Universidade Nova de Lisboa Faculdade de … 21 - % de óleos obtidos pelo método de Bligh and Dyer...

Universidade Nova de Lisboa

Faculdade de Ciências e Tecnologia

VALTER Mendes RAMALHO

Dissertação apresentada à Universidade

Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e

Tecnologia, para a obtenção do grau de

Mestre em Energia e Bioenergia

Lisboa 2009

Microalgas para Biodiesel – Colheita de biomassa e extracção de óleos

II

COPYRIGHT®


III

Aos meus Pais, sempre.


IV

FICHA TÉCNICA

Título: Microalgas para Biodiesel – Colheita de biomassa e extracção de óleos

Autor: Valter Mendes Ramalho

Objectivo do presente trabalho: Dissertação apresentada à Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, para a obtenção do grau de Mestre em Energia e Bioenergia

Âmbito do estudo: Trabalho de investigação destinado à escolha da melhor tecnologia para efectuar a colheita da biomassa e posterior extracção de óleos para as microalgas: Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp.

Orientação científica do trabalho: Doutora Luísa Gouveia (Investigadora auxiliar do LNEG)

Co-orientação científica do trabalho: Professor Doutor Nuno Lapa (Professor Auxiliar da UNL/FCT)

Contactos do autor: [email protected]

Local: Monte da Caparica

Ano: 2009

O conteúdo da presente dissertação é da inteira responsabilidade do autor.

Não é autorizada a reprodução, total ou parcial, do conteúdo da presente dissertação, sem a autorização prévia do autor, por escrito.

É autorizada a citação do conteúdo da presente dissertação, desde que acompanhada da respectiva referência bibliográfica, de acordo com as normas internacionais e de citação de trabalhos científicos.


V

AGRADECIMENTOS

À Doutora Luísa Gouveia, pela orientação, acompanhamento e apoio.

Ao Doutor Nuno Lapa, pela orientação, encaminhamento e motivação.

À Doutora Paula Passarinho e Doutora Paula Marques pelo apoio na execução dos ensaios realizados.

À Dr.ª Ana Marques pelo apoio incansável nos ensaios realizados, pela companhia e ensinamentos.

À Doutora Ana Oliveira, Doutora Lourdes Bartolomeu e Doutora Isabel Paula pelo apoio na análise de resultados e disponibilização de dados e fotografias.

Ao Eng.º João Sousa e Eng.º Jorge Cunha pelo apoio nos ensaios realizados.

À Sr.ª Graça e Sr.ª Natércia pelo apoio nos ensaios realizados e na produção das microalgas.


VI

ÍNDICE

RESUMO ......................................................................................................................XII

ABSTRACT ................................................................................................................ XIV

LISTA DE ABREVIATURAS E SIMBOLOGIA ...................................................... XVI

1 Introdução................................................................................................................. 1

1.1 Culturas Oleaginosas vs culturas de Microalgas................................................ 1

1.2 Produção de Biomassa Microalgal..................................................................... 3

1.2.1 Sistemas de Produção - Lagoas raceway.................................................... 4

1.2.2 Sistemas de Produção - Fotobioreactores................................................... 5

1.2.3 Produção de Lípidos ................................................................................... 6

1.2.4 Integração em sistemas para captura de CO2.............................................. 8

1.3 Colheita .............................................................................................................. 9

1.3.1 Coagulação-floculação ............................................................................... 9

1.3.2 Centrifugação ........................................................................................... 11

1.3.3 Filtração.................................................................................................... 12

1.3.4 Separação Magnética................................................................................ 13

1.3.5 Separação por Ultrassons ......................................................................... 13

1.4 Extracção.......................................................................................................... 16

1.4.1 Extracção com solventes .......................................................................... 17

1.4.2 Extracção por Ultrassons .......................................................................... 18

1.4.3 Extracção supercrítica............................................................................... 18

1.4.4 Extracção enzimática................................................................................ 19

1.5 Biorefinaria – Optimização do processo produtivo de Biodiesel .................... 20

1.6 Características do Biodiesel de Microalga....................................................... 23

1.7 Microalgas Estudadas na Dissertação - Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp. ................................................................................................... 27

2 Material e métodos ................................................................................................. 28


VII

2.1 Produção da Biomassa Microalgal................................................................... 28

2.1.1 Meios de Cultura ...................................................................................... 30

2.1.2 Curvas de Crescimento............................................................................. 30

2.2 Colheita de biomassa microalgal do licor de crescimento............................... 31

2.2.1 Coagulação-floculação ............................................................................. 31

2.2.2 Variação de pH ......................................................................................... 32

2.2.3 Separação Magnética................................................................................ 32

2.2.4 Centrifugação ........................................................................................... 34

2.2.5 Ultrafiltração............................................................................................. 34

2.3 Extracção de óleo de Microalgas ..................................................................... 35

2.3.1 Método de Extracção de Lípidos de Bligh & Dyer .................................. 35

2.3.2 Extracção Soxhlet ..................................................................................... 37

2.3.3 Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) .................... 38

2.3.4 Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) .............................. 39

3 Resultados Experimentais ...................................................................................... 41

3.1 Produção .......................................................................................................... 41

3.1.1 Curvas de Crescimento – Neochloris oleoabundans ................................ 41

3.1.2 Curvas de Crescimento - Nannochloropsis sp.......................................... 42

3.2 Colheita de Biomassa microalgal do meio de cultura...................................... 43

3.2.1 Coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans.............. 43

3.2.2 Coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp....................... 46

3.2.3 Alteração pH do meio de cultura da microalga Neochloris oleoabundans 49

3.2.4 Alteração pH do meio de cultura da microalga Nannochloropsis sp. ...... 49

3.2.5 Separação Magnética da microalga Neochloris oleoabundans ................ 49

3.2.6 Separação Magnética da microalga Nannochloropsis sp. ........................ 50

3.2.7 Centrifugação da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans ....... 51


VIII

3.2.8 Centrifugação da biomassa da microalga Nannochloropsis sp. ............... 51

3.2.9 Ultrafiltração da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans ........ 51

3.2.10 Ultrafiltração da biomassa da microalga Nannochloropsis sp. ................ 52

3.3 Extracção de óleos da biomassa microalgal..................................................... 53

3.3.1 Método de Bligh & Dyer aplicado à microalga Neochloris oleoabundans 53

3.3.2 Método de Bligh & Dyer aplicado à microalga Nannochloropsis sp. ...... 53

3.3.3 Método Soxhlet aplicado à microalga Neochloris oleoabundans............. 54

3.3.4 Método Soxhlet aplicado à microalga Nannochloropsis sp...................... 54

3.3.5 Método de Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) aplicado à microalga Neochloris oleoabundans ..................................................... 55

3.3.6 Método de Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) aplicado à microalga Nannochloropsis sp. ............................................................. 55

3.3.7 Método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) aplicado à microalga Neochloris oleoabundans ...................................................................... 56

3.3.8 Método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) aplicado à microalga Nannochloropsis sp. .............................................................................. 56

4 Discussão dos resultados ........................................................................................ 57

4.1 Produção da biomassa microalgal.................................................................... 57

4.2 Colheita de Biomassa....................................................................................... 57

4.2.1 Método de coagulação-floculação............................................................ 57

4.2.2 Método da Variação do pH do meio de cultura........................................ 59

4.2.3 Método de Separação Magnética.............................................................. 59

4.2.4 Método de Centrifugação ......................................................................... 60

4.2.5 Ultrafiltração............................................................................................. 60

4.3 Extracção de Óleos .......................................................................................... 62

4.3.1 Método de Bligh & Dyer .......................................................................... 62

4.3.2 Método de Soxhlet .................................................................................... 62

4.3.3 Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) .................... 63


IX

4.3.4 Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) .............................. 64

5 Conclusões.............................................................................................................. 65

6 Trabalho Futuro ...................................................................................................... 67

7 Referências Bibliograficas...................................................................................... 68

8 Anexos .................................................................................................................... 72

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1- Modelo Conceptual da integração do processo de produção de Biodiesel....... 1

Figura 2- Montagem de Air-lift ...................................................................................... 28

Figura 3 - Esquema de Manga de Crescimento.............................................................. 29

Figura 4- Montagem realizada para Ensaios de Separação Magnética .......................... 33

Figura 5- Separação de fases no processo Bligh & Dyer ............................................... 36

Figura 6 - Curva de Crescimento DO/DO0 vs Tempo para a microalga Neochloris oleoabundans.................................................................................................................. 41

Figura 7 – Relação entre DO e o Peso Seco para a microalga Neochloris oleoabundans........................................................................................................................................ 41

Figura 8 - Curva de Crescimento DO/DO0 vs Tempo da microalga Nannochloropsis sp......................................................................................................................................... 42

Figura 9 – Relação entre DO e o peso seco para a microalga Nannochloropsis sp. ...... 42

Figura 10- % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans .................................... 43

Figura 11- % de remoção da biomassa em função da dosagem de AlCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans .................................... 43

Figura 12 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeSO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans .................................... 44

Figura 13 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de Al2SO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans .................................... 44

Figura 14 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de Ca(OH)2 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans .................................... 45


X

Figura 15- % de remoção da biomassa em função da dosagem das Lamas do processo de anodização no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans.................................................................................................................. 45

Figura 16 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.............................................. 46

Figura 17 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de AlCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.............................................. 46

Figura 18- % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeSO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.............................................. 47

Figura 19- % de remoção da biomassa em função da dosagem de Al2SO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.............................................. 47

Figura 20 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de Ca(OH)2 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.............................................. 48

Figura 21 - % de remoção da biomassa em função da dosagem das Lamas do processo de anodização no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp. 48

ÍNDICE DE QUADROS

Quadro 1- Produtividade de óleo de culturas terrestres (Chisti, 2007) ............................ 1

Quadro 2 - Produtividade em óleo de microalga (Chisti, 2007)....................................... 1

Quadro 3 - Produtividades em óleo de diferentes microalgas (Chisti, 2007)................... 7

Quadro 4 – Floculantes utilizados na colheita de algas (De Pauw e Van Vaerenbergh, 1981)............................................................................................................................... 10

Quadro 5 – Especificações da Norma EN 14214 ........................................................... 23

Quadro 6 – Perfil de ácidos gordos de várias algas (Gouveia e Oliveira, 2009)............ 25

Quadro 7 – Índices de Iodo de várias algas (Gouveia e Oliveira, 2009)........................ 26

Quadro 8- Teor em ácidos gordos da microalga Nannochloropsis sp. (Rodolfi et al., 2008)............................................................................................................................... 26

Quadro 9- Meio Brystol - Neochloris oleoabundans ..................................................... 30

Quadro 10 - Meio GPM - Nannochloropsis sp .............................................................. 30

Quadro 11 - Amostragem Soxhlet .................................................................................. 37


XI

Quadro 12 – % de remoção da biomassa nos ensaios de alteração do pH do meio de cultura da microalga Neochloris oleoabundans ............................................................. 49

Quadro 13 - % de remoção da biomassa nos ensaios de alteração do pH do meio de cultura da microalga Nannochloropsis sp. ..................................................................... 49

Quadro 14 – % de remoção da biomassa nos ensaios de separação magnética da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans ......................................................... 50

Quadro 15 - % de remoção da biomassa nos ensaios de separação magnética da biomassa da microalga Nannochloropsis sp................................................................... 50

Quadro 16 - % de remoção da biomassa nos ensaios de centrifugação da microalga Neochloris oleoabundans ............................................................................................... 51

Quadro 17 – % de remoção da biomassa nos ensaios de centrifugação da microalga Nannochloropsis sp. ....................................................................................................... 51

Quadro 18 – % de remoção da biomassa nos ensaios de ultrafiltração da microalga Neochloris oleoabundans ............................................................................................... 51

Quadro 19 – % de remoção da biomassa nos ensaios de ultrafiltração da microalga Nannochloropsis sp. ....................................................................................................... 52

Quadro 20 – % de óleos obtidos pelo método de Bligh and Dyer para a microalga Neochloris oleoabundans ............................................................................................... 53

Quadro 21 - % de óleos obtidos pelo método de Bligh and Dyer para a microalga Nannochloropsis sp. ....................................................................................................... 53

Quadro 22 – % de óleos obtidos pelo método Soxhlet para a microalga Neochloris oleoabundans.................................................................................................................. 54

Quadro 23 - % de óleos obtidos pelo método Soxhlet para a microalga Nannochloropsis sp..................................................................................................................................... 54

Quadro 24- % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Esferas de vidro) e Química (etanol) para a microalga Neochloris oleoabundans ....................................... 55

Quadro 25 - % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Esferas de vidro) e Química (etanol) para a microalga Nannochloropsis sp.............................................. 55

Quadro 26 – % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) para a microalga Neochloris oleoabundans ....................................... 56

Quadro 27 – % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) para a microalga Nannochloropsis sp. ............................................... 56


XII

RESUMO A procura e a diversificação das fontes de energia são hoje uma premissa fundamental para o desenvolvimento das economias das sociedades modernas.

A escassez dos recursos energéticos fósseis e as flutuações dos mercados promoveram um grande desenvolvimento na busca de energias renováveis. Existe actualmente, em Portugal e nos restantes países da União Europeia, uma consolidação das Energias Renováveis, como, por exemplo, as Energias Solar, Eólica e Hídrica, na produção de electricidade.

No entanto, o sector dos transportes, sector com especial peso no consumo de derivados de petróleo, encontra-se ainda fortemente dependente dos recursos fósseis. Os biocombustíveis de primeira geração, bioetanol e biodiesel obtidos a partir de plantas terrestres, levantam sérios problemas ao nível da sustentabilidade ambiental bem como problemas ao nível da competição entre sector alimentar e energético.

É neste sentido que o Biodiesel obtido a partir dos óleos das microalgas, com potencial produtivo 30 vezes superior ao das plantas terrestres e sem necessidade de ocupar terrenos férteis, poderá impulsionar um desenvolvimento sustentado no sector dos transportes.

A investigação actual passa pela escolha dos melhores métodos de i) produção de microalgas com a maximização da fracção de óleos, ii) de colheita de biomassa algal e iii) de extracção de óleos.

Esta dissertação avaliou a eficácia de vários métodos de colheita de biomassa – coagulação-floculação, variação de pH, separação magnética, centrifugação e ultrafiltração – e extracção de óleos – Bligh & Dyer, Soxhlet, extracção com etanol com homogeneização prévia com esferas de vidro e extracção com etanol com aplicação prévia de ultrassons destrutivos – das microalgas Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp. Foi realizada a optimização de condições experimentais, tipos de reagentes, quantidades utilizadas, etc., possibilitando a escolha do(s) método(s) mais adequado(s).

No que diz respeito a colheita de biomassa algal, os métodos com melhores resultados (acima de 90% de remoção de biomassa algal) para ambas as microalgas estudadas foram a coagulação-floculação, a centrifugação e a ultrafiltração. Considerando o método de coagulação-floculação, os melhores floculantes foram os que continham o ião Al3+. Os melhores resultados obtiveram-se numa gama de concentração entre os 200 e os 500 mg.L-1 de floculante adicionado. O método de centrifugação apesar de altamente eficaz na remoção da biomassa algal aparenta ser bastante oneroso. O método de ultrafiltração apresentou caudais de atravessamento (8,025 mL.h-1.cm-2 – Neochloris oleoabundans; 0,7125 mL.h-1.cm-2 – Nannochloropsis sp.) muito reduzidos, não tendo sido considerado um método adequado.


XIII

Em relação à extracção de óleos, o método de extracção de lípidos totais Bligh & Dyer apresentou a maior percentagem de óleos extraídos para ambas as microalgas (7,14% para a Neochloris oleoabundans e 17,78% para a Nannochloropsis sp.). Os restantes ensaios realizados apresentaram rendimentos (em relação ao método de Bligh & Dyer) entre os 13% e os 36% para a Neochloris oleoabundans e entre os 35,06% e os 95,34% para a Nannochloropsis sp. Verificou-se que a menor polaridade do n-hexano, em relação ao etanol, resultou em menores percentagens de extracção em comparação com as obtidas nos ensaios com o etanol. Em relação aos pré-tratamentos mecânicos, a moagem com areia apresentou melhores resultados do que a aplicação de ultrassons destrutivos no método de Soxhlet para as duas microalgas

Relativamente à extracção com etanol, os pré-tratamentos de homogeneização com esferas de vidro e aplicação de ultrassons destrutivos apresentaram resultados semelhantes para a Neochloris oleoabundans. Para a Nannochloropsis sp. a homogeneização com esferas de vidro apresentou melhores resultados.


XIV

ABSTRACT The demand and diversification of energy sources is now a prerequisite for the development of the economy in modern societies.

The scarcity of fossil resources and market fluctuations promoted a great development in the search for renewable energies. There is currently, in Portugal and in other countries in the European Union, a consolidation of renewable energies such as Solar, Wind and Hydro Energy, in the production of electricity.

However, the transport sector, with its particular pressure on the consumption of oil products, is still heavily dependent on fossil resources. The first-generation biofuels, bioethanol and biodiesel derived from terrestrial plants, cause serious problems in terms of sustainability, environmental problems and promote competition between human and animal feeding and energy destinations.

This is why biodiesel made from microalgae oil, with yield potential 30 times higher than terrestrial plants and with no need to occupy fertile land, can boost a sustainable development in the transport sector.

