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Artigo 8 efeito econômico da utilização de fertilizantes como substrato no cultivo de microalgas

  1. 1. EFEITO ECONÔMICO DA UTILIZAÇÃO DE FERTILIZANTES COMO SUBSTRATO NO CULTIVO DE MICROALGASThiago Carvalho de Mello1, Victor Eduardo Gnoatto2, Keli Cristiane Correia Morais3, Kassiana Ribeiro4, BrunoMiyawaki5, Alberto Tadeu Martins Cardoso6, Alexandre Becker7, Raevon Pulliam8, José Viriato CoelhoVargas9, André Bellin Mariano101 Acadêmico de Engenharia Química UFPR, NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – thiago135@gmail.com2 Acadêmico de Engenharia Química UFPR, NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – victoredu@gmail.com3 Bióloga, Mestranda do PIPE, NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil - biokeli2000@gmail.com4 Acadêmica de Biologia PUCPR, NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil - kassi.ribeiro@hotmail.com5 Acadêmico de Tecnologia de Bioprocessos e Biotecnologia UTP, Curitiba, PR, Brasil – bruno_miyawaki@hotmail.com6 Engenheiro Químico, M. Sc., Depto. de Engenharia Química UFPR, Curitiba, PR, Brasil – tadeucc@gmail.com7 Biólogo, M. Sc., Grupo Integrado de Aquicultura - UFPR, Curitiba, PR, Brasil – alexandre@gia.org.br8 Engenheira Mecânica, M.Sc.., Doutoranda PIPE – NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, – raevonpulliam@gmail.com9 Engenheiro Mecânico, PhD; Departamento de Engenharia Mecânica, UFPR, Curitiba, PR, – jvargas@demec.ufpr.br10 Farmacêutico Bioquímico–Industrial, D.Sc., NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – andrebmariano@gmail.com RESUMOAs microalgas já são conhecidas por serem fontes de diversos produtos, como alimentos, cosméticos, pigmentose produção de alguns compostos químicos de alto valor agregado. Recentemente foi descoberta suapotencialidade como fonte de combustíveis renováveis, na forma de biodiesel ou bioetanol. Para que estaproposta seja viável, ou seja, que possa se tornar uma alternativa aos combustíveis fósseis consiste-se necessárioo cultivo em grande escala destas microalgas. Assim, para mantermos um cultivo de algas economicamenteviável para a produção de combustíveis, é fundamental a redução dos custos de produção. Além da água, ossubstratos adicionados são essenciais para o crescimento das microalgas. Desta forma, este trabalho propõe umaalternativa aos meios comuns de cultivo, na maioria das vezes caros e complexos, por um meio de cultivoutilizando fertilizantes agrícolas na sua formulação. Para este estudo, utilizamos a microalga Scenedesmus sp.cultivada nos dois tipos de meio: padrão (Guillard F/2) e não convencional (Fertilizantes agrícolas).Palavras-chave: Microalga, Meio de cultivo, Fertilizantes agrícolas. ABSTRACTThe Economic Effect of the use of Fertilizers as a Substrate in the Cultivation of Microalgae.Microalgae arealready known to be sources of various products such as food, cosmetics, pigments and production of somechemical compounds of high added value. Its potential as a source of renewable fuels in the form of biodiesel orbioethanol was recently discovered. For microalgae to become a viable alternative to fossil fuels, there needs toexist a large-scale cultivation of these microalgae. Thus, to maintain an economically viable cultivation of algaefor fuel production, it is necessary to reduce their production costs. Besides water, the added substrates areessential for the growth of microalgae. Therefore, this paper proposes an alternative to ordinary means ofcultivation, typically expensive and complex, for a cultivation media using agricultural fertilizers in formulation.For this study, we used the microalgae Scenedesmus sp. grown in both types of medium: standard (Guillard f/2)and non-conventional (agricultural fertilizers).Keywords: Microalgae, Cultive media, Agricultural fertilizers.INTRODUÇÃO A utilização das microalgas como alternativa aos combustíveis fósseis tem sido alvo de muitos estudos,por ser uma fonte de energia renovável na busca da redução dos efeitos do aquecimento