considerando um FBR com 10 m3 de capacidade similar ao construído peloNPDEAS na UFPR (Figura 1B). Foram desconsiderados os custos envolvidos no processo de produção demicroalgas como, por exemplo, custos com operação de fotobiorreatores ou tanques, separação de biomassa eco-produtos, funcionários, impostos e transporte. F  320000( PRX .PX  PRc .Pc  PRAST .PAST  PRDHA .PDHA  PRCLO.PCLO ) Eq. 1onde:F = Faturamento anual de um fotobiorreator de 10 mil litrosPR = Preço de venda dos co-produtos do fotobiorreator (R$.g-1) conforme Tabela 5P = Produtividade diária dos co-produtos do fotobiorreator (kg.L-1.d-1)X = Biomassac = carotenoAST = AstaxantinaDHA = Ácido docosa-hexaenóico A Tabela 2 apresenta os preços de co-produtos de microalgas que foram utilizados para a avaliação dofaturamento anual.Tabela 2 – Preço dos co-produtos de microalgasTable 2 – Microalgae co-products prices Co-produtos de microalgas Preço R$.g-1 Fonte referências -Caroteno 5,10 SPOLAORE et al., 2006 Astaxantina 15,73 BRENNAN & OWENDE, 2010 Biomassa 0,08 BRENNAN & OWENDE, 2010 Óleo Rico em DHA 94,60 BRENNAN & OWENDE, 2010 Clorofila 20,89 http://www.mothernature.com/s/Chlorophyll/1184.htmlRESULTADOS E DISCUSSÃOMeios de cultivos autotróficos, mixotróficos e heterotróficos As Tabela 3, 4 e 5 centralizam as informações coletadas na literatura a respeito de cultivos autotróficos,mixotróficos e heterotróficos de várias microalgas, respectivamente. Foram considerados o meio de cultivo,fonte de carbono orgânico, produtividade da biomassa e porcentagem de óleo.Avaliação dos efeitos do glicerol sobre o crescimento de microalga Em cultivo de microalgas, a fonte de nutrientes é importante, já que corresponde a mais de 60% docusto de produção. A adição de fonte de carbono adicional a estes cultivos possibilita maior rendimento embiomassa, já que haverá maior disponibilidade de carbono, além do produzido através do metabolismofotossintético. Os experimentos de crescimento de microalgas do NPDEAS foram realizados utilizando glicerolcomo fonte de carbono orgânico. O glicerol foi escolhido devido a sua importância no cenário de produção debiodiesel. Atualmente, muitos trabalhos estão investigando a possibilidade de utilização do glicerol paraprodução de energia, aditivos de biodigestão, produção de compósitos ou blendas poliméricas biodegradáveis. Ouso do glicerol como substrato para microalgas se apresenta como uma nova possibilidade para esse co-produto(SATYANARAYANA et al., 2010). Nestes experimentos, observaram-se aumentos de 22% na quantidade debiomassa e 27% na quantidade de lipídeo pela adição de glicerol no meio de cultivo. O cultivo mixotrófico resultou no maior rendimento de biomassa, que pode ser justificado pelo fato deque o uso de fonte adicional de carbono minimiza as conseqüências geradas pelo autossombreamento(ANDRADE & COSTA, 2008). A assimilação do carbono inorgânico fica prejudicada devido à alta densidadecelular, devido à baixa disponibilidade de luz. Quando a microalga assimila mais carbono, tem-se maiorprodução de carboidratos, proteínas e lipídeos (DERNER, 2006).