Current research involves the choice of the best methods of i) production of microalgae with maximization of the oil fraction, ii) harvesting biomass and iii) extraction of algal oil.

This thesis has evaluated the effectiveness of various methods of harvesting biomass – coagulation-flocculation, pH variation, magnetic separation, centrifugation and ultrafiltration – and extraction of oil – Bligh & Dyer, Soxhlet, solvent extraction using ethanol with prior glass beads homogenization and solvent extraction using ethanol with prior application of destructive ultrasound – from the microalgae Neochloris oleoabundans and Nannochloropsis sp. The optimization of experimental conditions, types of reagents, quantities used, etc., was performed, enabling the choice of the most appropriate method.

Regarding the algal biomass harvesting, the methods with better results (over 90% removal of algal biomass) for both studied microalgae were coagulation-flocculation, centrifugation and ultrafiltration. Considering the method of coagulation-flocculation, the best flocculants were those containing Al3+ ions. The best results were obtained in a concentration range between 200 and 500 mg.L-1 of flocculant. The method of centrifugation although highly effective at removing algal biomass appears to be quite costly. The method of ultrafiltration showed very low crossing flow rates (8,025 mL.h-

1.cm-2 – Neochloris oleoabundans; 0,7125 mL.h-1.cm-2 – Nannochloropsis sp.). Therefore it was not considered an appropriate method.

In the extraction of oil, the method of total lipid extraction Bligh and Dyer had the highest percentage of oils extracted for both microalgae (7,14 % for Neochloris oleoabundans and 17,78 % for Nannochloropsis sp.). The remaining tests showed


XV

results between 13 and 36% for Neochloris oleoabundans and between 35,06% and 95,34% for Nannochloropsis sp. in relation to Bligh and Dyer method. It was found that the lower polarity of n-hexane in relation to ethanol resulted in lower percentages of extraction in comparison with those obtained in the tests with ethanol. For the mechanical pre-treatments, grinding with sand showed better results than the application of ultrasound in the Soxhlet method for both microalgae.

For the extraction with ethanol, the pre-treatments of homogenization with glass beads and application of destructive ultrasound showed similar results for Neochloris oleoabundans. For Nannochloropsis sp. the homogenization with glass beads showed best results.


XVI

LISTA DE ABREVIATURAS E SIMBOLOGIA

UBio – Unidade de Bioenergia

DER – Departamento de Energias Renováveis

DO – Densidade Óptica

EUA – Estados Unidos da América

FAME – Fatty acid Metil Ester (Metil Ester de Ácidos Gordos)

FCT – Faculdade de Ciências e Tecnologia

INETI – Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação

LNEG – Laboratório Nacional de Energia e Geologia, IP

UE – União Europeia

UNL – Universidade Nova de Lisboa


1

1 INTRODUÇÃO

1.1 Culturas Oleaginosas vs culturas de Microalgas

O aumento da procura de energia tem promovido a produção de biodiesel de primeira geração, ou seja biodiesel a partir de culturas oleaginosas. Mas as culturas oleaginosas, os óleos alimentares usados e a gordura animal não podem, realisticamente, satisfazer as necessidades energéticas. As produtividades destas culturas são relativamente baixas e seriam necessários vários milhões de hectares para responder às necessidades de um país. Segundo Chisti (2007) seriam necessários 594 milhões de hectares de cultura de soja para satisfazer 50% das necessidades de combustível no sector dos transportes dos Estados Unidos da América. Para o óleo de palma o valor necessário seria de 45 milhões de hectares. A produtividade média das culturas oleaginosas comuns é apresentada no Quadro 1.

Quadro 1- Produtividade de óleo de culturas terrestres (Chisti, 2007)

Cultura Terrestre Produtividade de óleo (L.ha-1)

Milho 172

Soja 446

Colza 1190

Jatropha 1892

Coco 2689

Palma 5950

Este cenário muda totalmente se for considerada a utilização de microalgas, pois seriam necessários apenas entre 2 a 4,5 milhões de hectares dedicados à produção de biomassa microalgal. O Quadro 2 apresenta as produtividades esperadas para as microalgas de acordo com o teor de óleo.

Quadro 2 - Produtividade em óleo de microalga (Chisti, 2007)

Microalga Produtividade de óleo (L.ha-1)

Microalga - 70% teor óleo (m/m) 136 900

Microalga – 30% teor óleo (m/m) 58 700


2

Ao contrário das culturas oleaginosas as microalgas apresentam taxas de crescimento bastante elevadas e muitas delas são extremamente ricas em óleos. As microalgas duplicam geralmente a sua biomassa em 24 horas e, durante a fase de crescimento exponencial, o tempo de duplicação pode atingir o valor de 3,5 horas (Chisti, 2007).

As algas podem crescer praticamente onde existe luz solar suficiente, sendo que algumas algas podem crescer em água salgada. Todas as algas contêm proteínas, glúcidos, lípidos e ácidos nucléicos em diversas proporções, variando com o tipo de alga. Existem tipos de algas que têm na sua composição até 40% (em massa) de ácidos gordos (Becker, 1994). A produtividade de óleo é a massa de óleo produzido por unidade de volume do meio, onde a microalga se encontra em suspensão, por dia, a qual depende da taxa de crescimento das microalgas e do seu teor de óleo. As microalgas com altas produtividades de óleo são por excelência as desejadas para a produção de óleos tendo como fim a produção de biodiesel.

No entanto, nem todos os óleos produzidos por microalgas são satisfatórios para produzir biodiesel, mas a produção de óleos apropriados ocorre em muitas espécies de microalgas (Chisti, 2007).

Os biólogos têm caracterizado as microalgas numa variedade de classes, na sua maioria distinguindo-se pela pigmentação, pelo ciclo de vida e pela estrutura celular (Sheehan et al., 1998). As classes mais importantes (considerando a sua abundância) são as seguintes:

a) Diatomáceas (Bacillariophyceae) – Estas algas dominam o fitoplâncton dos oceanos, sendo também encontradas em água doce ou salobra. Conhecem-se aproximadamente 100 000 espécies. As diatomáceas contêm sílica pulverizada na parede celular. As diatomáceas armazenam o carbono sob a forma de óleos naturais ou como um polímero de glúcidos conhecido como “chyrsolaminarin”.

b) Algas verdes (Chlorophyceae) – Onde se enquadra a alga Neochloris oleoabundans. São frequentes e abundantes em água doce. Podem ocorrer na forma singular ou formando colónias. As algas verdes são os progenitores evolucionais das plantas actuais, armazenando energia na forma de amido ou, em certas condições, na forma de óleos.

c) Algas verdes-azuis (Cyanophyceae) – Muito mais próximas das bactérias na sua estrutura e organização, sendo responsáveis em grande parte pela fixação de azoto atmosférico. São conhecidas aproximadamente 2000 espécies numa variedade de “habitats”.

d) Algas douradas (Chrysophyceae) – Constituem um grupo de algas semelhantes as diatomáceas, embora tenham um sistema de pigmentação mais complexo. Podem apresentar cor amarela, castanha ou laranja. São conhecidas aproximadamente 1000 espécies primariamente em sistema de água doce. As algas douradas produzem óleos e glúcidos para armazenar energia.


3

Existem ainda outras classes, que embora menos abundantes, apresentam um potencial atractivo para a produção de compostos de importante valor, e que têm sido alvo de estudo. Entre elas encontra-se a classe Eustigmatophytes onde pertence a alga em estudo nesta dissertação - Nannochloropsis sp. Este grupo representa uma parte importante do picoplâncton, tratando-se de células muito pequenas (2-4 μm de diâmetro).

As microalgas são a forma mais primitiva das plantas. O mecanismo fotossintético é similar ao encontrado nas plantas superiores, no entanto a sua eficiência é muito superior devido à sua estrutura celular simples. Para além disso, o meio aquoso em que se inserem promove um acesso mais fácil à água, CO2 e outros nutrientes necessários. Por estas razões, as microalgas são capazes de produzir 30 vezes mais quantidade de óleo por unidade de área de terreno, comparando com as culturas oleaginosas terrestres (Sheehan et al., 1998).

Devido ao seu crescimento em meio aquoso, são mais previsíveis as variáveis do processo em comparação com sistemas de plantas superiores, permitindo uma extrapolação mais simples de um local para outro, com condições climatéricas semelhantes (Widjaja et al., 2009).

1.2 Produção de Biomassa Microalgal

A produção de biomassa microalgal pode ser efectuada em fotobioreactores fechados ou em lagoas raceway. Os sistemas de produção abertos localizam-se, quase na sua totalidade, em espaços exteriores e baseiam-se na iluminação por luz natural (Grima et al., 2003). Os fotobioreactores fechados podem-se localizar em espaços interiores ou exteriores (Mirón et al., 1999), mas a localização em espaços exteriores é mais comum devido ao usufruto da luz solar, apesar das variações diárias e sazonais da intensidade da luz.

Para além da luz, o crescimento fotossintético requer dióxido de carbono, água e sais inorgânicos. O meio de crescimento deve fornecer os elementos inorgânicos essenciais à microalga como o Azoto (N) o Fósforo (P) e o Ferro (Fe). Os nutrientes como o Fósforo devem ser adicionados em excesso devido ao facto de nem todas as formas de fósforo serem disponíveis para a biomassa (Grima et al., 2003).


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A biomassa microalgal contém aproximadamente 50% de carbono em peso seco (Mirón et al., 2003). Este carbono deriva do dióxido de carbono. A produção 100 t de biomassa microalgal fixa aproximadamente 183 t de dióxido de carbono (Chisti, 2007). O dióxido de carbono deve ser alimentado continuamente durante as horas de exposição à luz. Durante a noite, a alimentação de dióxido de carbono é interrompida, mas a mistura do meio deve continuar para prevenir a sedimentação da biomassa. Até 25% da biomassa produzida durante o dia poderá ser perdida na respiração celular ao longo da noite. A extensão da perda depende das condições de luz e temperatura aquando do crescimento e da temperatura à noite (Chisti, 2007). Para obter altas taxas de produção é importante assegurar uma colheita diária. Se a biomassa não for colhida com frequência as produtividades irão atingir um pico e, de seguida, declinar com a redução da luz disponível (ensombramento mútuo) e a depleção de nutrientes. Assim, a colheita é também uma parte essencial na manutenção de altas taxas de produção (Stepan et al., 2002).

Para além da optimização das condições de crescimento e da tecnologia dos reactores existem vias de desenvolvimento diferentes e complementares para aumentar a produtividade das microalgas sendo a engenharia genética e metabólica uma ferramenta que se espera ter um impacto significativo na melhoria da economia deste processo. Esta via tem sido explorada desde a década de 90 para as microalgas, mas o progresso ocorrido foi lento resultando num atraso em comparação com o desenvolvimento ocorrido nas bactérias e fungos (Chisti, 2008).

1.2.1 Sistemas de Produção - Lagoas raceway As lagoas raceway consistem num circuito fechado de recirculação cuja profundidade típica é de 0,3 m. A mistura e a recirculação são efectuadas por pás (paddle weels). O fluxo é guiado pelo canal que pode ser constituído por betão ou terra compactada e pode eventualmente ser revestido com tela plástica branca. Durante o dia, a cultura é alimentada continuamente em frente às pás onde começa o fluxo. A cultura da biomassa pode ser colhida atrás das pás, após ter completado a circulação na lagoa. A operação das pás de agitação ocorre continuamente para evitar a sedimentação. Esta tecnologia de produção massiva de culturas de microalgas tem sido utilizada desde a década de 1950 (Chisti, 2007).

A contaminação com outras algas e/ou outros organismos indesejados pode afectar a produtividade. A concentração de biomassa nesta tecnologia de produção permanece baixa, uma vez que as lagoas raceway são pouco agitadas e possuem zonas de fraca iluminação (Chisti, 2007).

As principais desvantagens dos sistemas abertos é que estando abertos para a atmosfera, existe perda de água por evaporação numa taxa similar às culturas terrestres e o arrefecimento é promovido apenas pela evaporação. A temperatura flutua em ciclos diurnos e sazonais. O CO2 é utilizado muito menos eficientemente em comparação com


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os fotobioreactores, devido a perdas significativas para a atmosfera. A iluminação neste sistema abrange uma área menor em comparação com os fotobioreactores.

Uma nova lagoa é tipicamente inoculada com a alga desejada com o objectivo de iniciar o crescimento e dominar a flora da lagoa. No entanto, passado algum tempo, espécies indesejadas podem aparecer naturalmente e podem reduzir severamente as produtividades, podendo mesmo afectar a sobrevivência das espécies inoculadas.

A partir do momento em que uma espécie indesejada se estabelece numa lagoa é extremamente difícil erradicá-la.

Na prática, as lagoas são usualmente utilizadas para 2 a 6 espécies com vantagens evolucionais específicas: rápido crescimento, resistência a predadores, tolerância a altos níveis de oxigénio dissolvido, salinidade, pH, entre outras. (Schenk, 2008).

1.2.2 Sistemas de Produção - Fotobioreactores Para além de poupar água e compostos químicos, os fotobioreactores fechados têm muitas outras vantagens que estão a torná-los os reactores de escolha para produção de óleos (p.e. com destino para biodiesel), à medida que os seus custos vão sendo mais reduzidos. Um dos aspectos mais importantes é que conseguem produtividades até 5 vezes maiores (em relação ao volume do reactor) e consequentemente têm uma “pegada” económica e ambiental menor (Schenk, 2008).

Ao contrário dos sistemas abertos, os fotobioreactores permitem essencialmente cultivar uma única espécie por períodos de tempo mais prolongados, devido a um controlo mais efectivo da contaminação. Os fotobioreactores têm sido utilizados com sucesso para a produção de grandes quantidades de biomassa microalgal (Grima et al., 1999).

Um fotobioreactor tubular consiste num conjunto de tubos transparentes que são usualmente fabricados em plástico ou vidro. Este conjunto de tubos, ou “colector solar”, é onde a energia solar é capturada. Os tubos têm geralmente um diâmetro máximo de 10 cm, essencialmente para promover a penetração total da luz na cultura. A cultura microalgal circula várias vezes entre a zona de absorção de luz solar e um reservatório (coluna de desgasificação). Neste tipo de tecnologia a operação é contínua. O colector solar é orientado a Sul para maximizar a captura de luz solar. Num arranjo típico, os topos são colocados paralelamente entre si. Em posição horizontal, os tubos paralelos entre si são muitas vezes organizados como numa vedação para maximizar a utilização da área disponível. O piso abaixo dos tubos do fotobioreactor é colorido de branco para aumentar a quantidade de luz solar disponível (Chisti, 2007).


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A iluminação artificial é tecnicamente viável, mas dispendiosa em comparação com a utilização de luz natural. Ainda assim, a iluminação artificial tem sido utilizada na produção de biomassa em larga escala, particularmente para produtos de alto valor comercial. Os processos de sedimentação da biomassa são prevenidos com recurso a manutenção de um fluxo altamente turbulento, criado por bombagem mecânica e/ou por intermédio de injecção de ar.

No processo de fotossíntese, que ocorre aquando da passagem das microalgas pelo colector solar, é gerado oxigénio. Em situações de alta irradiância solar, a taxa máxima de geração de oxigénio, num fotobioreactor tubular típico, pode ser da ordem das 10 g O2.m-3.min-1 (Chisti, 2007). Este factor necessita de controlo, visto que o oxigénio dissolvido poderá facilmente ultrapassar os níveis de saturação que inibem a fotossíntese (Grima et al., 2001). O oxigénio não pode ser purgado dentro dos tubos limitando o comprimento máximo do mesmo. A cultura necessita de regressar periodicamente à coluna de desgasificação.

O pH é outro parâmetro importante para o controlo da operação dos fotobioreactores. O consumo de CO2 que ocorre ao longo dos tubos promove um aumento de pH. Para tal é necessário injectar CO2 na zona de desgasificação para controlo do pH. Adicionalmente, o CO2 pode ser injectado pontualmente ao longo dos tubos para prevenir a sua escassez e o excessivo aumento de pH, aumentando a eficiência fotossintética e consequentemente a produtividade da biomassa (Grima et al., 1999).

Para a obtenção de produtividades mais elevadas o controlo da temperatura deve também ser acautelado, reduzindo a temperatura à noite, para uma menor perda de biomassa aquando a respiração (Chisti, 2007).

1.2.3 Produção de Lípidos A acumulação de lípidos na biomassa algal aumenta em certas condições (Schenk et al., 2008). Assim, para um sistema de produção de biodiesel é importante não só a selecção das espécies que mais lípidos acumulam no seu crescimento como também a optimização das condições para a sua síntese.

Gouveia e Oliveira (2009) compararam um grupo de 7 microalgas (Chlorella vulgaris, Spirulina maxima, Nannochloropsis sp., Neochloris oleoabundans, Scenedesmus obliquus and Dunaliella tertiolecta) com o objectivo de seleccionarem a melhor em termos de quantidade e qualidade de óleos para a produção de biodiesel.

As algas Neochloris oleoabundans (alga de água doce) e Nannochloropsis sp. (alga marinha) demonstraram ser as mais adequadas como produtores para o processo de produção de óleos com fim à produção de biodiesel, devido ao teor em óleo obtido de 29,0% e 28,7% respectivamente e de terem um bom perfil em ácidos gordos (Gouveia e Oliveira, 2009).