global. Recentemente,os biocombustíveis de microalgas têm recebido muitas atenções por causa da sua grande capacidade de fixaçãodo CO2 da atmosfera e da composição da sua biomassa, rica em lipídios, podendo assim ser uma alternativa aobiodiesel produzido por plantas oleaginosas (SPOLAORE et al., 2006; CHISTI, 2007). Os meios de cultivo para microalgas foram criados na tentativa de simular o habitat real da microalga.A adaptação e a reprodução das microalgas na água não dependem somente de uma ação seletiva, mas tambémda capacidade desse microrganismo em colonizar aquele ambiente em particular. Desta forma, vários meiosforam desenvolvidos com o objetivo de cultivar microalgas em laboratório. Alguns destes meios são
  2. 2. modificações de meios conhecidos para atender uma necessidade específica, outros são formulados através doestudo das necessidades do organismo e da análise da água no habitat nativo (ANDERSEN, 2005). O meio de cultivo utilizado altera a taxa de crescimento e a composição da biomassa da microalga. Umalimitação da fonte de nitrogênio para a microalga pode reduzir sua taxa de crescimento, mas, por outro lado,causa um aumento na concentração de lipídios em sua biomassa. Dentre as diversas fontes de nitrogênio quepodem ser usadas, podem ser citadas: amônia, uréia, nitritos e nitratos. O uso de amônia como fonte denitrogênio para Ellipsoidion sp. resultou em uma taxa de crescimento e concentração de lipídio mais alta do quequando se usa uréia ou nitrato. No caso da Chlorella sp., um aumento na quantidade de uréia causa um aumentona concentração de biomassa no meio, porém promove uma redução na quantidade de lipídio presente nabiomassa (XU et al., 2001; HSIEH & WU, 2009). Para que a produção de microalgas em grande escala possa se tornar viável é necessário a utilização demeios de cultivos simples e de baixo custo. Assim, como alternativa aos meios comuns de cultivo de microalgassão implementados meios de cultivo onde se utiliza fertilizantes como substratos para os microrganismos. Essesmeios costumam ser uma aproximação dos meios padrões e podem ser considerados “mais baratos” que osmeios padrões (FÁBREGAS et al., 1987). O objetivo deste trabalho é fazer uma análise da viabilidade econômica da utilização de um meioformulado com fertilizantes, como uma alternativa ao meio de cultivo padrão Guillard F/2 (GUILLARD &RYTHER,1962).MATERIAIS E MÉTODOS Neste experimento foi utilizada uma cepa da microalga Scenedesmus sp. proveniente do GrupoIntegrado de Aqüicultura e Estudos Ambientais (GIA) da Universidade Federal do Paraná (UFPR). O meio de cultura Guillard F/2 (GUILLARD & RYTHER,1962) foi utilizado como padrão nesteestudo. Os valores referentes aos custos dos componentes químicos deste meio foram obtidos após uma análisede preços e referem aos preços da cidade Curitiba - PR para o mês de junho de 2010. Os componentes utilizadosneste meio e o custo podem ser visualizados na Tabela 1.Tabela 1 – Composição química e custos para preparação de 1000 L de meio de cultivo Guillard F/2Table 1 – Chemical composition and cost for 1000 L of prepared Guillard F/2 culture media FONTE COMPONENTE FÓRMULA QUANTIDADE (g) CUSTO (R$) Nitrogênio Nitrato de sódio NaNO3 75 2,27 Fósforo Fosfato dissódico Na2HPO4.7H2O 5 0,19 Metais Cloreto de ferro FeCl3.6H2O 4 0,35 Cloreto de manganês MnCl2.4H2O 0,18 0,04 Sulfato de cobre CuSO4.5H2O 0,01 0,0003 Sulfato de zinco ZnSO4.7H2O 0,022 0,0009 Cloreto de cobalto CoCl2.6H2O 0,01 0,006 Molibdato de sódio Na2MoO4.2H2O 0,0063 0,003 Vitaminas Tiamina C12H17CIN4OS 0,1 0,09 Biotina C10H16N2O3S 0,001 0,06 Cianocobalamina C63H88CoN14P 0,001 0,44 Outros EDTA C10H14N2O8Na2.2H2O 5,5 0,5 Para a preparação do meio de cultura não convencional, foram utilizados fertilizantes agrícolas comofonte de nitrogênio e fósforo para as microalgas. Como fonte de nitrogênio foi empregada a uréia e como fontede fósforo foi usado o fertilizante superfosfato simples (Tabela 2). Os custos dos fertilizantes agrícolas utilizadostambém referem aos preços da cidade Curitiba - PR para o mês de junho de 2010.
