Produção de biomassa e de lipídeos por cultivo misto de microalgas suplementado com CO2

Abstract

Resumo: A biomassa de microalgas se tornou uma promessa de matéria-prima para a produção de biocombustíveis, pois algumas espécies podem acumular em sua biomassa grandes quantidades de lipídeos, precursores da produção de biodiesel. O presente estudo está inserido no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável (NPDEAS) da Universidade Federal do Paraná, o qual busca desenvolver a cadeia de tecnologias que possibilita a produção de biomassa e biodiesel de microalgas. O presente estudo uniu, pela primeira vez em escala laboratorial no NPDEAS, duas estratégias já utilizadas na literatura para aumentar a produção de biomassa e lipídeos de microalgas. A primeira é a utilização de aeração enriquecida com CO2 puro comercial no período iluminado, a fim de aumentar a velocidade de transferência de CO2 para o meio líquido e, por consequência, favorecer a realização da fotossíntese. A segunda é a utilização de cultivos mistos de microalgas, ou seja, cultivos originados de um primeiro inóculo composto de uma amostra coletada em ambiente aquático natural contendo uma mistura de espécies de microalgas. A comunidade de microalgas em um cultivo misto tende a apresentar oscilações no perfil de espécies, o que pode alterar a quantidade e a qualidade da biomassa, porém nenhum dos estudos sobre cultivos mistos descritos anteriormente na literatura aborda a reprodutibilidade dos experimentos. O presente trabalho teve o objetivo não somente de avaliar o efeito das duas estratégias na produção de biomassa e lipídeos, mas também de avaliar a repetibilidade e a reprodutibilidade de cultivos mistos. Este estudo demonstrou que a aeração enriquecida com 2% (v/v) de CO2 aumentou significativamente (alfa=0,01) a velocidade de crescimento na fase linear de 12 mg.L-1.dia-1, com aeração exclusiva por ar atmosférico, para 28 mg.L-1.dia-1. Porém, a inserção de aeração com 5% (v/v) de CO2 demonstrou a falta de reprodutibilidade desses resultados, uma vez que, enquanto em um 1° experimento, a velocidade de crescimento na fase linear, 32 mg.L-1.dia-1, não apresentou diferença significativa (alfa=0,01) em relação à do cultivo com 2% (v/v), em um 2° experimento, essa velocidade apresentou o valor significativamente menor (alfa=0,01) de 17 mg.L-1.dia-1. A falta de reprodutibilidade também se repetiu no conteúdo de lipídeos totais da biomassa seca, o qual se manteve inalterado (alfa=0,01) e em torno de 15% nos cultivos com apenas ar atmosférico, com 2% (v/v) de CO2 e no 1° cultivo com 5% (v/v) de CO2, mas apresentou queda significativa (alfa=0,01) para 12% no 2° cultivo. A utilização de aeração enriquecida de CO2 aumentou a repetibilidade dos cultivos mistos, uma vez que tornou mais próximas as curvas de crescimento dentro das replicatas de condição experimental. Essa aeração também diminuiu de 27% para 0% a fração de frascos que sofreram colapso, ou seja, morte prematura das células. Em experimentos futuros, o aumento da concentração celular inicial dos cultivos e o uso de inóculos mistos padronizados, pela mistura de cultivos estoque unialgais, são alternativas para aumentar a reprodutibilidade dos resultados.

Abstract: Microalgal biomass has become a promising raw material for the production of biofuels, with some species of microalgae being able to accumulate large quantities of lipids, precursors of biodiesel, in their biomass. The present study contributes to the investigations being undertaken by the Nucleus of Research and Development of Self-Sustainable Energy (NPDEAS) of the Federal University of Paraná, which is seeking to develop a network of technologies for the production of biomass and biodiesel from microalgae. The present study brought together, for the first time in NPDEAS, two strategies that have been proposed in the literature to increase the production of microalgal biomass and lipids. The first is the use of air enriched with pure CO2 during the period of illumination, with the aim of increasing the rate of transfer of CO2 to the liquid phase and, consequently, increasing the rate of photosynthesis. The second is the use of mixed cultures of microalgae, namely cultures originating from samples collected in natural aquatic environments that contain various microalgal species. The microalgal community within a mixed culture tends to suffer from oscillations of the relative proportions of the various species present, which can affect the quantity and composition of the biomass produced. However, none of the previous literature studies that have involved mixed cultures has addressed the question of the reproducibility of the experiments. The present study, therefore, had the aim not only of evaluating the effect of these two strategies on the production of biomass and lipids, but also of evaluating the repeatability and reproducibility of the mixed cultures. Aeration with normal atmospheric air gave linear growth at a rate of 12.mg.L-1.day-1. This was increased to a linear growth rate of 28 mg.L-1.day-1 by using air enriched with 2% (v/v) CO2. However, the results obtained in two experiments using air enriched with 5% (v/v) CO2 demonstrated the lack of reproducibility of the results: in the first experiment the linear growth rate of 32 mg.L-1.day-1 was not significantly different (alfa=0.01) from that obtained with 2% (v/v) CO2, however, in the second experiment the linear growth rate was significantly lower (alfa=0.01), 17 mg.L-1.day-1. This lack of reproducibility was also apparent in the results for the total lipid content of the dry biomass: a value of 15% was obtained with atmospheric air, air enriched with 2% (v/v) CO2 and the first experiment with air enriched with 5% (v/v) CO2, however, in the second experiment with air enriched with 5% (v/v) CO2 the value was significantly lower (alfa=0.01), 12%. On the other hand, the use of air enriched with CO2 increased the repeatability of the mixed cultures: the growth curves obtained with the replicates supplied with CO2-enriched air were closer to one another than those for the replicates supplied with normal air. The use of CO2-enriched air also decreased the fraction of flasks that suffered "collapse", namely premature death of the cells: this collapse happened in 1 in 4 flasks for cultures supplied with normal air but did not happen for flasks supplied with CO2-enriched air. In future experiments, alternative strategies for improving the reproducibility of the results could involve, firstly, an increase in the initial concentration of the inoculum and, secondly, the use of controlled mixed cultures produced by mixing several pure strains of microalgae.