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O Quadro 3 apresenta os teores em óleo de várias microalgas que foram objecto de estudo ao longo dos últimos anos:

Quadro 3 - Produtividades em óleo de diferentes microalgas (Chisti, 2007)

Microalga Teor em óleo (% peso seco)

Botryococcus braunii 25 – 75 Chlorella sp. 28 – 32

Crypthecodinium cohnii 20 Cylindrotheca sp. 16 – 37

Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp. 25 – 33

Monallanthus salina > 20 Nannochloris sp. 20 – 35

Nannochloropsis sp. 31 – 68 Neochloris oleoabundans 35 – 54

Ao nível da optimização das condições de crescimento a aplicar em algas com elevadas concentrações de lípidos, para favorecer a sua acumulação, são utilizados vários processos que colocam as microalgas em situações de stress, nomeadamente a carência de Azoto e/ou Fósforo, concentrações elevadas de Fe3+ e a intensidade luminosa.

Gouveia e Oliveira (2009) submeteram as duas algas supracitadas em condições de carência de Azoto, revelando uma resposta muito positiva ao nível da quantidade de óleos acumulados (aumento na ordem dos 50%).

A Neochloris oleoabundans atingiu um conteúdo máximo em lípidos de 54%, após 6 dias de carência de Azoto e sem adição de CO2 (Gouveia et al., 2009).

Rodolfi et al. (2008) revelaram que a Nannochloropsis sp. pode atingir os 60% de óleo com carência de nutrientes e elevada intensidade luminosa.

Liu et al. (2007) desenvolveram estudos para averiguar a resposta da alga doce Chlorella vulgaris inoculada em meios com suplementos de Fe3+.

Nesse trabalho a alga, no final da sua fase exponencial de crescimento, foi recolhida por centrifugação e reinoculada num meio com uma concentração de 1.2 x 10-5 mol.L-1 de FeCl3. Os resultados demonstraram que o teor total de lípidos foi de 56,6% da biomassa em peso seco e foi 3 a 7 vezes superior em comparação com outros meios com baixas concentrações em ferro.


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Também a intensidade luminosa foi alvo de estudo. Solovchenco et al. (2008) compararam a resposta da Parietochloris incisa (microalga de água doce) quando exposta a diferentes intensidades luminosas. Sob grande intensidade luminosa (400 μmol fotões.m−2.s−1) a microalga demonstrou uma taxa de crescimento superior às registadas em média (200 μmol fotões.m−2.s−1) ou baixa (35 μmol fotões.m−2.s−1) intensidade luminosa.

As culturas sob alta intensidade luminosa obtiveram um teor volumétrico de ácidos gordos superior, devido à maior concentração de biomassa.

1.2.4 Integração em sistemas para captura de CO2 A habilidade das algas para fixar CO2 pode ser um método interessante para a mitigação do CO2 fóssil emitido em centrais termoeléctricas ou em outras instalações poluentes com emissões de CO2, promovendo uma redução efectiva nas emissões de GEE com um aumento efectivo da produção de biomassa microalgal e, consequentemente, maiores produtividades de biodiesel (Gouveia e Oliveira, 2009).

A biofixação de CO2 emitido pelas centrais eléctricas, utilizando microalgas, é uma das poucas tecnologias disponíveis (Benemann, 1997) e tem emergido como uma opção de elevado potencial, devido às suas características, como altas produtividades, tolerância a ambientes adversos e potencial para culturas intensivas.

Tradicionalmente, as microalgas são cultivadas em sistemas fechados (p.e. fotobioreactores) ou lagoas abertas, que são arejadas ou expostas ao ar atmosférico para permitir a captura do CO2 por parte das microalgas. Tendo em consideração que o ar atmosférico apenas possui entre 0,03-0,06% de CO2, é expectável que a transferência de massa possa limitar o crescimento celular das microalgas (Wang et al., 2008).

O gás de combustão das centrais termoeléctricas é composto por CO2, SO2, NOX, O2, outros gases em menores quantidades, metais e cinzas a elevadas temperaturas. Os valores típicos de CO2 alcançam os 10-15% do total do gás de combustão e a estas percentagens, as microalgas não demonstram sinais significativos de inibição no crescimento (Stepan et al., 2002). No entanto, é necessário efectuar processos paralelos para assegurar a viabilidade da cultura. Por exemplo, o óxido de enxofre, pode ter um efeito negativo nas taxas de crescimento das microalgas. A grande preocupação é o efeito que o SO2 tem no pH do meio de crescimento da alga. Quando a concentração de SO2 atinge os 400 ppm, o pH do meio pode tornar-se inferior a 4 em menos de um dia. Os óxidos de Azoto também podem afectar o pH do meio, embora numa extensão menor. As microalgas demonstram tolerância e crescimento em meio contendo 240 ppm de NOX com ajuste de pH. O ajuste do pH é conseguido nos dois casos p.e. com a adição de NaOH.


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Em condições optimizadas, a capacidade de absorção do CO2 pode atingir valores na ordem dos 99% e as taxas de crescimento da alga podem ser superiores às registadas sem adição de CO2 (Stepan et al., 2002).

1.3 Colheita

A colheita de biomassa algal requer um ou mais passos de separação sólido-líquido e constitui um dos passos limitantes na produção de biomassa microalgal, tanto tecnológica como economicamente A recuperação da biomassa representa cerca de 20-30% do custo total da produção (Grima et al., 2003).

A biomassa pode ser colhida por centrifugação, filtração ou em alguns casos, por sedimentação. Estes processos podem ser precedidos por um passo de floculação. A recuperação da biomassa microalgal constitui um problema relevante devido à pequena dimensão das células (3-30 µm de diâmetro). As concentrações em biomassa no meio de cultura são pequenas (menos de 0,5 kg.m-3 de biomassa seca em alguns sistemas de produção industriais), daí a necessidade de elevados volumes de meio a processar. Não existe um método de colheita adequado a todos os casos. A escolha do método mais adequado passa sempre pelo nível de humidade aceitável do produto. A biomassa colhida nos processos com passos de sedimentação está geralmente mais diluída do que na centrifugação. Demasiada humidade na biomassa recuperada influencia muito a economia do processo.

Devido ao facto de a secagem (utilização de calor) ser mais dispendiosa que a separação mecânica, a secagem deve ser precedida de um passo de separação de fase mecânico como a filtração ou a centrifugação (Grima et al., 2003).

1.3.1 Coagulação-floculação A floculação é um processo amplamente utilizado para a colheita de biomassa microalgal. Nos sistemas tradicionais produtivos (raceway ponds ou mixing ponds), as lagoas de sedimentação adjacentes são utilizadas para a floculação, sedimentação e colheita (Grima et al., 2003).

Vários métodos de floculação podem ser utilizados para agregar as microalgas para aumentar o tamanho efectivo das partículas e assim facilitar a sedimentação (Lei de Stoke – a velocidade de sedimentação é proporcional à diferença de densidades entre a célula e o meio e proporcional ao quadrado do raio das células). Também pode ser usada a flotação, através da introdução de bolhas de ar, para arraste da cultura para a superfície (Schenk et al., 2008).

As microalgas estão carregadas negativamente, o que evita a agregação das mesmas em suspensão. A carga superficial pode ser reduzida ou até mesmo neutralizada através da adição de floculantes catiónicos ao meio de crescimento. Idealmente, os floculantes a


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utilizar devem ser de custo reduzido, não tóxicos e eficazes em baixas concentrações. Para além disso não devem afectar negativamente o processo a jusante.

Os sais metálicos multivalentes são floculantes e/ou coagulantes eficazes. Os sais comummente utilizados são o Cloreto de Ferro, Sulfato de Alumínio e Sulfato de Ferro.

A eficiência dos electrólitos para induzir a coagulação é medida pela concentração crítica de coagulação, ou seja, a concentração necessária para causar uma rápida coagulação.

A eficiência da coagulação dos iões metálicos aumenta com o aumento da força iónica. No entanto, a floculação por sais metálicos poderá não ser aceitável se se pretender usar a biomassa em produtos alimentares (rações para animais ou alimentos para humanos), farmácia e/ou cosmética.

Os sais de metais polimerizados, como o sulfato poliférrico, são, em comparação com os descritos anteriormente, mais eficazes a um leque mais alargado de variação de pH.

Uma alternativa ao uso dos sais de metais é o uso de polímeros catiónicos, porque para além de reduzir ou neutralizar a carga superficial das células, o polímero floculante pode aglomerar as partículas por ligações físicas, ligando uma ou mais partículas através de um processo designado por bridging (Grima et al., 2003).

O Quadro 4 apresenta alguns floculantes utilizados e respectivos intervalos de pH e quantidades de aplicação.

Quadro 4 – Floculantes utilizados na colheita de algas (De Pauw e Van Vaerenbergh, 1981)

Floculante Intervalo de pH Dose Inorgânicos

Cal (Ca(OH)2) 11,5 – 11,8 300 – 500 mg/l Fe2(SO4)3 3,5 – 6 150 – 175 mg/l

FeCl3 3,5 – 6 50 mg/l Al2(SO4)3 5,3 – 5,6 80 – 250 mg/l

Polímeros Orgânicos Catiónicos 3,5 – 5 ou 9 3 – 5 mg/l

No processo de coagulação-floculação os floculantes apresentam um custo importante. Segundo Mohn (1992) o custo de quitosana (floculante natural não tóxico) e de Sulfato de Alumínio era de 10 US $/kg e de 1,83 US $/kg (à data).

O mesmo autor calculou o peso do custo da colheita, por coagulação-floculação, nos custos totais do processo de produção de biomassa microalgal, tendo determinado uma percentagem de 18,7%. Os custos com lagoas, laboratório e nutrientes são respectivamente 44,1%, 2,9% e 34%.


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Para a produção de biodiesel, a adição de floculantes não é actualmente um método viável e sustentável, sendo que a investigação passa por promover a autofloculação das células, através da limitação do carbono ou da mudança de pH (Schenk et al., 2008).

A autofloculação envolve a co-precipitação de sais de magnésio, hidróxidos, cálcio, fosfatos e carbonatos com a microalga. A limitação de carbono (resultando num aumento de pH) resulta em auto-floculação.

A biofloculação, em contraste, não é causada pela co-precipitação de sais minerais, mas depende de polímeros extracelulares formados aquando da fase estacionária da cultura da microalga (De Pauw e Van Vaerenbergh, 1981).

Na flotação, outro método de colheita de algas, promove-se a floculação das mesmas, sendo a cultura arejada formando uma espuma, com posterior remoção da alga (ao contrario da decantação) (http://www.bookrags.com).

1.3.2 Centrifugação O princípio básico desta tecnologia é a utilização da aceleração centrífuga. Numa suspensão de partículas de diferente densidade do líquido, a aceleração tem diferentes efeitos nas partículas e no líquido promovendo a separação de fases. A aceleração centrífuga é dependente do factor de aceleração, que por sua vez é calculado através do raio, da velocidade angular e da aceleração da gravidade (Schmitt, 1992).

A maioria das microalgas pode ser colhida da suspensão por centrifugação. Os processos de centrifugação podem ser rápidos, mas intensivos em termos de consumo energético (Grima et al., 2003). No entanto, a centrifugação é o método preferido para a recuperação de algas, especialmente para a produção de concentrados para maternidades e viveiros de aquacultura, ou para outros produtos de valor comercial acrescentado. A recuperação da biomassa numa centrífuga depende das características de assentamento da célula, do tempo de residência das células, e da profundidade do assentamento. A profundidade do assentamento pode ser mantida a valores reduzidos através do dimensionamento apropriado da centrífuga e o tempo de residência das células podem ser controlado pela variação do caudal (Grima et al., 2003).

A nível da análise da viabilidade económica, Mohn (1992) comparou os custos energéticos da colheita de biomassa por centrifugação “Plate separator” a diferentes caudais de alimentação, considerando os custos energéticos em vigor na altura (0,17 US $ kWh-1).

A 12,3% da capacidade da centrífuga (caudal de 0,08 m3 h-1) a eficiência encontrava-se na ordem dos 87% e os custos energéticos eram da ordem dos 1,2 US $ kg-1 de alga colhida.

Para uma capacidade de 80,3% (caudal de 0,52 m3 h-1) a eficiência diminui para 66,6%, mas os custos energéticos associados decresceram para 0,34 US $ kg-1 de alga colhida.


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Em termos ponderais a colheita por centrifugação representa 22,4% dos custos totais de produção sendo os custos com lagoas, laboratórios e nutrientes 42,1%, 2,8% e 32,4% dos custos totais respectivamente.

Segundo Schenk (2008), as centrífugas apesar de utilizadas com sucesso são muito dispendiosas e têm um consumo elevado de energia (da ordem dos 3000 kWh.t-1). Apesar disso, a centrifugação é bastante útil como processo de colheita secundária que poderá concentrar um caudal processado mais diluído (10-20 g.L-1) numa pasta de algas (100-200 g.L-1) podendo ser possivelmente utilizada combinadamente em processos de extracção de óleos.

1.3.3 Filtração A filtração sob pressão ou vácuo é um processo relativamente satisfatório para recuperar microalgas de dimensões elevadas, como as Coelastrum proboscideum e Spirulina platensis, mas é inadequado para a colheita de microalgas com dimensões semelhantes às bactérias (p.e. Dunaliella, Chlorella).

A terra de diatomáceas ou a celulose podem ser utilizadas como coadjuvantes da filtração, formando uma pré-camada a montante do filtro. A recuperação da biomassa por filtragem com uma pré-camada é efectuada por raspagem, juntamente com uma camada fina do coadjuvante. No entanto, a recuperação de biomassa obtida por este tipo de filtração não é adequada se a contaminação de biomassa com o coadjuvante não poder ser tolerada, por exemplo, na utilização da biomassa na aquacultura, ou processamentos posteriores que visam a extracção de componentes intracelulares.

Para as células de Dunaliella (células de pequenas dimensões), por exemplo, a filtração através de filtros de areia, de fibras de celulose e outros materiais filtrantes não é ainda prática, sendo a única excepção a terra de diatomáceas (Grima et al., 2003).

Existem outras alternativas à filtração convencional, com diversas vantagens para a recuperação da biomassa algal, como os processos de filtração de fluxo cruzado (cross-flow), tais como a microfiltração ou ultrafiltração, em que o fluxo principal é paralelo à membrana de filtração e perpendicular ao fluxo de permeação.

Estas vantagens podem ser maximizadas com a escolha da membrana adequada optimizando as taxas e a eficácia da filtração (Rossignol et al., 1999).

A microfiltração é adequada para garantir a viabilidade de células frágeis (Petrusevski et al., 1995), não sendo, contudo, um processo usado em grande escala. Estas membranas podem ser utilizadas a longo termo se as condições de baixas pressões transmembranares e velocidades baixas de atravessamento forem respeitadas.

Apesar das membranas de microfiltração promoverem caudais de atravessamento iniciais mais elevados do que as membranas de ultrafiltração, tendem a colmatar mais


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rapidamente. Caudais entre 15 a 60 l.m-2.h-1 são obtidos com as membranas de ultrafiltração.

Para o processo de filtração, Grima et al. (2003) argumentam que os custos de manutenção (reparação e substituição) de bombas são os mais representativos no que diz respeito ao processo de filtração. Em comparação com a centrifugação, a microfiltração pode ser mais económica para pequenos volumes (inferior a 2 m3.dia-1). Para volumes superiores a centrifugação aparenta ser o método mais económico de recuperar biomassa em comparação com a microfiltração.

1.3.4 Separação Magnética A separação magnética é uma tecnologia usada no tratamento de águas para a remoção de fosfatos, bactérias, turvação e cor (Bitton et al., 1974a, 1974b). Bitton et al. (1975) investigaram a capacidade de remoção de populações de algas presentes em diversos lagos da Florida por separação magnética sobre condições controladas.

O processo consistiu na adição à amostra de 1 litro de magnetite, um óxido de ferro numa concentração de 300 mg.L-1 com o objectivo de ser adsorvido na superfície das algas e a adição de sulfato de alumínio [Al2(SO4)3.18H2O] numa concentração de 50 mg.L-1 para promover a aglomeração entre algas e magnetite. Posteriormente as amostras foram agitadas e as misturas obtidas foram encaminhadas para um separador magnético. Como principais resultados obtiveram-se percentagens de remoção entre os 50% a 90%, aproximadamente. Um dos mais importantes factores de variação da capacidade de remoção foi o pH, pois na presença do sulfato de alumínio, a remoção de algas máxima ocorre a um pH não superior a 6,5 e decresce substancialmente a um pH superior a 7. Foi também verificado que o processo é menos eficiente para as Cyanophyceae em comparação com outras classes - Chlorophyceae e Chrysophyceae. Uma das grandes vantagens do processo identificadas é a capacidade de processamento de elevados fluxos devido a abertura da grelha dentro do filtro magnético (Bitton et al., 1975).

1.3.5 Separação por Ultrassons Os ultrassons podem ser um método de colheita das microalgas do seu meio de cultura ou de extracção dos componentes intracelulares, tais como os lípidos armazenados, através da ruptura da parede celular.

Segundo Bousma et al. (2003), as microalgas introduzidas numa câmara de ressonância, cujo tamanho e a frequência das ondas sonoras foram previamente definidas, migraram para zonas de energia acústica potencial mínima (nodes) afastando-se das zonas de energia acústica potencial máxima (bellies”).