  3. 3. Tabela 2 - Composição química e custos para preparação de 1000 L de meio de cultivo não-convencionalTable 2 – Chemical composition and cost for 1000 L of prepared non-conventional culture media FONTE COMPONENTE FÓRMULA QUANTIDADE (g) CUSTO (R$) Nitrogênio Uréia (NH2)2CO 75 0,0844 Fósforo Superfosfato simples Ca(H2PO4)2.H2O 3 0,0027 Metais Cloreto de ferro FeCl3.6H2O 5 0,4400 Outros EDTA C10H14N2O8Na2.2H2O 10 0,9000 O meio padrão e o meio de cultivo não convencional foram preparados pelo mesmo procedimento. Oinóculo inicial foi transferido da cepa para erlenmeyers com 250 mL de meio sendo mantidos sob constanteaeração, temperatura de 18 ºC, iluminação artificial e fotoperíodo de 24 horas. Após cinco dias, foi repicado200 mL destes inóculos para três erlenmeyer com volume de 2 L contendo meio padrão e três erlenmeyerscom volume de 2 L contendo meio não convencional. Esses meios foram mantidos sob as mesmas condiçõesanteriores durante 12 dias. Após esse tempo de crescimento, foram retiradas as amostras utilizadas neste estudo. Para determinar a concentração celular do meio, as amostras foram contadas em uma câmara deNeubauer com o auxilio de um microscópio. Ao final dos 12 dias de cultivo, uma pequena quantidade de biomassa foi centrifugada e seca paradeterminação da quantidade de biomassa de microalga resultante por litro de meio de cultura.RESULTADOS E DISCUSSÕES Ao analisar-se o custo total para preparo de 1000 L dos meios de cultivos em estudo chegou-se aosvalores de R$ 3,95 para o meio Guillard F/2 e um total de R$ 1,43 para o meio não convencional. Em umaspecto geral dos valores encontrados observa-se que o meio preparado com fertilizantes agrícolas éaproximadamente 2,8 vezes menor que o meio convencional. Mesmo com um meio de cultivo com um valor relativamente baixo ao convencional é preciso verificara sua qualidade, que está diretamente relacionada com o crescimento celular. Outro fator analisado foi aprodutividade de óleo pela célula nos diferentes meios de cultivo.Análise da densidade celular Na Tabela 3 é possível visualizar o crescimento da microalga nos dois meios de cultivo. Percebe-seclaramente que o meio de cultivo usado com fertilizantes possuiu uma densidade muito menor que o meiopadrão. Isso se deve que o tipo da fonte de nutriente utilizada no meio fertilizante, ser diferente da que omicrorganismo esta adaptado. Outra possível explicação é de que o meio fertilizante apenas supre asnecessidades básicas nutricionais do microorganismo, enquanto que o meio padrão foi constituído baseado emuma série de necessidades nutricionais. Por isso, encontramos esta diferença de crescimento para os dois meiosde cultivo. A partir destes dados de crescimento, é possível construir um gráfico no qual é possível visualizarmelhor o crescimento das microalgas para os dois diferentes meios. A Figura 1 exibe a curva de crescimentopara as microalgas cultivadas nos dois meios avaliados neste trabalho. As microalgas apresentam períodos deadaptação quase idênticos para os dois meios e só após o quarto dia de crescimento inicia a diferença entre acurva de crescimento para aos dois meios.