  5. 5. Tabela 3 – Produtividade de biomassa e óleo para microalgas cultivadas em regime autotróficoTable 3 – Biomass and oil productivity from microalgae cultivated in autotrophic conditions Biomassa seca Óleo Microalga (Espécie) Composição Fonte (g.L-1.d-1) (g.L-1.d-1) Nannochloropsis oculata F / 2 Guillard 0,120 - OHSE, 2009 Chaetoceros muelleri F / 2 Guillard 0,140 - OHSE, 2009 Thalassiosira fluviatilis F / 2 Guillard 0,180 - OHSE, 2009 Isochrysis galbana F / 2 Guillard 0,150 - OHSE, 2009 Thalassiosira pseudonana F / 2 Guillard 0,170 - OHSE, 2009 Isochrysis SP F / 2 Guillard 0,110 - OHSE, 2009 Phaeodactylum tricornutum F / 2 Guillard 0,100 - OHSE, 2009 Tetraselmis Chuí F / 2 Guillard 0,110 - OHSE, 2009 Tetraselmis suecica F / 2 Guillard 0,080 - OHSE, 2009 Chlorella vulgaris WC 0,060 - OHSE, 2009 Botryococcus braunii Chu 13 + 10% CO2 0,026 0,0055 CHAN, 2010 Chlorella vulgaris BG11 + 10% CO2 0,104 0,0069 CHAN, 2010 Scenedesmus sp. BG11 + 10% CO2 0,217 0,0207 CHAN, 2010 Chlorella sp. Walne’s + Uréia 0,240 0,1240 CHIH-HUNG,2009 Bold’s Basal + Scenedesmus sp. 0,020 0,0002 KIM, 2007 Fermentado de porco Isochrysis galbana Ukeles 0,440 0,2077 SANCHEZ, 2000 Nannochloropsis sp. Guillard’s 0,060 0,0054 HU, 2003 Spirulina platensis Zarrouk 0,040 - REICHERT, 2006 Nannochloropsis sp. F / 2 Guillard 0,056 0,0179 FANG, 2004 Phaeodactylum tricornutum F / 2 Guillard 0,041 0,0170 NPDEASTabela 4 – Produtividade de biomassa e óleo para microalgas cultivadas em regime mixotróficoTable 4 – Biomass and oil productivity from microalgae cultivated in mixotrophic conditions Biomassa seca Óleo Microalga (Espécie) Composição Carbono Orgânico Fonte (g.L-1.d-1) (g.L-1.d-1) Chlorella zofingiensis Glicose 1,130 PO-FUNG I., 2004 Spirulina platensis Zarrouk Melaço em pó 0,066 ANDRADE, 2008 Spirulina platensis Zarrouk Melaço líquido 0,098 ANDRADE, 2008 Nannochloropsis sp. Guillard’s Acetato de sódio 0,060 0,0048 HU, 2003 Phaeodactylum tricornutum Ukeles Glicerol 0,420 0,0086 CERÓN, 2005 Phaeodactylum tricornutum Ukeles Glicina 0,264 0,0049 CERÓN, 2005 Phaeodactylum tricornutum Ukeles Glucose 0,256 0,0065 CERÓN, 2005 Phaeodactylum tricornutum Ukeles Lactato 0,185 0,0041 CERÓN, 2005 Chlorella vulgaris - Glucose 0,254 0,0540 LIANG, 2009 Nannochloropsis sp. F / 2 Guillard Glucose 0,079 0,0298 FANG, 2004 Nannochloropsis sp. F / 2 Guillard Etanol 0,073 0,0248 FANG, 2004 Phaeodactylum tricornutum F / 2 Guillard Glicerol (0,05 mol.L-1) 0,047 0,0210 NPDEAS Phaeodactylum tricornutum F / 2 Guillard Glicerol (0,10 mol.L-1) 0,048 0,0220 NPDEAS Phaeodactylum tricornutum F / 2 Guillard Glicerol (0,15 mol.L-1) 0,050 0,0220 NPDEASTabela 5 – Produtividade de biomassa e óleo para microalgas cultivadas em regime heterotróficoTable 5 – Biomass and oil productivity from microalgae cultivated in heterotrophic conditions Biomassa seca Óleo Microalga (Espécie) Composição Carbono Orgânico Fonte (g.L-1.d-1) (g.L-1.d-1) Chlorella protothecoides - Glucose 0,740 0,3940 GAO, 2009 Chlorella protothecoides - Hidrólise ácida de sorgo 0,660 GAO, 2009 Hidrólise enzimática de Chlorella protothecoides - 1,200 0,5870 GAO, 2009 sorgo Chlorella protothecoides - Glucose 1,430 0,6680 CHENG, 2009 Chlorella protothecoides - Fermentado de cana 1,220 0,5420 CHENG, 2009 Chlorella protothecoides - Glucose 2,020 0,9410 LI, 2007 Chlorella vulgaris - Glucose 0,151 0,0350 LIANG, 2009 Nannochloropsis sp. F / 2 Guillard Glucose 0,047 0,0198 FANG, 2004 Nannochloropsis sp. F / 2 Guillard Etanol 0,038 0,0140 FANG, 2004 Os resultados podem ser analisados na Figura 3A e o aspecto do cultivo mixotrófico desta microalga, napresença do glicerol, pode ser observada na Figura 3C. Fica evidente o aumento da densidade celular peloaumento da coloração do meio de cultivo (Figura 3C), em comparação com o início do experimento (Figura 3B).