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Coakley et al. (2000) referem também que as células perante uma onda permanente adquirem uma posição dependente do potencial energético acústico. Assim, os corpos suspensos tendem a concentrar-se no eixo referente a metade da onda.

O campo acústico total a que uma célula individual está submetida resulta do campo primário sobre si mesma e os campos dispersos sobre outras células vizinhas. O efeito da interacção entre as partículas resulta numa força de atracção entre as células que lentamente migram junto para os nós das ondas ultrassónicas. Posteriormente à aglomeração das células nas zonas de energia potencial mínima acústica, o campo é desligado e os aglomerados de células, de grandes dimensões, sedimentam rapidamente. Na realidade, o campo de ultrassons concentra as células, sendo a separação efectuada por sedimentação (força gravítica). Quando os ultrassons são utilizados para a colheita de células, estas não são submetidas a qualquer tipo de tensão, devido às elevadas frequências (na ordem dos Mhz) e amplitudes baixas de pressão sonora dos ultrassons. Para além disso, o campo acústico é definido exactamente na forma de uma onda contínua e nas zonas de energia potencial mínima acústica as amplitudes das ondas sonoras são aproximadamente zero (Bousma et al., 2003). Segundo estes autores este método apresenta vantagens, uma vez que o equipamento não sofre desgaste mecânico acentuado e a propensão para a avaria mecânica é diminuta, dado que o equipamento não tem partes móveis. Para além disso, pode operar continuamente.

Como principais desvantagens apresenta um consumo energético elevado e um factor de concentração relativamente reduzido. O consumo energético do processo de colheita por ultrassons para um equipamento com uma potência de 4 W, e negligenciando a energia gasta para arrefecimento, é na ordem dos 345 kWh por dia. Em termos de escala não se pode aumentar a dimensão das câmaras de ressonância, sob pena de se promover gradientes de temperatura que perturbam a homogeneidade do campo, pelo que grandes aparelhos necessitam de um número elevado de câmaras de ressonância para além do seu alto consumo de energia.

Para De Pauw e Van Vaerenbergh (1981) a escolha do melhor método de colheita está sempre condicionada pelos seguintes factores:

a) Características da cultura - espécie de alga e sua concentração;

b) Características dos aparelhos de colheita – concentração óptima da cultura, fiabilidade e necessidades energéticas;

c) Necessidade de protecção das algas e/ou dos aparelhos;

d) Qualidade do concentrado ou produto seco para posterior processamento.


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Em suma, os processos de centrifugação, filtração e floculação são os mais utilizados para a colheita de microalgas. No entanto estes processos apresentam problemas. A centrifugação tem a desvantagem de ter elevados custos de operação não compatíveis com a produção de um produto de valor comercial reduzido (Biodiesel) e valores elevados de manutenção para a prevenção e reparação de problemas mecânicos, devido a existências de peças móveis nos aparelhos. Em termos do processo de filtração os problemas levantados são o elevado tempo de filtração, a elevada área necessária para o processo e problemas relacionados com a colmatação das membranas. Estes factores são agravados pela redução do diâmetro da célula a filtrar. A floculação necessita também de grandes áreas, devido ao processo posterior de sedimentação. É necessário contar também com os custos do floculante e de operação.

Aparentemente, os custos do processo de colheita são proporcionais a sua fiabilidade, o que significa que métodos que são extremamente eficazes são dispendiosos. O mesmo acontece na situação inversa, métodos com custos reduzidos são pouco fiáveis na sua maioria.


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1.4 Extracção

Os concentrados de biomassa algal podem, em alguns casos, requerer um pré-tratamento de ruptura celular para a extracção de metabolitos intracelulares, como os óleos. Os óleos das microalgas têm uma variedade de aplicações comerciais e industriais, e são extraídos através de uma ampla variedade de métodos. O método mais simples é a extracção mecânica. As várias estirpes de algas variam largamente nas suas propriedades físicas, daí a utilização de várias configurações de prensas (parafuso, expellers, pistão, etc.).

A extracção pode ser dividida em dois tipos distintos a extracção mecânica (p.e. prensas e ultrassons) e a extracção química (p.e. solventes), embora muitos processos também englobem sinergias entre estes dois tipos de tecnologias.

A extracção mecânica pode ser conseguida pela agitação de biomassa microalgal na presença de esferas de vidro ou de cerâmica (p.e. com 0,5 mm de diâmetro) em homogeneizadores ou em prensas de leito (bead mills). Estes processos promovem a ruptura da parede celular das microalgas (Grima et al., 2003), facilitando a extracção de lípidos.

A utilização destes processos mecânicos em conjugação com solventes orgânicos aumenta significativamente a eficiência da extracção. Segundo Lee et al. (1998), a eficiência da extracção de lípidos para a alga Botryococcus braunii, obtida com solvente após o uso de prensas de leito foi 1,96 vezes superior à eficiência registada usando apenas o solvente na extracção de lípidos da mesma alga.

Shen et al., (2009) obtiveram eficiência da extracção de lípidos para a alga Scenedesmus dimorphus 4 vezes superiores utilizando um pré-tratamento de moagem húmida. Para a microalga Chlorella protothecoides obtiveram eficiência da extracção de lípidos 3,35 vezes superiores utilizando um pré-tratamento de prensas de leito (bead mills).

O método de extracção Soxhlet (Norma NP-856), onde os óleos das algas são extraídos através de repetidas lavagens, com um solvente orgânico (http://www.bookrags.com) e o método de Bligh & Dyer (1959) são exemplos de extracções com recurso a solventes.

Um factor determinante para a utilização desta técnica é o grau de contaminação da biomassa e a sua aceitação no processo a jusante.

A aplicação de ultrassons em microalgas suspensas também é uma alternativa tecnológica, podendo ser utilizada na ruptura de pequenas quantidades de biomassa, não sendo este método viável para uma aplicação em grande escala (Grima et al., 2003).

A extracção supercrítica, apesar de altamente eficaz, utiliza grandes quantidades de energia para promover temperatura e pressão elevadas necessárias ao processo. O choque osmótico é outra tecnologia de extracção de óleos, dado que a redução súbita da pressão osmótica pode causar a ruptura celular, libertando assim os produtos intracelulares, como são os óleos.


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O tratamento com compostos alcalinos é um método eficaz para a ruptura da parede celular mas, geralmente, não é adequado para a extracção de produtos sensíveis como as proteínas. No entanto, a lise alcalina pode ser usada para isolar os ácidos gordos livres das microalgas (Grima et al., 2003).

1.4.1 Extracção com solventes Os produtos intracelulares, como é o caso dos óleos, podem ser difíceis de extrair por intermédio de um solvente, se a biomassa estiver húmida (Belarbi et al., 2000), mas são muito mais facilmente extraídos se a biomassa estiver liofilizada.

A extracção por solvente para obter metabolitos da biomassa microalgal, é largamente utilizada. Metabolitos como astaxantina, β-caroteno podem ser extraídos por adição de hexano, etanol, clorofórmio e dietil éter (Grima et al., 2003).

A escolha do sistema de solventes para a extracção de lípidos das algas é muito importante devido à eficiência da extracção da mistura de solvente depender da permeabilidade da parede celular bem como do tipo de organismo (Lee et al., 1998).

Grima et al. (1994) utilizaram várias misturas de solventes para a extracção da fracção de lípidos de biomassa liofilizada da alga Isochrysis galbana;

O método de Bligh and Dyer (1959) (C13CH/MeOH/H2O, 1:2:0.8, v/v/v) foi o que obteve o melhor rendimento de lípidos (93,8%).

De seguida, o uso de etanol (96%) e da mistura de hexano/etanol (96%) (1:2,5 v/v) produziram os melhores resultados (84,4 e 79,6% respectivamente).

Como principais conclusões do estudo, Grima et al. (2004) descrevem que aparentemente o principal factor na extracção de lípidos é o conteúdo em álcool.

Para além disso, quanto maior a polaridade, maior o rendimento de extracção (Grima et al., 2004). Esta conclusão é suportada pelos resultados que indicam melhores rendimentos para misturas contendo metanol que possui uma maior polaridade que o etanol. Também foram registados melhores rendimentos para o clorofórmio do que o hexano devido à sua maior polaridade.

Segundo Grima et al. (2004), os resultados obtidos estão de acordo com o fraccionamento dos lípidos extraídos da alga Isochrysis galban em lípidos neutros (26,0%) e lípidos polares (72,2%), em que os solventes polares extraem melhor os lípidos polares que formam a principal proporção do total dos lípidos.

Os processos de extracção com solventes, apesar de serem eficazes, contam com custos significativos na aquisição dos solventes, tornando-os dispendiosos para a extracção de produtos de valor comercial reduzido, como é o caso dos óleos destinados à produção de biodiesel.


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Para além disso, uma outra desvantagem da utilização de solventes para a extracção de óleos está relacionada com a sua perigosidade no manuseamento dos mesmos e riscos de contaminação ambiental. Trata-se de compostos nocivos para a saúde e para o ambiente (http://www.bookrags.com)

1.4.2 Extracção por Ultrassons Como foi referido anteriormente os ultrassons podem ser um método de colheita das microalgas ou de extracção dos componentes intracelulares, através da ruptura da parede celular.

Quando se expõe um líquido a ultrassons, as ondas sonoras que se propagam no meio líquido resultam num ciclo de altas pressões (compressão) e baixas pressões (rarefacção), com taxas de alternância dependentes da frequência.

Durante os ciclos de baixas pressões, as ondas ultrassónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que não conseguem absorver mais energia, entram em colapso violento durante os ciclos de alta pressão. Esse fenómeno é denominado por cavitação.

Durante a implosão são atingidas localmente altas temperaturas e pressões. A implosão das bolhas também origina jactos de líquido. A resultante das forças mencionadas provoca situações de tensão que quebram a parede celular por acção mecânica e promovem a transferência do conteúdo celular para o meio de cultura (http://www.oilgae.com)

Segundo Wiltshire et al. (2000), que compararam vários métodos de extracção de pigmentos (p.e. clorofila a, b) e lípidos, a tecnologia de extracção por ultrassons é simples, conseguindo extrair até 90%, diversas substâncias num único passo. Adicionalmente, não registou nenhuma alteração ou quebra dos produtos obtidos.

Wiltshire et al. (2000) concluíram que a aplicação de ultrassons com a adição de areia como substância abrasiva aumenta substancialmente a quantidade de ácidos gordos extraídos da biomassa algal.

A utilização conjunta de ultrassons e areia permitiu aos autores extrair quantidades consideráveis de pigmentos e ácidos gordos da alga Scenedesmus obliquus, com uma eficiência de extracção superior ao controlo (apenas areia e solvente).

1.4.3 Extracção supercrítica A extracção supercrítica é um processo de separação de compostos usando fluídos supercríticos como extractantes. A extracção supercrítica com CO2 é utilizada na indústria da cosmética, farmacéutica e alimentar com altos rendimentos. O processo


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utiliza o CO2 como extractante e decorre a temperaturas superiores à temperatura crítica (31,1ºC) e a pressões acima da pressão crítica (7,4 Mpa) (Tanaka et al., 2004).

Em comparação com outros métodos de extracção, p.e. extracção com solventes orgânicos, a extracção supercrítica obtém rendimentos quatro vezes superiores para extracção de compostos como o tocoferol (Vitamina E) a partir de diferentes fontes como a palma, arroz ou soja.

Também para as microalgas este processo é reconhecido como adequado tanto para escala laboratorial como industrial e foi utilizado com sucesso na extracção de compostos de alto valor, com valores na ordem das 0,011 a 0,014 mg Vitamina E/g Spirulina seca (Mendiola et al., 2008).

Apesar de extremamente eficaz, este processo devido aos gastos energéticos envolvidos não é viável para produtos de baixo valor económico, nomeadamente os óleos para produção de biodiesel.

1.4.4 Extracção enzimática A extracção enzimática usa enzimas para degradar a parede celular das algas com a água a actuar como solvente. Este processo provoca um fraccionamento mais fácil do óleo. Existem possibilidades de sinergias com outros processos de extracção nomeadamente com o processo de ultrassons para promover uma extracção mais rápida e mais eficiente (http://www.bookrags.com). No entanto este processo encontra-se em desenvolvimento e ainda não ultrapassou o limiar da viabilidade económica.

Em suma os processos de extracção encontram-se perfeitamente estabelecidos, sejam mecânicos, químicos ou biológicos para aplicações diferentes nas indústrias farmacêuticas, alimentar, etc. Em comparação com as culturas oleaginosas terrestres, a extracção de óleos a partir de microalgas é muito mais complexa e mais dispendiosa.

Para a escolha do método de extracção é necessário ter em conta vários factores como a parede celular da célula e o seu estado fisiológico, a idade da cultura, o tipo de óleos produzidos pela alga, o grau de contaminação aceitável para o processo a jusante e a toxicidade dos compostos extractantes.


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1.5 Biorefinaria – Optimização do processo produtivo de Biodiesel

Uma Biorefinaria é um modelo conceptual para produção futura de biocombustíveis onde co-produtos de valor acrescentando são também produzidos. O conceito de biorefinaria tenta aplicar à conversão de biomassa, os métodos que são aplicáveis na refinação do petróleo. As biorefinarias poderão produzir simultaneamente biocombustíveis, bem como químicos biosintetizados, calor e energia.

As biorefinarias têm o potencial para apresentar maior viabilidade económica, sustentada pela co-produção de produtos de alto valor comercial, para além da maximização da eficiência energética, através do aproveitamento de calor. O calor libertado em alguns processos dentro da biorefinaria pode ser usado para abastecer as necessidades de outros processos no sistema.

Existem neste momento alguns projectos-piloto e unidades de demonstração em operação ou ainda em desenvolvimento, cuja aplicação comercial se espera apenas para a próxima década.

Existem várias barreiras técnicas e não técnicas relacionadas com a implementação da biorefinaria e a comercialização dos seus produtos. As actuais barreiras técnicas associadas ao uso de culturas terrestres energéticas estão relacionadas com os custos de produção e as dificuldades da colheita e armazenamento (Demirbas, 2009). Em relação às microalgas, existe ainda muito estudo a desenvolver no que diz respeito a viabilidade dos processos de colheita e extracção de biomassa microalgal (para produção de biodiesel), mas também na optimização de condições de crescimento.

O processo de produção de biodiesel a partir dos óleos das microalgas numa biorefinaria tem a vantagem de poder ser integrado noutros processos e daí advir benefícios tecnológicos e económicos.

Um processo conceptual para produção de biodiesel a partir de óleos das microalgas é apresentado na Figura 1. Este processo consiste num passo de produção de biomassa microalgal que necessita de luz, CO2, água e nutrientes inorgânicos como nitratos, fosfatos, ferro e alguns elementos vestigiais. A água do mar suplementada com fertilizantes comerciais contendo nitratos e fosfatos e outros micronutrientes é comum para o crescimento de microalgas marinhas. Para algas de água doce, a água dos lagos, rios e aquíferos, pode ser utilizada também com suplementação nutricional. Aproximadamente metade do peso seco da biomassa microalgal é carbono que tipicamente deriva da fixação do CO2. Como foi referido anteriormente, a biofixação de CO2 libertado por centrais eléctricas melhora a produtividade do processo ao mesmo tempo que limita as emissões de GEE, sendo que este CO2 está frequentemente disponível a custo reduzido ou nulo.

De seguida existem os passos tradicionais de colheita da biomassa onde a água e os nutrientes residuais podem ser reintroduzidos nos reactores de crescimento da biomassa. A pasta de biomassa concentrada é processada para a extracção de óleos que podem ser


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convertidos a biodiesel utilizando os métodos já disponíveis. O solvente utilizado na extracção é então recuperado e reciclado.

Os resíduos de biomassa após a extracção do óleo podem ser utilizados para rações de animais (alto conteúdo em proteínas) e, possivelmente, como fonte de pequenas quantidades de produtos de alto valor. Nos dois cenários as receitas da venda dos resíduos de biomassa podem cobrir parte ou a totalidade dos custos de produção de biodiesel (Chisti, 2008). No entanto, a maioria dos resíduos de biomassa microalgal podem ser encaminhados para digestão anaeróbia para a produção de biogás. Este biogás serve como fonte de energia primária para o processo descrito. Toda a energia produzida em excesso poderá ser vendida à rede melhorando a economia geral do processo.

Outra receita adicional pode advir da venda de fertilizantes que é produzida durante a digestão anaeróbia. A tecnologia de digestão anaeróbia de resíduos de biomassa existe e encontra-se bastante desenvolvida bem como a tecnologia para converter o biogás em energia eléctrica e/ou mecânica.

O CO2 gerado na combustão do biogás pode ser reciclado directamente através do encaminhamento (em paralelo com o CO2 de outras centrais eléctricas) para a produção da biomassa microalgal (Chisti, 2008).

Figura 1- Modelo Conceptual da integração do processo de produção de Biodiesel

Fonte: (Chisti, 2008)


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1.6 Características do Biodiesel de Microalga

Para utilização comercial, o biodiesel microalgal necessita de cumprir as especificações impostas pelas normas existentes. Nos EUA a norma relevante é a ASTM Biodiesel Standard D 6751. Na UE existem duas normas distintas conforme o destino do biodiesel. Se o biodiesel for utilizado o sector dos transportes a norma a respeitar é a EN 14214 (ver quadro 5). Se a utilização for o aquecimento a norma é a EN 14213 (Chisti, 2007).