  4. 4. Tabela 3 - Valores médios do crescimento para Scenedesmus sp. com o meio não convencional e o Guillard F/2.Table 3 – Average values of growth for Scenedesmus sp. with a non-conventional media and Guillard F/2 media Meio “f/2” Meio “Fertilizante” Tempo (dias) Concentração celular (cel/mL) Concentração celular (cel/mL) 1 665.000 435.000 2 650.000 635.000 3 730.000 685.000 4 1.115.000 1.415.000 5 4.095.000 1.345.000 6 4.930.000 1.710.000 7 6.050.000 1.755.000 8 8.785.000 1.575.000 9 6.710.000 1.870.000 10 5.810.000 2.455.000 11 5.775.000 3.315.000 12 5.360.000 3.460.000Figura 1 – Gráfico da concentração celular em função do tempo.Figure 1 – Cell concentration in function of time. Na Figura 2 esta disposta à contribuição no preço final de cada composto químico nos dois tipos demeio de cultura. É possível perceber que ambos os meios de cultivo o preço final possui grande influência dafonte de nitrogênio que é fornecida para o meio. No caso do meio químico, os metais e as vitaminas (apesar de
  5. 5. possuírem o maior custo por grama) não afetam muito o preço final do meio de cultivo por causa da pequenaquantidade que é utilizada. Finalmente, para sabermos se o meio fertilizante realmente é viável para o cultivo de microalgas, ouseja, que é mais econômico que o meio padrão para um cultivo em larga escala é necessário fazermos umaanálise do preço gasto (em substratos) por kg de meio. A Tabela 4 mostra os resultados dessa análise.Tabela 4 – Custos de produção para as microalgas.Table 4 – Production costs for microalgae. Concentração (g/L) Preço do meio (R$/1000L) Custo de produção (R$/kg)Meio padrão 0,4387 3,95 9,00Meio Fertilizante 0,2807 1,43 5,09 O preço de produção para o meio fertilizante foi de 5,09 reais para cada quilograma de biomassa demicroalga. Esse valor é quase que duas vezes menor que o custo para ao meio padrão de cultura que foi de 9,00reais. Isso mostra que o meio fertilizante, apesar de ter um crescimento inferior ao meio padrão, mesmo assim émais econômico que o meio padrão. Entretanto, para o uso como bicombustíveis, são necessários muitos estudosde modo a minimizar os custos de produção de biomassa de microalgas.Análise da quantidade de lipídeos Outro fator importante analisado, principalmente para o NPEAS, é a quantidade de lipídeos na célula damicroalga, visto que do óleo extraído da biomassa posteriormente será produzido o biodiesel. A metodologiaadotada para a extração de lipídeos é uma adaptação do método de Folch et al. e do método de Bligh e Dyer, osquais são baseados no uso de uma mistura monofásica de clorofórmio, metanol e água (SOARES, 2009). Com aquantidade de óleo a partir do determinado meio de crescimento em questão, também é possível prever umaprodutividade de lipídeos do meio de cultivo (Tabela 5). Pode-se perceber pela Tabela 4 que a quantidade a produtividade de lipídeos para o meio agrícola foisuperior aquele encontrado para o meio de cultivo comum, chegando a aproximadamente 1,7 vezes. Tal valorreferente à diferença de produtividade pode parecer pequeno, porém em escalas piloto ou industriais, como nocaso do NPDEAS, a diferença final é significativa no produto final. Um fato que deve ser levado em consideração tanto para o crescimento celular quanto para a produçãode lipídeos é que no meio de cultivo produzido a partir fertilizantes agrícolas é composto por nutrientes em suaforma não convencional. Essa diferente forma e disposição dos nutrientes são preferíveis pelas células dasmicroalgas (SIMENTAL, 2002).