  6. 6. Figura 3 – (A) Produtividade de biomassa e óleo da microalga Phaeodactylum tricornutum em diferentes concentrações de glicerol (0–0,15mol.L-1). Imagem do cultivo mixotrófico da microalga P. tricornutum com adição de glicerol: (B) Início do cultivo; (C) Final do cultivo.Figure 3 – (A) Biomass and oil productivity of microalgae Phaeodactylum tricornutum in different glycerol concentrations (0–0.15 mol.L-1).Picture of myxotrophic cultivation of microalgae P. tricornutum with addition of glicerol: (B) Initiation of cultivation; (C) End of growing.Efeitos da composição dos meios de cultivo na produtividade de biomassa e óleo Para avaliar o custo de produção de biomassa e óleo, foi levado em consideração apenas a composiçãodo meio de cultivo e foram selecionados os dados das microalgas com os maiores crescimentos descritos nasTabelas 3, 4 e 5. Os dados foram analisados de forma separada conforme o regime de cultivo: autotrófico(Tabela 6), mixotrófico (Tabela 7) e heterotrófico (Tabela 8).Custo de produção de biomassa e óleo em cultivos autotróficos A microalga I. galbana apresentou o melhor desempenho em cultivo autotrófico com a produtividadeem biomassa de 0,443 g.L-1.dia-1 e em óleo de 0,208 g.L-1.dia-1. A produção total de biomassa em 7 dias decultivo foi de 3,1 g.L-1 (SANCHEZ et al., 2000). O somatório dos nutrientes principais deste meio de cultivoapresenta uma concentração de 0,032 g.L-1. Isso pode indicar que a maior fonte de matéria para conversão embiomassa nessa microalga consistiu no CO2 atmosférico utilizado no experimento. O custo de produção debiomassa (R$ 5,32.kg-1) foi o menor dentre todos os analisados (mesmo comparando com cultivos mixotróficos eheterotróficos). A mesma análise, realizada para a microalga Chlorella sp. (CHIH-HUNG & WEN-TENG, 2009)apresenta um dado importante. A produção de biomassa de Chlorella sp obtida nos cultivos autotróficosconsistiu em 0,237 g.L-1.dia-1 a um custo elevado de R$ 5.749,2.kg-1. Isso se justifica pela composição do meiode cultivo, cujo somatório das massas apresentou a concentração de 39,84 g.L-1. A produção de biomassa em 6dias de cultivo foi de 1,422 g.L-1, demonstrando que a maior parte dos nutrientes adicionados não foi convertidaem microalgas. O custo de produção da biomassa da microalga Scenedesmus sp. foi de R$ 217,23.kg-1 e a quantidadede matéria do meio de cultivo, de 1,55 g.L-1, representa a metade da concentração de biomassa obtida (3,1 g.L-1)depois de 14 dias de cultivo (CHAN YOO et al., 2009).Tabela 6 – Composição dos principais componentes dos meios de cultivo autotróficos para microalgasTable 6 – Composition of the main components of autotrophic cultivation medium for microalgae Microalga Isochrysis galbana(1) Chlorella sp.(2) Scenedesmus sp.