Quadro 5 – Especificações da Norma EN 14214

Propriedade Unidade Limite inferior

Limite Superior

Método

Conteúdo em éster % (m/m) 96,5 - EN 14103

Densidade a 15ºC kg/m3 860 900 EN ISO 3675 EN ISO 12185

Viscosidade a 40ºC mm2/s 3,5 5,0 EN ISO 3104 Ponto de inflamação ºC 101 - EN ISO 3679 Conteúdo em Enxofre mg/kg - 10,0 EN ISO 20846

EN ISO 20884

Resíduo Carbonoso (em 10% de

resíduo de destilação) % (m/m) - 0,30 EN ISO 10370

Número de cetano 51,0 - EN ISO 5165 Teor em cinzas sulfatadas % (m/m) - 0,02 ISO 3987 Teor em água mg/kg - 500 EN ISO 12937 Contaminação total mg/kg - 24 EN 12662 Corrosão à lamina de cobre (3 h a 50ºC)

taxa Classe 1 EN ISO 2160

Estabilidade à oxidação,110ºC hora 6,0 - EN 14112 Índice de acidez mg KOH/g - 0,5 EN 14104 Índice de iodo g iodo/100g - 120 EN ISO 14111 Éster metílico do ácido linolénico

% (m/m) - 12,0 EN 14103

Esteres metílicos polinsaturados (4 duplas ligações)

% (m/m) - 1

Teor em metanol % (m/m) - 0,20 EN 14110 Teor em Monoglicéridos % (m/m) - 0,80 EN 14105 Teor em Diglicéridos % (m/m) - 0,20 EN 14105 Teor em Triglicéridos % (m/m) - 0,20 EN 14105 Glicerol livre % (m/m) - 0,02 EN 14105

EN 14106Glicerol total % (m/m) - 0,25 EN 14105

Metais do grupo I (Na + K) Metais do grupo II (Ca + MG)

mg/kg - 5,0 5,0

EN 14108 EN 14109 EN 14538

Teor em fósforo mg/kg - 4,0 EN 14107


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A composição do óleo de microalgas não é muito diferente da maioria dos óleos vegetais, mas é normalmente mais rico em ácidos gordos polinsaturados com 4 ou mais ligações duplas (Belarbi et al., 2000).

Por exemplo, o ácido eicosapentaenóico - EPA (C20:5) e o ácido docosahexaenóico - DHA (C22:6) ocorrem com frequência nos óleos de algas. Ácidos gordos e metil ésteres de ácidos gordos (FAME) com quatro ou mais ligações duplas são susceptíveis de oxidarem durante o armazenamento e assim reduzir a sua aceitabilidade para uso como biodiesel, sendo no entanto, de grande valor nutritivo e económico para a indústria alimentar.

Alguns óleos vegetais também enfrentam esse problema. Por exemplo os óleos vegetais da canola contêm grandes quantidades de ácido linoléico (C18:2) e ácido linolénico (C18:3). Apesar desses ácidos gordos possuírem uma estabilidade oxidativa muito superior aos EPA e DHA, a norma europeia EN 14214 limita o conteúdo em metil éster de ácido linolénico no biodiesel em 12%. Apesar de não existirem limitações para o biodiesel para aquecimento, existem outros critérios referentes à quantidade da insaturação total do óleo.

A insaturação total do óleo é indicada pelo seu índice de iodo. As normas europeias EN 14214 e EN 14213 requerem um índice de iodo que não exceda as 120 e 130 g iodo/ 100 g biodiesel, respectivamente.

Para além disso as duas normas europeias limitam o conteúdo de FAME com quatro ou mais ligações duplas a um máximo de 1%.

Assim, tendo em consideração a composição dos óleos produzidos pelas microalgas, conclui-se que a maioria não cumpre as especificações das Normas Europeias do Biodiesel. No entanto, pode sempre usar-se misturas de óleos de outras algas e/ou outras oleaginosas. O conteúdo em ácidos gordos com quatro ou mais ligações duplas pode ser reduzido, com recurso a reacções de hidrogenação catalítica parcial utilizada, por exemplo, na produção de margarina a partir de óleos vegetais (Chisti, 2007).

Por outro lado existem parâmetros que se alteram positivamente com a presença de ácidos gordos insaturados (cold filter plugging point e Melting point), sendo que a sua presença em valores normalizados pode ser positiva. (Schenk et al., 2008).


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Gouveia e Oliveira (2009) analisaram o perfil de ácidos gordos produzidos por variadas espécies de microalgas, vide Quadro 6.

Quadro 6 – Perfil de ácidos gordos de várias algas (Gouveia e Oliveira, 2009)

Ácido gordo

Sp (%mm-1)

Cv (%mm-1)

Sc (%mm-1)

Dt (%mm-1)

Nan (%mm-1)

Neo (%mm-1)

14:0 0,34 3,07 1,48 0,47 7,16 0,43 16:0 40,16 25,07 21,78 17,70 23,35 19,35 16:1 9,19 5,25 5,95 0,88 26,87 1,85 16:2 n.d. n.d. 3,96 3,03 0,39 1,74 16:3 0,42 1,27 0,68 1,24 0,48 0,96 16:4 0,16 4,06 0,43 10,56 n.d. 7,24 18:0 1,18 0,63 0,45 n.d. 0,45 0,98 18:1 5,43 12,64 17,93 4,87 13,20 20,29 18:2 17,89 7,19 21,74 12,37 1,21 12,99 18:3 18,32 19,05 3,76 30,19 n.d. 17,43 18:4 0,08 n.d. 0,21 n.d. n.d. 2,10 20:0 0,06 0,09 n.d. n.d. n.d. n.d. 20:1 n.d. 0,93 n.d. n.d. n.d. n.d. 20:2 0,48 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 20:3 n.d. 0,83 n.d. n.d. n.d. n.d. 20:4 n.d. 0,23 n.d. n.d. 2,74 n.d. 20:5 n.d. 0,46 n.d. n.d. 14,31 n.d.

Saturados 41,74 28,56 23,71 18,17 30,96 20,76 Insaturados 51,97 51,91 54,66 63,14 59,20 64,60

Observações: Spirulina maxima (Sp), Chlorella vulgaris (Cv), Scenedesmus obliquus (Sc), Dunaliella tertiolecta (Dt), Nannochloropsis sp. (Nan) e Neochloris oleoabundans (Neo).

Todos os lípidos de microalgas são maioritariamente compostos por ácidos gordos insaturados (50 – 65%), apresentando também uma percentagem significativa de ácido palmítico (C16:0) (17-40%).

Entre os ácidos gordos insaturados, os autores deram atenção especial ao ácido linolénico e aos ácidos gordos de 4 ou mais ligações duplas (que como foi referido anteriormente, encontram-se limitados pela norma europeia EN 14214 a 12% e 1%, respectivamente).

Os resultados obtidos demonstraram que apenas os óleos extraídos das algas Scenedesmus obliquus e Nannochloropsis sp. apresentaram conteúdos em ácido linolénico dentro das especificações.

O óleo da alga Scenedesmus obliquus tem também um conteúdo inferior em ácidos gordos insaturados ao normalizado pela EN 14214.

O quadro 7 apresenta os índices de iodo para as microalgas estudadas, que apresentaram maior potencial para a produção de óleos para biodiesel:


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Quadro 7 – Índices de Iodo de várias algas (Gouveia e Oliveira, 2009)

Scenedesmus obliquus

Dunaliella tertiolecta

Nannochloropsis sp.

Neochloris oleoabundans

Índice Iodo (g I2.100 g-1)

69 121 52 102

Os resultados obtidos cumprem as especificações de qualidade do biodiesel (valor de índice de iodo inferior a 120 g I2/100 g).

De acordo com Gouveia e Oliveira (2009) se o objectivo for a produção de óleos a partir de uma só espécie de alga, a alga Scenedesmus obliquus apresenta o perfil de ácidos gordos mais adequado, considerando especificamente o ácido linolénico e os ácidos polinsaturados. No entanto as algas Neochloris oleoabundans, Nannochloropsis sp. e Dunaliella tertiolecta podem ser utilizadas com recurso à utilização de misturas com outros óleos de microalgas e/ou óleos vegetais (sem considerar a reacção de hidrogenação).

Rodolfi et al. (2008) também analisaram o teor em ácidos gordos da microalga Nannochloropsis sp., e avaliaram a mudança da sua composição ao fim de 18 dias num meio com deficiência em Azoto (método referido anteriormente para maximizar acumulação de lípidos).

O Quadro 8 apresenta a alteração no teor dos principais ácidos gordos da microalga Nannochloropsis sp.

Quadro 8- Teor em ácidos gordos da microalga Nannochloropsis sp. (Rodolfi et al., 2008)

Ácido Gordo Teor Inicial (%biomassa) Teor Final (%biomassa) 14:0 0,7 2,9 16:0 4,8 19,8

16:1n7 3,9 15,1 18:1n9 0,7 6,8


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1.7 Microalgas Estudadas na Dissertação - Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp.

Nannochloropsis é o único género marinho da classe Eustigmatophyceae. É geralmente descrito como um componente do picoplâncton eucariótico uma vez que o seu tamanho varia entre 2 a 5 μm. Assim, estes organismos são muito activos a nível metabólico resultando de uma relação favorável entre superfície e volume.

Esta alga foi inicialmente conhecida como a Chlorella marinha, apesar de conter apenas clorofila a.

O interesse despertado por esta alga deve-se à sua capacidade de acumulação de um largo espectro de pigmentos, tais como a zeaxantina, cantaxantina e a astaxantina, cada um com altos níveis produtivos (Mohammady et al., 2005). È muito usada em aquacultura.

A alga Neochloris oleoabundans pertence à classe das algas verdes (Chlorophyceae). É uma alga de água doce e é uma das mais promissoras das algas para a produção de óleos com fim à produção de biodiesel.

A Neochloris oleoabundans foi primeiramente isolada a partir de uma duna na Arábia Saudita entre 1958-1962 (http://www.chemie.de). É uma alga unicelular e o seu tamanho vai de 6 a 25 μm (http://www.cibnor.mx).


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2 MATERIAL E MÉTODOS

O trabalho experimental decorreu na Unidade de Bioenergia do LNEG (Ex DER/INETI). Foram realizados pontualmente ensaios no Departamento de Biotecnologia e no Departamento de Materiais (Ex INETI).

2.1 Produção da Biomassa Microalgal

A microalga Neochloris oleoabundans foi adquirida à algateca da Universidade do Texas em Austin (UTEX), EUA. A microalga Nannochloropsis sp. foi adquirida à Universidade de Coimbra. A produção de ambas decorreu de acordo com o seguinte procedimento:

a) Inoculou-se a alga em meio de cultura (esterilizado previamente), num air-lift de vidro com capacidade de, aproximadamente, 1 litro, com iluminação artificial (através de 6 lâmpadas fluorescentes de 36 Watts cada) durante 24 horas, com arejamento por ar comprimido (Figura 2).

Figura 2- Montagem de Air-lift


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b) Diluiu-se a cultura do air-lift em maiores volumes de meio de cultura, geralmente 5 a 20 litros numa manga de crescimento de filme de plástico transparente, com iluminação artificial (através de 8 lâmpadas fluorescentes de 36 Watts cada) e arejamento por ar comprimido. A manga era aberta não sendo controlada a contaminação (Figura 3).

Figura 3 - Esquema de Manga de Crescimento

c) Mantiveram-se os nutrientes disponíveis através de reintrodução de meio, geralmente após a colheita de cultura para a realização de ensaios.

Foram calculadas as taxas de crescimento graficamente, onde a taxa é igual ao declive da recta ln(peso seco) vs Tempo para a fase de crescimento exponencial.


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2.1.1 Meios de Cultura Os meios de cultura utilizados (Meio Brystol e o Meio GPM para as algas Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp., respectivamente) são descritos nos Quadro 9 e 10.

Quadro 9- Meio Brystol - Neochloris oleoabundans

Meio Brystol ConcentraçãoNaNO3 250 mg.L-1

K2HPO4 75 mg.L-1 CaCl2.2H2O 33 mg.L-1

MgSO4.7H2O 75 mg.L-1 KH2PO4 175 mg.L-1

NaCl 25 mg.L-1 Fe-EDTA 60 mg.L-1

Sol. Elementos vestigiais a) 10 mL.L-1 a) Composição em Anexo 1

Quadro 10 - Meio GPM - Nannochloropsis sp

Meio GPM ConcentraçãoKNO3 200 mg.L-1 K2PO4 38 mg.L-1

Sol. Elementos vestigiais a) 5 mL.L-1 a) Composição em Anexo 1

2.1.2 Curvas de Crescimento Durante a produção foram efectuadas curvas de crescimento para cada uma das algas: DO vs tempo e DO vs Peso Seco.

Para tal foram recolhidas amostras diariamente, nas quais se procedeu à leitura da DO (540 nm) num espectrofotómetro Hitachi U2000.

Foram efectuadas também filtrações (filtro circular de fibra de vidro, marca Whatman, modelo GF/C de 47 mm de diâmetro com porosidade de 0,2 µm) de um volume de 15 mL de cultura, sob vácuo (trompa de vácuo com kitasato) de modo a obter o peso seco, o qual foi expresso em g.L-1. Os filtros foram secos em estufa da marca Memmert durante 4 horas a 80ºC (até peso constante) e arrefecidos ao exsicador durante 4 horas.


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2.2 Colheita de biomassa microalgal do licor de crescimento

A colheita foi o primeiro dos processos tecnológicos em estudo nesta dissertação. De acordo com os equipamentos e materiais à disposição, foram realizados ensaios para testar aos seguintes processos de colheita:

a) Coagulação-floculação;

b) Variação de pH (para promover a auto-floculação);

c) Separação Magnética;

d) Centrifugação;

e) Ultrafiltração.

As metodologias utilizadas para cada um destes processos são apresentadas seguidamente.

2.2.1 Coagulação-floculação No processo de Coagulação-floculação utilizou-se 6 agentes floculantes: FeCl3.6H2O; FeSO4.7H2O; Al2SO4.18H2O; Ca(OH)2; AlCl3.6H2O e Lamas efluentes de um processo de anodização rica em alumínio com composição não passível de ser indicada devido a um processo de patenteamento que se encontra em curso. Para cada um destes agentes floculantes foram testadas 6 concentrações diferentes: 10, 25,50,100, 200 e 500 mg.L-1.

Os ensaios foram realizados em JarTest, da marca G. Vittadini. Cada um dos ensaios decorreu de acordo com o seguinte procedimento:

a) Foi efectuada a recolha de 6 amostras das culturas, em copos de 500 mL, tendo-se procedido posteriormente à leitura da DO, a 540 nm, e do pH. As amostras foram depois colocadas no JarTest;

b) Adicionou-se as quantidades de floculante nas concentrações desejadas (10, 25, 50, 100, 200 e 500 mg.L-1);

c) Procedeu-se à agitação rápida (fase de mistura e perturbação das cargas - coagulação), a 150 rpm, durante 1 minuto;

d) Seguidamente procedeu-se à agitação lenta (fase de formação de flocos - floculação), a 40 rpm, durante 10 minutos;

e) Submeteu-se as amostras a repouso (fase de decantação sem agitação), durante 30 minutos;

f) Realizou-se a leitura da DO, a 540 nm, e do pH do líquido sobrenadante (clarificado).


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g) Calculou-se a % de remoção de biomassa. Considerando que a relação DO vs Peso seco é proporcional para as duas microalgas (vide figuras 7 e 9):

(DO clarificado/DO inicial) *100 = % redução da DO = % de remoção de biomassa.

2.2.2 Variação de pH No processo de variação de pH (para promover a auto-floculação) utilizou-se um Ácido forte (HCl, 1 N, para a microalga Neochloris e H2SO4, 1N, para Nannochloropsis sp.) e uma base forte (NaOH, 1 N, para ambas).

Os ensaios foram realizados de acordo com o seguinte procedimento:

a) Efectuou-se a recolha de duas amostras de cultura, em copos de 500 mL, tendo-se procedido posteriormente à leitura de DO, a 540 nm, e do pH. As amostras foram colocadas em agitação, num agitador magnético da marca Velp em velocidade reduzida;

b) Procedeu-se à instalação do equipamento para medir o pH (marca WTW inolab), em contínuo, durante a adição da base ou de ácido;

c) Procedeu-se à adição lenta de Ácido forte (HCl, 1 N ou H2SO4, 1N) ou da base forte (NaOH, 1 N) com leitura permanente de pH;

d) Interromper a adição de Ácido ou base após indícios de formação de flocos e registo de quantidade adicionada e pH.

e) Calculou-se a % de remoção de biomassa. Considerando que a relação DO vs Peso seco é proporcional para as duas microalgas (vide figuras 7 e 9):


2.2.3 Separação Magnética No processo de Separação Magnética utilizou-se Al2SO4.18H2O, como agente floculante, e Ferrite, sob a forma de pó.

Os ensaios foram realizados, numa primeira fase em JarTest da marca G. Vittadini (ensaio de floculação) e de seguida numa montagem que consistia num tubo de 0,6 cm de diâmetro e 1,7 m de comprimento, por onde a cultura era escoada. Este tubo era rodeado de magnetos com um volume total de 19 cm3, dispostos espaçadamente ao longo do tubo.