  6. 6. Figura 2 – Contribuição de cada composto químico no preço final do meio de cultivo. (A) Meio “F/2”. (B) Meiocom Fertilizantes Agrícolas.Figure 2 - Chemical compound contribution in the final price of culture media. (A) “F/2” media. (B) AgriculturalFertilizers Media.Tabela 5 – Quantidade de lipídeo na biomassa nos diferentes meios de cultivoTable 5 – Amount of Oil in the biomass on different media cultures Produtividade de lipídeos Meio de cultivo Quantidade de lipídeos (%) (mg/L de meio) Meio Guillard F/2 9,6 96 Meio Agrícola 16,1 161
  7. 7. CONCLUSÃO Observou-se que o custo encontrado por um meio de cultura alternativo (agrícola) pode propiciar umagrande redução no custo, de aproximadamente 2,8 vezes. Porém, o que se observa é que a densidade celularconsiderando o tempo de crescimento celular é muito menor que o meio de cultura comum (Guillard f/2)justamente pela falta de adaptação aos nutrientes pelo microorganismo. Apesar disso, quando se compara abiomassa resultante do meio, o meio de cultivo padrão é cerca de duas vezes mais caro que o meio alternativopara a produção de biomassa. O que leva a confirmar que é muito mais vantajoso utilizar um meio de cultivocom fertilizantes do que o meio padrão no cultivo mássico de microalgas. De maneira oposta ao crescimento celular pode-se considerar excelente a produção de lipídeos pelacélula por volume do meio de cultivo, de maneira que a produtividade de lipídeos encontrada para o meioagrícola apresentou uma produtividade de aproximadamente 1,7 vezes ao meio convencional. Fica evidente quea escolha do meio de cultivo a ser adotado depende das características celulares (composição) a serem desejadas.Um estudo posterior pode também estudar a composição celular das microalgas em termos de outros nutrientesvariando o meio de cultivo.REFERÊNCIASANDERSEN, R. Algal Culturing Techniques. New York: Elsevier Inc., 2005. p. 21-34.CHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, v. 25, p. 294-306, 2007.FÁBREGAS, J.; TORIBIO, L.; ABALDE, J.; CABEZAS, A.; HERRERO, C. Approach to biomass productionof the marine microalgae Tetraselmissuecica (Kylin) Butch using common garden fertilizer and soil extract ascheap nutrient supply in batch cultures. Aquacultural Engineering, v. 6, p. 141-150, 1987.GUILLARD, R.L.L.; RYTHER, J.H. Studies on marine planktonic diatoms I. Cyclotella nana Hustedt andDetonula confervacea (Cleve) Gran. Canadian Journal of Microbiology, v. 8, p. 229-239, 1962.HSIEH, C.; WU, W. Cultivation of microalgae for oil production with a cultivation strategy of urea limitation.Bioresource Technology, v. 100, p. 3921-3926, 2009.SIMENTAL, J.A, SÁNCHEZ-SAAVEDRA, M.P, 2002, “The efect of agricultural fertilizer on growth rate ofbenthic diatoms”, Aquacultural Engineering Vol. 27, pp. 265-/272.SOARES, D., BECKER, A., G., LUZ JÚNIOR, L., F., L, MARIANO, A., B., VARGAS, J., V., C., NOSEDA,M., D., MITCHEL, D., A., 2009. “Metodologias para obtenção de biomassa e extração de lipídeos de microalgasmarinhas”. NPDEAS – Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Energia Auto Sustentável – UFPR –Universidade Federal do Paraná.SPOLAORE, P.; JOANNIS-CASSAN, C.; DURA, E.; ISAMBERT, A. Commercial application of microalgae.Journal of Bioscience and Bioengineering, v. 101, n. 2, p. 87-96, 2006.XU, N.; ZHANG, X.; FAN, X.; HAN, L.; ZENG, C. Effects of nitrogen source and concentration pn growth rateand fatty acid composition of Ellipsoidion sp. (Eustigmatophyta). Journal of Applied Phycology, v. 13, p. 463-469, 2001.

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