(3) -1 -1 Biomassa (g.L .dia ) 0,443 0,237 0,217 Óleo (mg.L-1.dia-1) 0,208 0,124 0,021 Composição do Meio de Cultivo Nitrogênio (g.L-1) 0,028 19,8 1,500 Ferro (g.L-1) 0,001 0,001 0,006 Fosfato (g.L-1) 0,003 20,000 0,040 EDTA (g.L-1) 0,000 0,045 0,001 Cianocobalamina (μg/L) 3,000 10 0,000 Custo Total R$ 0,002 R$ 1,36 R$ 0,047 Custo por kg de biomassa R$ 5,32 R$ 5.749,2 R$ 217,23 Custo por g de óleo R$ 11,34 R$ 10.988,42 R$ 2.282,71 1 – (SÁNCHEZ et al., 2000), 2 – (WEN-TENG WU et al., 2009), 3 – (CHAN YOO et al., 2009)
  7. 7. Custo de produção de biomassa e óleo em cultivos mixotróficos As microalgas cultivadas em regime mixotrófico (Tabela 8) apresentaram produtividades maiores queas de cultivos autotróficos, indicando que a adição de fonte de carbono pode propiciar aumento da produção debiomassa. Mesmo sem considerar os custos das fontes de carbono (glucose, glicerol ou glicina), os custos deprodução das microalgas C. zofingiensis (PO-FUNG et al., 2003) e P. tricornutum (CERÓN GARCIA et al.,2005) foram maiores que a microalga I. galband (SANCHEZ et al., 2000) e variaram de R$ 8,87 à 14,11.kg-1.As relações de quantidade de matéria no meio de cultivo para biomassa produzida para as microalgas: a) C. zofingiensis (com glucose): 6,03 g.L-1 matéria no meio / 3,4 g.L-1 biomassa seca b) P. tricornutum (com glicerol): 9,55 g.L-1 matéria no meio / 2,99 g.L-1 biomassa seca c) P. tricornutum (com glicina): 0,80 g.L-1 matéria no meio / 2,46 g.L-1 biomassa secaTabela 7 – Composição dos principais componentes dos meios de cultivo mixotrófico para microalgasTable 7 – Composition of the main components of mixotrophic cultivation medium for microalgae Microalga C. zofingiensis(1) P. tricornutum(2) P. tricornutum(2) Biomassa (g.L-1.dia-1) 1,133 0,420 0,264 Óleo (mg.L-1.dia-1) * 0,009 0,005 Composição do Meio de Cultivo Carbono |Glucose 5 g.L-1 Glicerol 9,5 g.L-1 Glicina 0,75 g.L-1 Nitrogênio (g.L-1) 0,750 0,017 0,017 Ferro (g.L-1) 0,005 0,005 0,005 Fosfato (g.L-1) 0,275 0,016 0,016 EDTA (g.L-1) 0,000 0,010 0,010 Cianocobalamina (μg/L) 0,000 3,000 3,000 Custo Total R$ 0,033 R$ 0,004 R$ 0,004 Custo por g de biomassa R$ 29,46 R$ 8,87 R$ 14,11 Custo por mg de óleo ** R$ 433,16 R$ 760,25 1 – (PO-FUNG et al., 2003), 2 – (GARCIA et al., 2004); * Não informado na fonte; ** Não calculado.Custo de produção de biomassa e óleo em cultivos heterotróficos As microalgas analisadas em regime de crescimento heterotrófico foram todas da espécie C.protothecoides e apresentaram melhores desempenhos que os cultivos em regimes autotróficos e mixotróficos.As produtividades variaram de 1,22 – 2,02 g.L-1.dia-1 com custos de produção variando de R$ 1,89 à 3,14.kg-1.Tabela 8 – Composição dos principais componentes dos meios de cultivo heterotrófico para microalgasTable 8 – Composition of the main components of heterotrophic cultivation medium for microalgae Microalga C. protothecoides(1) C. protothecoides(2) C. protothecoides(2) Biomassa (g.L-1.dia-1) 2,020 1,430 1,220 Óleo (mg.L-1.dia-1) 0,941 0,668 0,542 Composição do Meio de Cultivo Carbono Glucose 12 g.L-1 Glucose 20 g.L-1 Fermentado de cana 20 g.L-1 Nitrogênio (g.L-1) 0,000 0,000 0,000 Ferro (g.L-1) 0,003 0,003 0,003 Fosfato (g.L-1) 1,000 1,000 1,000 EDTA (g.L-1) 0,000 0,000 0,000 Cianocobalamina (μg/L) 0,000 0,000 0,000 Custo Total R$ 0,038 R$ 0,038 R$ 0,038 Custo por g de biomassa R$ 1,89 R$ 2,68 R$ 3,14 Custo por mg de óleo R$ 4,01 R$ 5,73 R$ 7,06 1 – (XIUFENG LI et al., 2007), 2 – (YUN CHENG et al., 2009)Avaliação da produtividade de co-produtos e faturamento anual A estimativa de produtividade anual, calculada para empreendimentos utilizando dados da literatura(Eq. 1 e Tabela 2), encontram-se representados na Tabela 9. Ao analisar os dados, percebe-se que a maiorporcentagem de óleo foi obtida por Wen-Teng Wu e colaboradores (2009), com 52%. Entretanto, o maiorfaturamento anual poderia ser obtido com os resultados de Kim e colaboradores (2003) devido à quantidade deco-produtos recuperados. Isso não significa que as outras microalgas não estejam produzindo co-produtos deinteresse comercial, apenas indica que eles não estão sendo considerados. Este fato demonstra a importância derecuperar os co-produtos gerados na produção de microalgas, já que possuem um valor comercial alto que
  8. 8. contribui para a viabilidade econômica do processo. A Tabela 2 apresenta o preço dos co-produtos obtidos demicroalgas, evidenciando sua grande importância econômica. Outro aspecto importante demonstrado na Tabela9 é que a maior produção de biomassa foi em regime mixotrófico com adição de glicose no meio de cultura (PO-FUNG IP et al., 2003). Isso demonstra que a incorporação uma fonte de carbono externa pode colaborar com oaumento da produtividade, pois cultivos estritamente autotróficos na sua grande maioria têm uma produçãomuito baixa de biomassa (KIM et al., 2006; HU HANHUA et al. 2003). Uma análise importante é a comparação do faturamento anual estimado para o cultivo da microalgaPhaeodactylum tricornutum na ausência e presença de glicerol, R$ 103.910,40 e R$ 126.720,00,respectivamente. Desde que a fonte de carbono utilizada seja de baixo custo, o crescimento mixotróficoapresenta-se lucrativo. Uma análise mais refinada dos dados, levando-se em consideração o custo das matériasprimas e operação dos fotobiorreatores e processos, deverá ainda ser realizada para a melhor compreensão destesresultados.Tabela 9 – Estimativa da Produtividade Anual para empreendimentos produtores de microalgas com foco em co-produtospara reatores de 10 m3Table 9 –Annual Productivity Estimative for enterprises producing microalgae with focus on co-products Microalga Cultivo Produtividade Óleo caroteno Astaxantina DHA Clorofila Faturamento * (g.L-1.d-1) (%) mg.L-1.d-1 mg.L-1.d-1 mg.L-1.d-1 mg.L-1.d-1 Anual (R$)Scenedesmus