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A montagem para este ensaio é apresentada na figura 4:

Figura 4- Montagem realizada para Ensaios de Separação Magnética

Os ensaios foram realizados de acordo com o seguinte procedimento:

a) Efectuou-se a recolha de 4 amostras de cultura em copos de 500 mL, e posterior leitura da DO, a 540 nm. As amostras foram colocadas no JarTest;

b) Adicionou-se o agente floculante e a ferrite em cada um dos copos, em concentrações diferentes, de modo a formar os seguintes pares: 200 mg.L-1 Al2SO4 + 500 mg.L-1 ferrite (copo A); 500 mg.L-1 Al2SO4 + 1000 mg.L-1 ferrite (Copo B); 200 mg.L-1 Al2SO4 + 1000 mg.L-1 ferrite (Copo C) e 500 mg.L-1 Al2SO4 + 500 mg.L-1 ferrite (Copo D);

c) Realizou-se uma agitação rápida (fase de mistura e perturbação das cargas - coagulação), a 150 rpm, durante 1 minuto;

d) Efectuou-se de seguida uma agitação lenta (fase de formação de flocos e integração da ferrite nos mesmos - floculação), a 40 rpm, durante 10 minutos;

e) Efectuou-se a passagem da cultura pelo tubo rodeado de magnetos e recolha após a passagem pelos mesmos.

f) Realizou-se a leitura da DO, a 540 nm, e do pH do líquido que foi submetido a separação magnética. (clarificado);

g) Calculou-se a % de remoção de biomassa. Considerando que a relação DO vs Peso seco é proporcional para as duas microalgas (vide figuras 7 e 9):


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h) Efectuou-se a recolha dos magnetos;

i) Procedeu-se à lavagem com água destilada (mínimo possível) do tubo da montagem para recolha dos flocos separados e posteriormente observou-se a sua estrutura ao microscópio;

j)Adicionalmente foi repetido este mesmo procedimento para outra amostra, mas desta vez reduzindo o comprimento do tubo, bem como o volume de magnetos (3 cm3). As concentrações de Al2SO4 e Ferrite para este ensaio adicional foram de 200 mg.L-1 e 500 mg.L-1, respectivamente. Este ensaio adicional serviu para averiguar a importância da montagem (comprimento do tubo e volume de magnetos) na separação das microalgas.

2.2.4 Centrifugação Os ensaios foram realizados numa centrífuga com refrigeração operando em descontínuo (marca Beckman, modelo Avanti J-25I). Cada um dos ensaios decorreu de acordo com o seguinte procedimento:

a) Recolheram-se duas amostras de 300 mL de cultura em copo de centrifugação de 500 mL.

b) Efectuou-se a calibração dos copos de centrifugação para equilíbrio do peso na centrifugadora.

c) Iniciou-se a centrifugação a 8500 rpm, durante 5 minutos, com uma temperatura de refrigeração de 2ºC.

d) Efectuou-se a leitura da DO, a 540 nm, do líquido sobrenadante (clarificado).

e) Calculou-se a % de remoção de biomassa. Considerando que a relação DO vs Peso seco é proporcional para as duas microalgas (vide figuras 7 e 9):


2.2.5 Ultrafiltração Os ensaios foram realizados de acordo com o procedimento seguinte:

a) Recolheram-se 3 litros de cultura em recipiente adequado.

b) Instalou-se a membrana (membrana acrílica Carbosep - 300 kDalton) no aparelho de ultrafiltração (Mini - piloto Orelis).

c) Introduziu-se a cultura na tina do equipamento e iniciou-se a operação regulando a frequência da bomba do circuito, de acordo com o manual de instruções, e mantendo


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uma queda de pressão superior a 0,2 bar entre os barómetros dispostos antes e após a membrana;

d) Manteve-se o equipamento em operação, controlando a temperatura do fluido através do circuito externo de arrefecimento (encamissamento da tina), durante uma hora;

e) Registou-se o volume clarificado (permeado) e o volume restante na tina, bem como as suas DO, a 540 nm.

f) Calculou-se a % de remoção de biomassa. Considerando que a relação DO vs Peso seco é proporcional para as duas microalgas (vide figuras 7 e 9):


2.3 Extracção de óleo de Microalgas

De acordo com os equipamentos e materiais à disposição, foram realizados ensaios referentes aos seguintes processos de colheita:

a) Bligh and Dyer (extracção com solvente a frio);

b) Soxhlet (extracção com solvente a quente);

c) Extracção mecânica (homogeneização com esferas de vidro) e química (etanol);

d) Extracção mecânica (ultrassons) e química (etanol).

2.3.1 Método de Extracção de Lípidos de Bligh & Dyer Neste ensaio utilizou-se alga liofilizada e uma solução de metanol, clorofórmio e água destilada, (10:5:4 v/v/v). O ensaio realizado em quadruplicado. Os equipamentos utilizados foram um agitador magnético (marca Velp) e a centrífuga (marca GCA, modelo Precision).

Cada um dos quatro ensaios decorreu de acordo com o seguinte procedimento (Bligh e Dyer, 1959):

a) Preparou-se 320 mL de uma solução de metanol, clorofórmio e água destilada (10:5:4 v/v/v) (80 mL x4 ensaios);

b) Adicionou-se 100 mg de alga liofilizada a quatro tubos de centrifugação com agitador magnético;

c) Adicionou-se 20 mL da solução de metanol, clorofórmio e água destilada (10:5:4 v/v/v) a cada tubo de centrifugação. Os tubos foram envolvidos com prata e selados com parafilme;


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d) Efectuou-se a agitação num agitador magnético durante 20 horas.

e) Efectuou-se a centrifugação, durante 15 minutos, a 1100 rpm. A fase superior foi retirada, com uma pipeta para uma ampola de decantação;

f) À biomassa que permaneceu no tubo de centrifugação adicionou-se, novamente, 20 mL da solução metanol, clorofórmio e água destilada (10:5:4 v/v/v) e agitou-se num agitador magnético cerca de 1 hora.

g) Os passos e) e f) foram repetidos até ao ponto em que a biomassa se apresentou descolorada;

h) Os volumes de solventes adicionados foram registados, tendo sido dependentes do número de repetições efectuadas;

i) Fez-se o acerto da solução metanol, clorofórmio e água destilada (10:5:4 v/v/v), na ampola de decantação, mudando a concentração dos solventes para metanol, clorofórmio e água destilada (10:10:9 v/v/v), através da adição de clorofórmio e água destilada;

j) Adicionou-se sal marinho (poucos cristais) para ajudar a promover a separação de fases. Agitou-se a mistura e deixou-se repousar de um dia para o outro;

A figura 5 apresenta a separação de fases ocorrida durante o tempo de repouso:

Figura 5- Separação de fases no processo Bligh & Dyer

k) Filtrou-se a camada inferior da ampola, por papel de filtro W42, fazendo passar a solução por sulfato de sódio anidro (para retirar a água presente), para balões previamente tarados (levados a estufa a 80ºC durante 4 horas e depois ao exsicador durante 4 horas), adaptáveis ao rotavapor;


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l) Evaporou-se a amostra num rotavapor (marca Sotel, modelo R110), a 45ºC e com pressão de sucção;

m) O balão foi seco numa estufa a 80ºC durante 4 horas (marca Memmert) e depois foi arrefecido num exsicador durante 4 horas. Finalmente foi pesado e o seu peso registado;

n) Calculou-se os óleos extraídos por gravimetria utilizando a seguinte fórmula:

% Óleos obtidos = ((Peso final Balão - Peso Balão) / Peso Amostra)*100

2.3.2 Extracção Soxhlet No método de extracção Soxhlet utilizou-se alga liofilizada de 6 amostras de 2 g cada (ensaio realizado em duplicado). Adicionalmente, verificou-se a influência experimental do pré-tratamento mecânico. As 6 amostras resultaram dos pré-tratamentos indicados no Quadro 11:

Quadro 11 - Amostragem Soxhlet

Balão Pré-Tratamento A Sem Pré-tratamento B Sem Pré-tratamento C Moagem com Areia D Moagem com Areia E Ultrassons F Ultrassons

Os ensaios foram realizados num equipamento Soxhlet (marca P-Selecta). A moagem com areia (areia tratada com HCl, lavada e calcinada) foi efectuada com almofariz e o aparelho de ultrassons utilizado é da Marca B.Braun Modelo Labsonic 2000. O Solvente utilizado foi n-hexano.

Cada um dos ensaios decorreu de acordo com o seguinte procedimento (Norma NP-856):

a) Foram tarados balões (levados a estufa a 80ºC durante 4 horas e depois ao exsicador durante 4 horas) e cartuchos e adicionou-se a biomassa liofilizada a cada um;

b) No caso do pré-tratamento com ultrassons levou-se o cartucho com a biomassa a um copo de 250 mL e adicionou-se 125 mL de n-hexano. Efectuou-se a operação com o aparelho de ultrassons, durante 5 minutos, a uma frequência de 150 s-1;

c) Adicionou-se aos balões do equipamento Soxhlet, 125 mL de n-hexano e colocou-se o conjunto balão com solvente, alonga, cartucho e amostra no aparelho. Iniciou-se o seu funcionamento;


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d) Regulou-se o aquecimento de modo a que se obtivesse, na extracção, uma frequência de refluxo de, pelo menos, 3 gotas por segundo (ebulição moderada, não tumultuosa) e manteve-se estas condições por 4 horas (1.º ciclo);

e) Após o 1.º ciclo de extracção, deixou-se arrefecer o conteúdo dos balões. No caso do pré-tratamento com areia retirou-se o cartucho do aparelho de extracção e deixou-se evaporar ao ar a maior parte do solvente;

f) Deitou-se o conteúdo do cartucho no almofariz no caso do pré-tratamento com areia e triturou-se o mais finamente possível, deitando o produto triturado novamente no cartucho e colocando-o novamente na alonga;

g) Realizou-se nova extracção com condições idênticas ao primeiro ciclo, durante 4 horas (2.º ciclo);

h) Após o 2.ºciclo, deixou-se arrefecer o conteúdo dos balões. Retirou-se o cartucho do aparelho de extracção e deixou-se evaporar ao ar a maior parte do solvente;

i) Repetiu-se novamente o passo f) (Deitou-se o conteúdo do cartucho no almofariz e triturou-se o mais finamente possível) no caso do pré-tratamento com areia.

j) Procedeu-se a uma 3.ª extracção com condições idênticas aos dois ciclos anteriores durante 2 horas;

k) Evaporou-se o solvente dos balões num rotavapor (marca Sotel, modelo R110), a 45ºC e com pressão de sucção;

l) Secou-se os balões em estufa (estufa a 80ºC durante 4 horas), levou-se ao exsicador durante 4 horas e efectuou-se a pesagem dos balões após terem sido arrefecidos;

m) Calculou-se os óleos extraídos por gravimetria utilizando a seguinte fórmula:


2.3.3 Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) Neste procedimento utilizou-se a alga liofilizada (2 amostras de 500 mg – experiência em duplicado), 2 grama de microesferas de vidro da marca Sigma com diâmetro de 0,5 mm e 40*2 mL de etanol.

Cada um dos ensaios decorreu de acordo com o seguinte procedimento:

a) Foram adicionados 500 mg de alga liofilizada a provetas;

b) Efectuou-se a pesagem de 2 grama de microesferas de vidro;

c) Adicionou-se a cada uma proveta com 500 mg de alga liofilizada, 1 grama de microesferas de vidro e 40 mL de etanol (solvente);


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d) Inseriu-se o homogeneizador (marca Heidolph, modelo Diax 600) na proveta, de modo a estar totalmente submerso no seu conteúdo;

e) Efectuou-se a operação de homogeneização durante 10 minutos, a 800 min-1, para cada uma das provetas;

f) Foram tarados 2 filtros (filtros de fibra de vidro circular, marca Whatman, modelo GF/C de 47 mm de diâmetro com porosidade de 0,2 µm) em estufa a 80ºC durante 4 horas e depois arrefecidos ao exsicador durante 4 horas.

g) Filtrou-se a mistura de modo a separar-se a fase sólida (alga + esferas de vidro) da fase líquida (etanol + óleos) para cada uma das provetas;

h) Foram tarados dois balões (levados a estufa a 80ºC durante 4 horas e depois ao exsicador durante 4 horas);

i) Verteu-se para cada balão do rotavapor a fase líquida e levou-se ao rotavapor (temperatura 45ºC e pressão de sucção) para evaporação do solvente (utilizou-se até 5 mL de etanol para lavagem do kitasato);

j) Cada balão e cada filtro foram secos em estufa a 80ºC durante 4 horas e arrefecidos ao excicador durante 4 horas e depois registou-se o peso do balão e do filtro (peso do filtro serviu para averiguar as perdas de microalga durante o processo);

k) Calculou-se os óleos extraídos por gravimetria utilizando a seguinte fórmula:


2.3.4 Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) Neste procedimento utilizou-se a alga liofilizada (2 amostras de 500 mg – ensaio em duplicado), o aparelho de ultrassons destrutivos (Marca B.Braun Modelo Labsonic 2000) e 40*2 mL de etanol.

Cada um dos ensaios decorreu de acordo com o seguinte procedimento:

a) Procedeu-se à adição de 500 mg de alga liofilizada a um copo;

b) Adicionou-se 40 mL de etanol ao copo;

c) Levou-se o copo com a mistura solvente-alga ao aparelho de ultrassons, durante 5 minutos, a uma frequência de 150 s-1;

d) Foram tarados 2 filtros (filtros de fibra de vidro circular, marca Whatman, modelo GF/C de 47 mm de diâmetro com porosidade de 0,2 µm) em estufa a 80ºC durante 4 horas e depois arrefecidos ao exsicador durante 4 horas;


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e) Filtrou-se a mistura, de modo a separar a fase sólida (alga) da fase líquida (etanol + óleos);

f) Foram tarados dois balões (levados a estufa a 80ºC durante 4 horas e depois ao exsicador durante 4 horas);

g) Verteu-se, para cada balão do rotavapor, a fase líquida e levou-se ao rotavapor (temperatura 45ºC e pressão de sucção) para evaporação do solvente (utilizou-se até 5 mL de etanol para lavagem do kitasato).

h) Cada balão e cada filtro foram secos em estufa a 80ºC durante 4 horas e arrefecidos ao excicador durante 4 horas e depois registou-se o peso do balão e do filtro (peso do filtro serviu para averiguar as perdas de microalga durante o processo);

i) Calculou-se os óleos extraídos por gravimetria utilizando a seguinte fórmula:



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3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

3.1 Produção

3.1.1 Curvas de Crescimento – Neochloris oleoabundans Após o registo dos dados recolhidos diariamente foi possível elaborar uma curva de crescimento (Densidade Óptica – expressa no quociente DO medida/ DO0 inicial da cultura vs Tempo) (Figura 6) e relacionar a Densidade Óptica com a concentração da microalga Neochloris oleoabundans, expressa em peso seco (Figura 7):

Figura 6 - Curva de Crescimento DO/DO0 vs Tempo para a microalga Neochloris oleoabundans

Figura 7 – Relação entre DO e o Peso Seco para a microalga Neochloris oleoabundans


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3.1.2 Curvas de Crescimento - Nannochloropsis sp. Após o registo dos dados recolhidos diariamente foi possível elaborar uma curva de crescimento (Densidade Óptica – expressa no quociente DO medida/ DO0 inicial da cultura vs Tempo) (Figura 8) e relacionar a Densidade Óptica com a concentração para a alga Nannochloropsis sp., expressa em peso seco (Figura 9):

Figura 8 - Curva de Crescimento DO/DO0 vs Tempo da microalga Nannochloropsis sp.

Figura 9 – Relação entre DO e o peso seco para a microalga Nannochloropsis sp.


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3.2 Colheita de Biomassa microalgal do meio de cultura

3.2.1 Coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans Nas figuras 10 a 15 apresentam-se os resultados experimentais do método de colheita por coagulação-floculação realizado com 5 agentes floculantes diferentes (FeCl3, AlCl3, FeSO4, AlSO4 e Ca(OH)2) e com uma lama efluente de um processo de anodização rica em alumínio, para a microalga Neochloris oleoabundans.

Figura 10- % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans

Figura 11- % de remoção da biomassa em função da dosagem de AlCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans


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Figura 12 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeSO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans

Figura 13 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de Al2SO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans


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Figura 14 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de Ca(OH)2 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans

Figura 15- % de remoção da biomassa em função da dosagem das Lamas do processo de anodização no ensaio de coagulação-floculação da microalga Neochloris oleoabundans


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3.2.2 Coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp. Nas figuras 16 a 21 apresentam-se os resultados experimentais do método de colheita por coagulação-floculação realizado com 5 agentes floculantes diferentes (FeCl3, AlCl3, FeSO4, AlSO4 e Ca(OH)2) e com uma lama efluente de um processo de anodização rica em alumínio, para a alga para a microalga Nannochloropsis sp.

Figura 16 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.

Figura 17 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de AlCl3 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.


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Figura 18- % de remoção da biomassa em função da dosagem de FeSO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.

Figura 19- % de remoção da biomassa em função da dosagem de Al2SO4 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.


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Figura 20 - % de remoção da biomassa em função da dosagem de Ca(OH)2 no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.

