Transferência de carbono e produção de biomassa microalgal a partir de diferentes estratégias para aumento da biofixação de CO2

Abstract

Resumo: O dióxido de carbono (CO2) é um dos principais gases de efeito estufa. As microalgas podem utilizar o CO2 para produzir biomassa rica em proteínas, lipídios e carboidratos. A consolidação dessa tecnologia na captura do CO2 necessita de maior eficiência de uso do carbono. Os métodos físicos (adsorção por membranas) e químicos (absorção com aminas) já utilizados na captura do CO2 podem ser associados à biofixação. Além disso, conhecer como as condições ambientais afetam a transferência de carbono para o meio líquido é fundamental para reduzir perdas de CO2. O objetivo desse estudo foi avaliar como a adição de nanofibras adsorventes no cultivo da microalga Spirulina sp. LEB 18 em reatores tubulares em escala laboratorial, e, como a injeção de CO2 sob demanda do pH em cultivos de Scenedesmus almeriensis em reatores raceway e thin-layer em escala piloto, alteram a transferência de CO2 no meio, a biofixação de CO2 e a produção de biomassa. O efeito das nanofibras na biofixação de CO2 e crescimento da microalga Spirulina sp. LEB 18 foi avaliado em fotobiorreatores tubulares (1,8 L), em condições indoor. As nanofibras de poliacrilonitrila foram desenvolvidas sem e com adição de 1% v v-1 de monoetanolamina pela técnica de electrospinning. Os cultivos outdoor em reator raceway (11850 L) foram realizados com a microalga Scenedesmus almeriensis. Foi avaliada a influência da temperatura, radiação solar e pH na transferência de carbono. Além disso, o controle do pH por demanda de CO2 durante o dia (tradicional) foi comparado com o controle do pH dia e noite (proposto). Scenedesmus almeriensis foi cultivada em reator thin-layer de 2400 L para avaliar a taxa (2, 5, 10 e 15 L min-1) e local de injeção do CO2 (coluna de dessorção e bomba de recirculação do cultivo) para controle do pH. As nanofibras aumentaram 17% a biofixação de CO2 da microalga Spirulina com produtividade de proteínas 1,7 vezes maior que o cultivo sem adsorvente. Os cultivos de Scenedesmus mostraram mais de 80% de transferência do CO2 para o cultivo durante todo o ano, com taxa de biofixação de até 69%. Controlando o pH apenas durante o dia, a demanda experimental de CO2 pode ser até 13 vezes maior que a demanda teórica em função de radiação solar, pH e temperatura do cultivo. No controle de pH operado dia e noite, obteve-se produtividade de biomassa mais elevada (23,2 g m-2 d-1) que no controle de pH realizado apenas durante o dia. Nesse controle proposto, o aproveitamento de CO2 chegou a 58%, sendo uma alternativa para reduzir as perdas de carbono e as flutuações do pH ao longo do dia. No reator thin-layer, independentemente do local de injeção do gás, a produtividade de biomassa mais elevada (até 29,5 g m-2 d-1) e menor consumo de CO2 ocorreram com 10 LCO2 min-1. A injeção de CO2 na bomba de recirculação do cultivo é mais viável quando o reator não possui coluna de dessorção. As estratégias estudadas são adaptações que podem ser realizadas em cultivos já existentes e que contribuem com a captura do CO2, além de aumentar a produção de matéria-prima renovável para commodities como os biocombustíveis.

Abstract: Carbon dioxide (CO2) is one of the main greenhouse gases. Microalgae can use CO2 to produce biomass rich in proteins, lipids, and carbohydrates. The consolidation of this technology in capturing CO2 requires greater efficiency in the use of carbon. Physical (absorption by membranes) and chemical methods (absorption with amines) have been used to CO2 capture and can be associated with biofixation. In addition, knowledge of how environmental conditions affect the carbon transfer to the liquid medium is essential to reduce CO2 losses. Therefore, this study aimed to evaluate how the addition of adsorbent nanofibers in cultures of Spirulina sp. LEB 18 at laboratory scale, and, how the injection of CO2 under pH demand in Scenedesmus almeriensis cultures in raceway and thin-layer reactors at pilot scale alter the CO2 transfer in the medium, CO2 biofixation and biomass production. The effect of the nanofibers on CO2 biofixation and growth of the microalgae Spirulina sp. LEB 18 was evaluated in indoor tubular photobioreactors (1.8 L). The polyacrylonitrile nanofibers was developed without and with addition of 1% v v-1 of monoethanolamine by electrospinning technique. Cultures in outdoor raceway reactors (11,850 L) were carried out with the microalgae Scenedesmus almeriensis. The influence of temperature, solar radiation and pH on CO2 mass transfer was evaluated. In addition, pH control on CO2 demand at daytime (traditional) was compared with day and nighttime control (proposed). Scenedesmus almeriensis was cultivated in 2,400 L thinlayer reactors to evaluate pH control by varying the rate (2, 5, 10 and 15 L min-1) and CO2 injection site (desorption column and medium recirculation pump). The nanofibers increased 17% of the CO2 biofixation of the Spirulina microalgae, with protein productivity 1.7 times higher than the cultivation without adsorbent. Scenedesmus cultures showed transfer of CO2 greater than 80% to the culture throughout the year, with a biofixation rate of up to 69%. In the day and nighttime pH control, greater biomass productivity was obtained (23.2 g m-2 d-1) using 58% of the incoming CO2, an alternative to reduce carbon losses and pH fluctuations throughout the day. In thin-layer reactors, the highest biomass productivity (up to 29.5 g m-2 d-1) and lower CO2 injection occurred with 10 LCO2 min-1 at both gas injection sites. Medium recirculation pump injection is more feasible in cases where the reactor does not have the desorption column attached. The strategies studied are adaptations can be carried out in existing cultures and contribute to CO2 capture, in addition to the production of renewable raw materials for commodities such as biofuels.