sp. T./A(1) 0,016 0,9 0,05 1,12 - 5,9 438.310,4Nannochlropsis sp. T./A(2) 0,063 9,0 - - 1,4 - 439.774,7B. braunii T./A(3) 0,200 30,0 - - - - 50.688,0P. tricornutum F/A(4A) 0,041 17,0 - - - - 103.910,4P. tricornutum F/M(4B) 0,050 22,0 - - - - 126.720,0Chlorella sp. F/M(5) 0,237 52,0 - - - - 60.065,3C. zofingiensis T./M(6) 0,850 21,0 - 4,00 - - 306.944,0C. protothecoides F/H(7) 0,358 46,7 - - - - 90.604,8C. protothecoides F/H(7) 0,305 44,4 - - - - 77.299,2* T = tanque, F = Fotobiorreator, A = autotrófico, M = Mixotrófico, H = Heterotrófico; (1) – KIM et al. (2006); (2) – HANHUA HU et al.(2003); (3) – DAYANANDA et al. (2006); (4) Dados retirados da Figura 3A (NPDEAS); (5) – WEN-TENG WU et al. (2009); (6) PO-FUNG et al.(2003); (7) – YUN CHENG et al. (2009)CONCLUSÕES A pesquisa e o desenvolvimento da tecnologia de cultivo de microalgas é um ponto estratégico para oseu uso como matéria prima para produção de biocombustíveis. Parte do trabalho consiste no desenvolvimentode equipamentos que propiciem aumento da produtividade (fotobiorreatores, aeradores para tanques,homogeneizadores, entre outros). Os experimentos realizados com a microalga P.tricornutum pelo NPDEAS eapresentados neste trabalho consistiram na modificação do meio de cultivo, que são similares aos dadosencontrados na literatura e indicam que o uso de fontes de carbono orgânico em crescimento mixotróficoaumenta a produtividade de biomassa seca e, em alguns casos, de óleo. Mais estudos serão necessários para aotimização dos parâmetros envolvidos. A análise dos dados da literatura, em relação ao custo de produção e regime de cultivo, demonstra omelhor desempenho dos cultivos heterotróficos, seguidos pelos cultivos mixotróficos e autotróficos. Para que oscultivos autotróficos e mixotróficos melhorem as produtividades e diminuam os custos, deve-se utilizar matériasprimas de baixo valor agregado como rejeitos agrícolas, urbanos ou industriais, em substituição aos nutrientesempregados. A simples utilização de fertilizantes agrícolas ainda não é a solução para o problema do custo deprodução. Torna-se necessária a verificação das quantidades de matéria presentes no cultivo e a quantidade debiomassa produzida. Outro ponto importante em empreendimentos com microalgas é o aproveitamento de todos os co-produtos não utilizados para produção de biocombustíveis. Os alto teores de pigmentos, vitaminas, anti-oxidantes e ácidos graxos nobres presentes na biomassa de microalgas, e que apresentam altos valorescomerciais, praticamente inviabilizam o uso dos resíduos da biomassa para biodigestão ou como fertilizantessem o prévio fracionamento.AGRADECIMENTOS O NPDEAS agradece ao CNPq, CAPES e Nilko Metalurgia Ltda. pelo financiamento das pesquisas, aUFPR pela infraestrutura e ao Grupo Integrado de Aquicultura (GIA – UFPR) pelo espaço de trabalho e preparodo inóculo.