Figura 21 - % de remoção da biomassa em função da dosagem das Lamas do processo de anodização no ensaio de coagulação-floculação da microalga Nannochloropsis sp.


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3.2.3 Alteração pH do meio de cultura da microalga Neochloris oleoabundans O Quadro 12 apresenta os resultados experimentais obtidos na alteração de pH do meio de cultura da microalga Neochloris oleoabundans, com recurso a um ácido forte (HCl – 1 N) e uma base forte (NaOH – 1 N).

Quadro 12 – % de remoção da biomassa nos ensaios de alteração do pH do meio de cultura da microalga Neochloris oleoabundans

Ácido-Base DO inicial

pH inicial

Temp. (ºC)

Volume adicionado

(mL)

DO Final

pH Final

% de Remoção

HCl (1 N) 0,634 8,1 19,7 20 0,598 1,85 5,68 NaOH (1 N) 0,634 8,1 19,7 9 0,63 12,36 0,63

3.2.4 Alteração pH do meio de cultura da microalga Nannochloropsis sp. O Quadro 13 apresenta os resultados experimentais obtidos na alteração de pH do meio de cultura da microalga Nannochloropsis sp., com recurso a um ácido forte (H2SO4 – 1 N) e uma base forte (NaOH – 1 N).

Quadro 13 - % de remoção da biomassa nos ensaios de alteração do pH do meio de cultura da microalga Nannochloropsis sp.

Ácido-Base DO inicial

pH inicial

Temp. ºC

Volume adicionado

(mL)

DO Final

pH Final

% de Remoção

H2SO4 (1 N) 1,98 9,23 24,8 9 1,89 1,73 4,55 NaOH (1 N) 1,484 9,25 24,8 56 0,057 12,16 96,16

3.2.5 Separação Magnética da microalga Neochloris oleoabundans O Quadro 14 apresenta os resultados experimentais do método de colheita por separação magnética da microalga Neochloris oleoabundans, relativamente a 4 combinações diferentes de agente floculante (Al2SO4) e agente magnético (Ferrite) (200-500 mg.L-1; 500-1000 mg.L-1; 200-1000 mg.L-1 e 500-500 mg.L-1 respectivamente).

Seguidamente foi realizado um ensaio onde o processo se realizou numa montagem com menor comprimento de tubo (60 cm) e menor volume de magnetos (3 cm2) com o intuito de verificar de que modo a montagem afecta os resultados (Quadro 14ª)).


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Quadro 14 – % de remoção da biomassa nos ensaios de separação magnética da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans

DO inicial Al2SO4 (mg.L-1)

Ferrite (mg.L-1)

DO final % de Remoção

0,730 200 500 0,398 45,48 0,708 500 1000 0,400 43,50 0,782 200 1000 0,393 49,74 0,730 500 500 0,489 33,01 1,112 200 500 0,804 27,69ª)

a)Ensaio adicional com alterações na montagem

3.2.6 Separação Magnética da microalga Nannochloropsis sp. O Quadro 15 apresenta os resultados experimentais do método de colheita por separação magnética da microalga Nannochloropsis sp., relativamente a 4 combinações diferentes de agente floculante (Al2SO4) e agente magnético (Ferrite) (200-500 mg.l-1; 500-1000 mg.l-1; 200-1000 mg.l-1 e 500-500 mg.l-1 respectivamente).

Seguidamente foi realizado um ensaio onde o processo se realizou numa montagem com menor comprimento de tubo (60 cm) e menor volume de magnetos (3 cm2) com o intuito de verificar de que modo a montagem afecta os resultados (Quadro 15ª)).

Quadro 15 - % de remoção da biomassa nos ensaios de separação magnética da biomassa da microalga Nannochloropsis sp.

DO inicial Al2SO4 (mg.L-1)

Ferrite (mg.L-1)

DO final % de Remoção

0,896 200 500 0,752 16,07 0,896 500 1000 0,783 12,61 0,896 200 1000 0,555 38,06 0,896 500 500 0,762 14,96 0,896 200 500 0,796 11,16a)

a)Ensaio adicional com alterações na montagem.


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3.2.7 Centrifugação da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans O Quadro 16 apresenta os resultados experimentais obtidos na centrifugação da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans.

Quadro 16 - % de remoção da biomassa nos ensaios de centrifugação da microalga Neochloris oleoabundans

DO inicial DO final % de Remoção 0,661 0,028 95,76 0,801 0,033 95,88

3.2.8 Centrifugação da biomassa da microalga Nannochloropsis sp. O quadro 17 apresenta os resultados experimentais obtidos na centrifugação da biomassa da microalga Nannochloropsis sp.

Quadro 17 – % de remoção da biomassa nos ensaios de centrifugação da microalga Nannochloropsis sp.

DO inicial DO final % de Remoção 1,264 0,035 97,231,264 0,030 97,63

3.2.9 Ultrafiltração da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans O Quadro 18 apresenta os resultados experimentais obtidos na ultrafiltração da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans:

Quadro 18 – % de remoção da biomassa nos ensaios de ultrafiltração da microalga Neochloris oleoabundans

DO inicial

DO clarificado

Volume Clarificado

mL

Caudal Circuito

L.h-1

% de Remoção

1,586 0,001 642 510 100,00


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3.2.10 Ultrafiltração da biomassa da microalga Nannochloropsis sp. O Quadro 19 apresenta os resultados experimentais obtidos na ultrafiltração da biomassa da microalga Nannochloropsis sp.

Quadro 19 – % de remoção da biomassa nos ensaios de ultrafiltração da microalga Nannochloropsis sp.

DO inicial

DO clarificado

Volume Clarificado

mL

Caudal Circuito

L.h-1

% de Remoção

1,512 0,000 57 510 100,00


53

3.3 Extracção de óleos da biomassa microalgal

3.3.1 Método de Bligh & Dyer aplicado à microalga Neochloris oleoabundans O Quadro 20 apresenta os resultados obtidos no método de extracção Bligh and Dyer, para a microalga Neochloris oleoabundans. Apesar do ensaio de extracção ter sido realizado em quadruplicado (ensaios 1A a 1D), foi efectuado um conjunto de ensaios adicionais (2A a 2D), pelo facto dos resultados do primeiro conjunto de ensaios ter apresentado uma acentuada variabilidade.

Quadro 20 – % de óleos obtidos pelo método de Bligh and Dyer para a microalga Neochloris oleoabundans

Amostra Massa óleos (g) por

100 mg de microalga seca

% Óleos

1.A 0,0287 28,63a)

1.B 0,0147 14,72a)

1.C 0,0073 7,36 1.D 0,0075 7,59 2.A 0,0063 6,31 2.B 0,0084 8,47 2.C 0,0066 6,61 2.D 0,0065 6,51

Média - 7,14 a) Resultados desprezados

3.3.2 Método de Bligh & Dyer aplicado à microalga Nannochloropsis sp. O Quadro 21 apresenta os resultados obtidos no método de extracção Bligh and Dyer, para a microalga Nannochloropsis sp.

Quadro 21 - % de óleos obtidos pelo método de Bligh and Dyer para a microalga Nannochloropsis sp.



% Óleos

A 0,0166 16,34 B 0,0196 19,14 C 0,0201 19,57 D 0,0163 16,06

Média - 17,78


54

3.3.3 Método Soxhlet aplicado à microalga Neochloris oleoabundans O Quadro 22 apresenta os resultados obtidos no método de extracção Soxhlet, para a microalga Neochloris oleoabundans.

Quadro 22 – % de óleos obtidos pelo método Soxhlet para a microalga Neochloris oleoabundans

Amostra Pré -tratamento Massa óleos (g)

por 2 g de microalga seca

% Óleos

A Nenhum 0,0140 0,70 B Nenhum 0,0244 1,22

Média - - 0,96 C Areia 0,0260 1,30 D Areia 0,0333 1,66

Média - - 1,48 E Ultrassons 0,0175 0,88 F Ultrassons 0,0234 1,17

Média - - 1,03

3.3.4 Método Soxhlet aplicado à microalga Nannochloropsis sp. O quadro 23 apresenta os resultados obtidos no método de extracção Soxhlet, para a microalga Nannochloropsis sp.

Quadro 23 - % de óleos obtidos pelo método Soxhlet para a microalga Nannochloropsis sp.

Amostra Pré -tratamento Massa óleos (g)

por 2 g de microalga seca

% Óleos

A Nenhum 0,1296 6,48 B Nenhum 0,1197 5,98

Média - - 6,23 C Areia 0,2528 12,64 D Areia 0,2359 11,79

Média - - 12,22 E Ultrassons 0,1282 6,41 F Ultrassons 0,1429 7,14

Média - - 6,78


55

3.3.5 Método de Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) aplicado à microalga Neochloris oleoabundans

O Quadro 24 apresenta os resultados experimentais obtidos no método de extracção de óleos da microalga Neochloris oleoabundans, por recurso a moagem da biomassa com microesferas de vidro e posterior extracção com etanol.

Quadro 24- % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Esferas de vidro) e Química (etanol) para a microalga Neochloris oleoabundans



% Óleos

A 0,0139 2,80 B 0,0116 2,28

Média - 2,54

3.3.6 Método de Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) aplicado à microalga Nannochloropsis sp.

O quadro 25 apresenta os resultados experimentais obtidos no método de extracção de óleos da microalga Nannochloropsis sp., por recurso a moagem da biomassa com microesferas de vidro e posterior extracção com etanol.

Quadro 25 - % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Esferas de vidro) e Química (etanol) para a microalga Nannochloropsis sp.

Amostra Massa óleos (g) por 500 mg de microalga seca

% Óleos

A 0,0773 15,49 B 0,0925 18,41

Média - 16,95


56

3.3.7 Método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) aplicado à microalga Neochloris oleoabundans

O quadro 26 apresenta os resultados experimentais obtidos no método de extracção de óleos da microalga Neochloris oleoabundans, por recurso a ultrassons destrutivos e posterior extracção com etanol.

Quadro 26 – % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) para a microalga Neochloris oleoabundans


% Óleos

A 0,0117 2,32 B 0,0139 2,72

Média - 2,52

3.3.8 Método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) aplicado à microalga Nannochloropsis sp.

O quadro 27 apresenta os resultados experimentais obtidos no método de extracção de óleos da microalga Nannochloropsis sp., por recurso a ultrassons destrutivos e posterior extracção com etanol.

Quadro 27 – % de óleos obtidos pelo método de Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) para a microalga Nannochloropsis sp.


% Óleos

A 0,0386 7,7 B 0,0615 12,25

Média - 9,97


57

4 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

4.1 Produção da biomassa microalgal

Apesar da presente dissertação se focar na colheita da biomassa algal e na extracção de óleos a partir dessa biomassa, é importante discutir alguns resultados obtidos na sua fase de produção.

As microalgas Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp., apresentaram curvas de crescimento (DO vs tempo) semelhantes, na medida em que para as duas semanas de crescimento o quociente DO final/DO inicial foi de aproximadamente 55 para ambas as microalgas.

Por outro lado, a relação entre DO vs Peso Seco difere grandemente entre as duas microalgas supracitadas. A recta de calibração DO vs Peso Seco da microalga Neochloris oleoabundans apresentou um declive de 4,45 sendo que o declive da recta de calibração DO vs Peso Seco da microalga Nannochloropsis sp. foi de 1,85.

Esta diferença significa que, para a mesmo valor de DO, o Peso Seco da alga Nannochloropsis sp. foi mais do dobro do Peso Seco da alga Neochloris oleoabundans.

Foi efectuado também o cálculo das taxas de crescimento das duas culturas, Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp., com base no parâmetro peso seco, sendo de 0,3733 d-1 e 0,3535 d-1, respectivamente.

4.2 Colheita de Biomassa

4.2.1 Método de coagulação-floculação Considerando os resultados da microalga Neochloris oleoabundans, 3 dos 6 floculantes utilizados (Al2SO4, AlCl3 e FeCl3) apresentaram percentagens de remoção de biomassa (DO final fracção clarificada/ DO inicial) elevadas, na ordem dos 90%, para concentrações superiores a 200 mg.L-1 De entre esses agentes floculantes, o Al2SO4 foi o mais eficiente, pois para a concentração de 200 mg.L-1, foi o que apresentou a maior percentagem de remoção de biomassa (90,2%), seguido do AlCl3 e por fim do FeCl3.

O curva referente ao floculante Ca(OH)2 apresentou uma primeira fase de declive pouco acentuado para as concentrações até 200 mg.L-1 e uma segunda fase de declive mais acentuado a partir da concentração de 200 mg.L-1. Apenas para a concentração de 500 mg.L-1 apresentou uma percentagem de remoção de biomassa aceitável (superior a 93%), não sendo assim o mais adequado para a microalga Neochloris oleoabundans.

Os demais floculantes – FeSO4 e as Lamas efluentes do processo de anodização -apresentaram percentagens de remoção de biomassa reduzidas em comparação com as percentagens de remoção obtidas para os agentes floculantes referidos anteriormente. A


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única excepção foi para a concentração de 1000 mg.L-1 das lamas efluentes do processo de anodização, para a qual se obteve uma percentagem de remoção da biomassa na ordem dos 85%. Será importante referir que, apresentando estas lamas um custo nulo, a quantidade adicionada não será vista como problemática do ponto de vista económico do processo. De qualquer modo, será necessário averiguar-se a disponibilidade destas lamas.

Considerando os resultados obtidos para a microalga Nannochloropsis sp. destacam-se 3 agentes floculantes com percentagens de remoção de biomassa elevadas para as concentrações de 200 mg.L-1 e 500 mg.L-1: Al2SO4, AlCl3 e FeCl3. Para concentrações reduzidas dos agentes floculantes (até 100 mg.l-1) o agente mais eficácia foi o AlCl3 (96,51%) seguido do Al2SO4 (93,81%) e, por ultimo, o FeCl3 (54,54%).

A curva referente ao floculante Ca(OH)2 apresentou uma primeira fase de declive pouco acentuado para as concentrações até 200 mg.L-1 e uma segunda fase de declive mais acentuado a partir da concentração de 200 mg.L-1. Somente para a concentração de 500 mg.L-1 apresentou uma percentagem de remoção aceitável (84,18%) tendo sido considerado como não sendo o mais adequado para a Nannochloropsis sp.

O floculante FeSO4 apresentou inicialmente, até à concentração de 200 mg.L-1, um perfil semelhante aos 3 floculantes referidos anteriormente (Al2SO4, AlCl3 e FeCl3). Mas a partir da concentração de 200 mg.L-1, apresentou percentagens de remoção de biomassa decrescentes. Durante o ensaio com FeSO4 foi possível observar uma alteração da cor do meio de cultura de verde para castanho. Esta mudança de cor sugere que existiram outras características da microalga afectadas pelo FeSO4 e que determinaram uma redução da percentagem de remoção de biomassa.

As Lamas do processo de anodização apresentaram para a microalga Nannochloropsis sp., uma relação linear, até à concentração de lamas de 1000 mg.L-1, entre a concentração de lama adicionada e a percentagem de remoção de biomassa. Para a concentração de lamas igual a 1000 mg.L-1 a percentagem de remoção é de aproximadamente 65% sendo este valor reduzido comparativamente aos alcançados pelos agentes floculantes referidos anteriormente.

Comparando os resultados obtidos para as duas microalgas, podemos verificar que existem comportamentos semelhantes para os mesmos agentes floculantes. Os floculantes Al2SO4 e AlCl3 apresentaram as eficiências de remoção mais elevadas, para ambas as microalgas estudadas. Aparentemente, os floculantes com o ião Al3+ apresentam maior eficácia na remoção da biomassa.

O agente floculante com a 3ª melhor eficiência foi o FeCl3. O Ca(OH)2 apresentou percentagens de remoção de biomassa relativamente estacionárias para concentrações até aos 200 mg.L-1. A partir desta concentração verificou-se um aumento da remoção da biomassa algal com o aumento da concentração de agente floculante. Para valores na ordem dos 500 mg.L-1 atingiram-se percentagens de remoção elevadas (na ordem dos 90%).


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O FeSO4 foi um dos floculantes menos eficiente, pois apresentou as percentagens de remoção mais reduzidas em comparação com os floculantes com o ião Al3+.

As lamas do processo de anodização apresentaram uma eficácia mais reduzida que poderá ser compensada tendo em conta a sua sustentabilidade económica. Apresentaram percentagens de remoção a ter em consideração (85% para Neochloris oleoabundans e 65% para Nannochloropsis sp.) se integrar o processo de coagulação-floculação num conjunto de processos em série para maximizar a colheita da biomassa algal.

4.2.2 Método da Variação do pH do meio de cultura Relativamente ao método de alteração do pH do meio de cultura com o objectivo de se promover a auto-floculação, a microalga Neochloris oleoabundans não apresentou a formação de flocos, mesmo quando o pH atingiu valores próximos dos extremos da escala de pH.

Foi verificado que, para valores de pH finais de 1,85 e 12,36, as percentagens de remoção não ultrapassaram os 6%, tendo-se concluído que, para as condições experimentais estudadas, a variação do pH não é uma metodologia eficaz para a colheita da biomassa da microalga Neochloris oleoabundans.

No caso da microalga Nannochloropsis sp., a redução de pH para um valor de 1,73 não produziu auto-floculação. No entanto, a adição de base, elevando o pH inicial para um valor de 12,16, promoveu a auto-floculação da microalga, tendo-se atingido uma percentagem de remoção da DO na ordem dos 95%. Ainda assim os flocos formados foram de dimensões inferiores aos promovidos pelos floculantes anteriormente referidos. Esta diferença resultou em velocidades de sedimentação muito inferiores.

4.2.3 Método de Separação Magnética A separação magnética apresentou resultados promissores para a alga Neochloris oleoabundans, uma vez que atingiu percentagens de remoção de biomassa interessantes, numa perspectiva de processos de colheita em contínuo. A instalação utilizada foi rudimentar, deixando espaço a um aumento da eficiência do processo com a introdução de tecnologia criada para o efeito. Contudo, pôde-se constatar que para as concentrações do agente floculante e de agente magnético de 200 mg.L-1 e 500 mg.L-1 respectivamente, uma alteração nas características da montagem (redução do volume de magnetos e a redução do comprimento do tubo por onde passava a cultura) pode ter aumento de eficiência na ordem dos 15%.

A concentração mais adequada de Al2SO4 será na ordem dos 200 mg.L-1. Para concentrações de 500 mg.L-1, o Al2SO4 aparentou produzir um efeito inibidor, dada a redução na percentagem de remoção.


60

A concentração de ferrite adicionada mais adequada, tendo em consideração os resultados experimentais, foi de 1000 mg.L-1.

Para a microalga Nannochloropsis sp., a eficácia de separação foi inferior. Ainda assim, apesar das diferenças serem menores, a alteração da montagem provocou uma redução na percentagem de remoção de biomassa. De um modo geral, as conclusões retiradas para a microalga Neochloris oleoabundans, no que diz respeito às concentrações ideais de Al2SO4 e de ferrite, podem ser reproduzidas para a microalga Nannochloropsis sp.

Comparando os resultados experimentais obtidos para as duas microalgas (Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp.) existe uma diferença assinalável ao nível das percentagens de remoção. Essa diferença aparentemente não está relacionada com a eficácia do agente floculante (Al2SO4) para cada microalga, uma vez que, no processo de coagulação-floculação com o Al2SO4, se obtiveram resultados semelhantes para as duas microalgas. Assim, essa diferença poderá estar relacionada com a facilidade de incorporação da ferrite nos flocos formados. A menor facilidade de incorporação da ferrite nos flocos formados no caso da microalga Nannochloropsis sp. poderá estar relacionada com o menor tamanho da célula (2-4 µm) em comparação ao tamanho da célula da Neochloris oleoabundans (6-25 µm). Outro factor a ter em consideração será a diferença dos meios de cultura (meio doce vs meio salino) cuja salinidade poderá ter um carácter prejudicial à ligação das partículas de ferrite com os flocos.

4.2.4 Método de Centrifugação A centrifugação é um processo bastante eficaz. Para as duas microalgas em estudo apresentou percentagens de remoção de biomassa acima dos 95%, mais especificamente 95,82% para a Neochloris oleoabundans e 97,43% para a Nannochloropsis sp.

No entanto, estes ensaios não avançam dados sobre a sua viabilidade económica, que é apontada como a principal desvantagem, uma vez que as condições laboratoriais não foram semelhantes aos processos de centrifugação industrial em contínuo. A centrífuga utilizada nos ensaios opera em descontínuo, pelo que quaisquer conclusões sobre a sua viabilidade económica terão de ser baseada nos estudos referidos na introdução teórica desta dissertação.

4.2.5 Ultrafiltração A ultrafiltração apresentou percentagens de remoção de biomassa, para ambas as microalgas (Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp.) na ordem dos 100%.

No entanto o processo de ultrafiltração não se apresentou viável considerando que a fracção clarificada (fracção de cultura permeada) consistia em valores muito reduzidos.


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Para a microalga Neochloris oleoabundans, o volume clarificado foi de 642 mL. Considerando que os três litros de cultura alimentados à tina do aparelho circularam no circuito interno do aparelho a um caudal de 510 L.h-1 e que a área da membrana de ultrafiltração é de 80 cm2, o caudal permeado foi de 0,642 L.h-1 o que corresponde a 0,1% do caudal do circuito. O caudal de atravessamento foi de 8,025 mL.h-1.cm-2 o que torna o processo inadequado para a Neochloris oleoabundans.

Para a microalga Nannochloropsis sp., o volume clarificado foi de 57 mL. Considerando que os três litros de cultura alimentados à tina do mesmo (com as mesmas características), o caudal permeado foi de 0,057 L.h-1 o que corresponde a 0,01% do caudal do circuito. O caudal de atravessamento foi de 0,7125 mL.h-1.cm-2 o que torna também o processo inadequado para a Nannochloropsis sp.

Comparando a ultrafiltração dos dois meios de cultura, verificou-se que o caudal permeado na microalga Nannochloropsis sp. foi sensivelmente 10 vezes inferior ao caudal permeado na microalga Neochloris oleoabundans. Esta diferença poder-se-á dever a maior salinidade do meio de cultura da Nannochloropsis sp.

Tratando-se de uma filtração tangencial, cuja membrana apresenta um poro bastante inferior ao tamanho das microalgas Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp. é pouco provável que tenha ocorrido colmatação. Facto comprovado durante a realização do ensaio, pois não se verificaram quaisquer alterações no caudal permeado que posteriormente foi recolhido em recipiente para medição de DO.

Assim a ultrafiltração, apesar de evitar problemas de colmatação devido às características da membrana, não é um processo de todo viável, sendo possivelmente mais adequado o processo de microfiltração.


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4.3 Extracção de Óleos

4.3.1 Método de Bligh & Dyer O processo de extracção de óleos designado por Bligh & Dyer é o método de extracção de lípidos totais de referência, significando que o seu rendimento de extracção é muito próximo dos 100%.

Para a microalga Neochloris oleoabundans, a percentagem (peso seco óleos/ peso seco biomassa) de óleos extraídos foi em média (considerando os 6 ensaios) de 7,14±0,82 % da biomassa total submetida a extracção.

Como foi referido na dissertação, a microalga Neochloris oleoabundans consegue atingir percentagens de óleos de 35 a 54% (Chisti, 2007), pelo que importa compreender a razão para a diferença entre o valor obtido e os valores referidos na literatura. É sabido que existem condições ideais para a acumulação de óleos na estrutura da microalga, tais como a deficiência em azoto do meio, a concentração elevada de Fe3+ e o aumento da intensidade luminosa. Para além disso, a microalga acumula mais lípidos na fase estacionária de crescimento e para idades de cultura mais elevadas (por vezes confunde-se entre idade da cultura e esgotamento dos nutrientes, uma vez que estão normalmente associadas). A biomassa da microalga Neochloris oleoabundans utilizada nos métodos de extracção não foi cultivada no âmbito desta dissertação. As condições de crescimento não são totalmente conhecidas, podendo não ter sido as ideais para a maximização da produção em lípidos.

Para a microalga Nannochloropsis sp., a biomassa utilizada nos métodos de extracção foi cultivada pelo autor sem ser submetida às condições ideais para a acumulação de lípidos. A percentagem (peso seco óleos/ peso seco biomassa) de óleos extraídos foi em média (considerando os 4 ensaios) de 17,78±1,59 %. Valor afastado dos 31% a 68% (Chisti, 2007) referidos nesta dissertação.

4.3.2 Método de Soxhlet O método de Soxhlet é um método de extracção da fracção polar dos lípidos, pelo que é expectável que o seu rendimento seja sempre inferior ao método de Bligh & Dyer. Como foi referido anteriormente, os ensaios de extracção foram realizados em duplicado e foram testados 2 pré-tratamentos: areia e ultrassons.

Para a alga Neochloris oleoabundans, a percentagem de óleos extraídos foi de 0,96% sem pré-tratamento, 1,48% com areia e 1,03% com ultrassons.

Considerando que os lípidos totais da microalga Neochloris oleoabundans foram de 7,14% (método de Bligh & Dyer), o rendimento de extracção do método de Soxhlet foi de 13,47% sem pré-tratamento, 20,80% com areia e 14,37% com ultrassons.


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Considerando os diferentes pré-tratamentos testados, a areia foi o que apresentou o melhor resultado, aumentando em mais de 7% o rendimento de extracção. Os ultrassons aumentaram apenas o rendimento da extracção em cerca de 1%.

Para a microalga Nannochloropsis sp., a percentagem de óleos extraídos foi de 6,23% sem pré-tratamento, 12,22% com areia e 6,78% com ultrassons.

Considerando que os lípidos totais da microalga Nannochloropsis sp. foram de 17,78% (método de Bligh & Dyer), o rendimento de extracção do método de Soxhlet foi de 35,06% sem pré-tratamento, 68,73% com areia e 38,14% com ultrassons.

Considerando os diferentes pré-tratamentos testados, a areia foi o que apresentou o melhor resultado, aumentando em mais de 33,67% o rendimento de extracção. Mais uma vez, os ultrassons aumentaram em apenas cerca de 3,08% o rendimento da extracção.

A fraca extracção do método de Soxhlet poderá ser devido ao solvente utilizado, n-hexano, que é um solvente com menor polaridade em comparação com o etanol ou o metanol.

As diferenças observadas nos rendimentos dos vários processos de extracção entre as duas microalgas (Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp.) podem resultar de diferenças significativas na forma e tamanho celular, na estrutura da parede celular e nos lípidos das microalgas (Shen et al., 2009).

4.3.3 Extracção Mecânica (Esferas de Vidro) e Química (etanol) Este método de extracção de óleos é, em parceria com o próximo, mais simples que os anteriores, utilizando um processo mecânico – (Moagem com microesferas de vidro) seguido de uma extracção com um solvente polar (etanol).

Para a microalga Neochloris oleoabundans, a percentagem de óleos extraídos foi de 2,54%, resultando num rendimento de 36% relativamente ao teor total de óleos (7,14% - método de Bligh & Dyer).

Para a microalga Nannochloropsis sp., a percentagem de óleos extraídos foi de 16,95% resultando num rendimento de 95,34 %, relativamente ao teor total de óleos (17,78% - método de Bligh & Dyer).

O maior rendimento verificado neste método de extracção para as duas microalgas, comparativamente ao método de Soxhlet, deve-se aparentemente ao solvente utilizado (etanol), que apresenta maior polaridade, e ao pré-tratamento mais eficaz com recurso a equipamentos mecânicos (homogeneizador), enquanto no método de Soxhlet a moagem com areia foi realizada manualmente.


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4.3.4 Extracção Mecânica (Ultrassons) e Química (etanol) Neste método de extracção de óleos utilizou-se um processo mecânico – (ultrassons) seguido de uma extracção com um solvente polar (etanol).

Para a microalga Neochloris oleoabundans, a percentagem de óleos extraídos foi de 2,52%, resultando num rendimento de 35% relativamente ao teor total de óleos (7,14% - método de Bligh & Dyer).

Para a microalga Nannochloropsis sp., a percentagem de óleos extraídos foi de 9,97% resultando num rendimento de 56,08% relativamente ao teor total de óleos (17,78% - método de Bligh & Dyer).

O maior rendimento verificado comparativamente ao método de Soxhlet deve-se aparentemente ao solvente utilizado (etanol), que apresenta maior polaridade do que o n-hexano que foi utilizado no método de Soxhlet, já que em ambos os métodos se utilizou o pré-tratamento com ultrassons, durante 5 minutos, com uma frequência de 150 s-1.


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5 CONCLUSÕES

Esta dissertação teve como objectivo a selecção e optimização de métodos de colheita de biomassa das microalgas Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp. e de extracção de óleos.

No que diz respeito à colheita da biomassa, para a coagulação-floculação concluiu-se que os floculantes Al2SO4 e AlCl3 apresentaram as eficiências de remoção mais elevadas, indicando que, os floculantes com o ião Al3+ serão os mais adequados na remoção da biomassa algal estudada. As quantidades óptimas para a maximização da remoção situam-se entre os 200 e os 500 mg.L-1, sendo importante neste intervalo averiguar a relação custo-benefício, isto é, preço do coagulante-biomassa algal colhida.

Considerando a alteração de pH como método para a promoção da auto-floculação, este método não se materializou como uma alternativa válida, uma vez que apenas atingiu percentagens de remoção da biomassa significativas (acima dos 90%) para a microalga Nannochloropsis sp. com a adição de base. Para além disso, os flocos formados eram mais instáveis do que os obtidos com outros floculantes, o que se traduziu na baixa velocidade de sedimentação. Neste ensaio verificou-se também que, do ponto de vista económico, este processo não aparenta ser viável, uma vez que para uma amostra de 500 mL se utilizou 56 mL de NaOH 1N para obter uma percentagem de remoção considerável.

Relativamente à separação magnética, este processo não se revelou tão eficaz como a coagulação-floculação. Apresentou percentagens de remoção da biomassa mais satisfatórias para a microalga Neochloris oleoabundans, na ordem dos 40-50%. No entanto, em comparação com o método de coagulação-floculação, este método possui a vantagem de evitar a utilização de grandes parcelas de terreno para a sedimentação da biomassa. Será eventualmente um método a ter em conta para uma prévia concentração da biomassa precedendo outro(s) processo(s) (p.e. por centrifugação).

Os processos mecânicos de colheita estudados, centrifugação e ultrafiltração, apresentaram altas percentagens de remoção (próximo dos 100%), mas não poderão ser utilizados isoladamente, considerando que são inviáveis economicamente. Nesta dissertação, por se ter trabalhado com uma centrífuga descontínua, não se poderão tirar conclusões quanto à viabilidade económica. Ainda assim, vários estudos (Mohn, 1992; Grima et al., 2003; Schenk, 2008) consideram a centrifugação como demasiado onerosa, quando se considera a produção de biodiesel como o destino final dos óleos extraídos. A ultrafiltração apresentou percentagens de remoção elevadas, mas o caudal permeado foi reduzido (caudal de atravessamento de 8,025 mL.h-1.cm-2 para a microalga Neochloris oleoabundans e de 0,7125 mL.h-1.cm-2 para a microalga Nannochloropsis sp.) considerando a adaptação deste método para larga escala.

O método de extracção de lípidos totais Bligh & Dyer foi o método com maior percentagem de extracção de óleos (7,14% para a microalga Neochloris oleoabundans e


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17,78% para a microalga Nannochloropsis sp.). Por extrair praticamente a totalidade dos lípidos assume-se que o seu rendimento é de 100% e os óleos extraídos representam o teor de óleos da microalga.

O método de Soxhlet apresentou rendimentos entre 13,47 % (sem pré-tratamento) e 20,80 % (moagem com areia) relativamente ao método de Bligh & Dyer para a microalga Neochloris oleoabundans e entre 35,06 % (sem pré-tratamento) e 68,73 % (moagem com areia) relativamente ao método de Bligh & Dyer para a microalga Nannochloropsis sp.

Os dois métodos de extracção – extracção com etanol com homogeneização com esferas de vidro e extracção com etanol com aplicação de ultrassons destrutivos, apresentaram para a microalga Neochloris oleoabundans rendimentos semelhantes na ordem dos 35% relativamente ao método de Bligh & Dyer.

Para a microalga Nannochloropsis sp. os rendimentos relativamente ao método de Bligh & Dyer foram de 95,43 % para o método de extracção com etanol com homogeneização com esferas de vidro e de 56,08% para o método de extracção com etanol com aplicação de ultrassons destrutivos.


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6 TRABALHO FUTURO

O trabalho desenvolvido nesta dissertação deparou-se com limitações ao nível do tempo e das tecnologias disponíveis. Vários métodos de colheita (p.e. flotação e microfiltração) e extracção (p.e. extracção enzimática, extracção supercrítica) ficaram por estudar, devido à falta de tempo. A continuação deste trabalho poderá passar pela execução de ensaios para os métodos de colheita e extracção referidos anteriormente para as microalgas estudadas - Neochloris oleoabundans e Nannochloropsis sp, bem como avaliar a sua eficácia em novas microalgas como por exemplo a Scenedesmus obliquus, Dunaliella tertiolecta, Chlorella vulgaris e Chlorella protothecoides.

Ao longo desta dissertação, muitas questões ficaram também por responder, nomeadamente no que diz respeito à influência de alguns processos estudados (de colheita da biomassa como de extracção de óleos) na qualidade e composição dos óleos produzidos pelas microalgas.

Por fim, a avaliação económica dos processos de colheita e extracção serão ferramentas indispensáveis para a implementação de um projecto sustentável de produção de biomassa microalgal para fins bioenergéticos.


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8 ANEXOS

Anexo 1. Soluções de elementos vestigiais

Meio Brystol - Solução de elementos vestigiais

Elementos vestigiais ConcentraçãoNa2EDTA·2H2O 0,75 g.L-1

FeCl3·6H2O 0,097 g.L-1 MnCl2·4H2O 0,041 g.L-1

ZnCl2 0,005 g.L-1 CoCl2·6H2O 0,002 g.L-1

NaMoO4·2H2O 0,004 g.L-1

Meio GPM - Solução de elementos vestigiais

Elementos vestigiais ConcentraçãoNa2EDTA.2H2O 6 g.L-1

FeCl3·6H2O 0,29 g.L-1 H3B03 6,84 g.L-1

MnCl2·4H2O 0,86 g.L-1 ZnCl2 0,06 g.L-1

CoCl2·6H2O 0,026 g.L-1

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