  9. 9. REFERÊNCIASANDRADE, M. R.; COSTA, J. A. Cultivo da microalga Spirulina plantensis em fontes alternativas denutrientes. Ciência Agrotecnológica , p.1551-1556, 2008.BRENNAN, L; OWENDE, P.M.O. Biofuels from microalgae – A review of technologies for production,processing and extractions of biofuels and co-products. Renewable & Sustainable Energy Reviews, v. 14, p. 557-577, 2010.CERÓN GARCÍA, M.C.; FERNÁNDEZ SEVILLA, J.M.; ACIÉN FERNÁNDEZ, F.G. ; MOLINA GRIMA,E.; GARCÍA CAMACHO, F.. Mixotrophic growth of Phaeodactylum tricornutum on glycerol: growth rate andfatty acid profile. Journal of Applied Phycology, v.12, p.239–248, 2000.CERÓN GARCIA, M. C.; GARCÍA CAMACHO, F.; SÁNCHEZ MIRÓN, A.; FERNÁNDEZ SEVILLA, J. M;MOLINA GRIMA, E.. Mixotrophic growth of the microalga Phaeodactylum tricornutum: Influence of differentnitrogen and organic carbon sources on productivity and biomass composition. Process Biochemistry, v. 40,p.297-305, 2005.CERÓN GARCIA, M. C.; GARCÍA CAMACHO, F.; SÁNCHEZ MIRÓN, A.; FERNÁNDEZ SEVILLA, J. M;CHISTI, Y.; MOLINA GRIMA, E.. Mixotrophic production of marine microalga Phaeodactylum tricornutum onvarious carbon sources. J. Microbiol. Biotechnol v. 16, p. 689-694, 2006.CHAN, Y.; JUN S.Y.; LEE, J.Y.; AHN, C.Y.; OH, H.M.. Selection of microalgae for lipid production underhigh levels carbon dioxide. Bioresource Technology, v. 101, p. 71-74, 2010.CHENG, Y.; LU, Y.; GAO, C.; WU, Q.. Alga-Based Biodiesel Production and Optimization Using Sugar Caneas the Feedstock. Energy & Fuels, v.23, p. 4166–4173, 2009.CHIH-HUNG, H.; WEN-TENG, W.. Cultivation of microalgae for oil production with a cultivation strategy ofurea limitation. Bioresource Technology, v.100, p.3921-3926, 2009.CHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, v. 25, p. 294-306, 2007.DERNER, R. B. Efeito de fontes de carbono no crescimento e na composição bioquimica das microalgasChaetoceros muelleri e Thalassiossira fluviatilis, com ênfase no teor de ácidos graxos poliinsaturados. Tese dedoutorado em Ciência dos Alimentos pela Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis, 2006.FANG; X.; WEI, C.; ZHAO-LING, C.; FAN, O.. Effects of organic carbon sources on cell growth andeicosapentaenoic acid content of Nannochloropsis sp. Journal of Applied Phycology, v.16, p. 499–503, 2004.GAO, C.; ZHAI, Y.; DING, Y.; WU, Q.. Application of sweet sorghum for biodiesel production byheterotrophic microalga Chlorella protothecoides. Applied Energy, v.87, p.756-761, 2010.HU, H.; GAO, K. . Optimization of growth and fatty acid composition of a unicellular marine picoplankton,Nannochloropsis sp., with enriched carbon sources. Biotechnology Letters, v. 25, p.421-425, 2003.KIM, M.K.; PARK, J.W.; PARK, C.S.; KIM, S.J.; JEUNE, K.H.; CHANG, M.U.; ACREMAN, J.. Enhancedproduction of Scenedesmus sp. (green microalgae) using a new medium containing fermented swine wastewater.Bioresource Technology, v. 98, p. 2220-2228, 2007.LI, X.; XU, H.; WU, Q.. Large-Scale Biodiesel Production From Microalga Chlorella protothecoides ThroughHeterotrophic Cultivation in Bioreactors. Biotechnology and Bioengineering, v. 98, 2007.LIANG, Y.; SARKANY, N.; CUI, Y.. Biomass and lipid productivities of Chlorella vulgaris under autotrophic,heterotrophic and mixotrophic growth conditions. Biotechnology Letters, v.31, p.1043–1049, 2009.OHSE, S.; DERNER, R. B.; OZÓRIO, R.A.; BRAGA, M.V.C.; CUNHA, P.; LAMARCA, C.P.; SANTOS,M.E.. Produção de biomassa e teores de carbono, hidrogênio, nitrogênio e proteína em Microalgas. CiênciaRural, v.39, p.1760-1767, 2009.PO-FUNG, I.; KA-HO, W.; FENG , C.. Enhanced production of astaxanthin by the green microalga Chlorellazofingiensis in mixotrophic culture. Process Biochemistry, v. 39, p.1761-1766, 2004.
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