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METODOLOGIAS PARA OBTENÇÃO DE BIOMASSA E EXTRAÇÃO DE LIPÍDEOS DE MICROALGAS MARINHAS Diniara Soares, Alexandre Guilherme Becker, Luiz Fernando de Lima.

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1 METODOLOGIAS PARA OBTENÇÃO DE BIOMASSA E EXTRAÇÃO DE LIPÍDEOS DE MICROALGAS MARINHAS Diniara Soares, Alexandre Guilherme Becker, Luiz Fernando de Lima Luz Júnior, André Bellin Mariano, José Viriato Coelho Vargas, Miguel Daniel Noseda, David Alexander Mitchell Diniara Soares – Universidade Federal do Paraná Departamento de Bioquímica e Biologia Molecular Curitiba, Agosto de 2009

2 Governos mundiais estão apoiando o desenvolvimento de tecnologias renováveis As microalgas são fonte de ENERGIA RENOVÁVEL Energia Renovável As reservas mundiais de combustíveis fósseis são limitadas; Desastres ambientais estão mais frequentes, devido aos desmatamentos e emissão de gases poluentes;

3 Microalgas são organismos unicelulares com rápido crescimento e com capacidade de realizar fotossíntese Microalgas

4 Suplemento alimentar Carotenóides, pigmentos, omega-3, omega-6, antioxidantes; Sequestro de CO 2 Biorremediação Cosméticos Aquicultura Aplicações farmacêuticas Produção de biocombustíveis Aplicações das microalgas

5 Vantagens das microalgas: Consumo de água menor; Crescem em água doce, água do mar e salobra (imprópria para agricultura); O sistema de cultivo pode ser construído em solo não arável (regiões desérticas); A produção da biomassa de microalga pode ser combinada com fixação direta de CO 2 ; Produz o ano inteiro (não têm safra); Maior rendimento por área ocupada, 10 maior que uma oleaginosa de boa produtividade; Microalgas vegetais superiores FONTE: CHISTI, 2007 Atualmente a maior parte dos biocombustíveis são produzidos por vegetais superiores Outras matérias-primas renováveis estão sendo estudadas para suprir necessidades futuras MICROALGAS

6 Cepas com alta produtividade de biomassa e lipídeos; Susceptibilidade à contaminação biológica; Adaptação ao ambiente; Alto custo de processamento; Avaliação dos processos Dificuldades na produção de microalgas Reduzir custos

7 Sistemas de produção em grande escala Sistemas abertos - Lagoas Cyanotech Inc. Hawaii Petroalgae, Melbourne,USA

8 Sistemas de produção em grande escala Sistemas fechados - Fotobiorreatores Sapphire energy, USA Algaelink, Netherland, Europa MIT Photobioreator, USA

9 Etapas do processo Obtenção de biomassa Inoculação Crescimento controle Colheita floculação, centrifugação, filtração Secagem Spray-dryer, estufa, fluxo de ar, liofilizador Earthrise, Ca Área = m 2 Volumes grandes – Escala industrial ???? 1L – apenas 0,1 a 1% de biomassa seca L – 10 a 100 kg de biomassa

10 Obtenção da biomassa Recovery of microalgal biomass and metabolites: process and economics (GRIMA et al.,2003). Spray-dryer produtos de alto valor agregado ( $1000 ton -1 ) Liofilização é muito cara escala laboratorial Filtração depende do tamanho das células Centrifugação é uma boa opção, mas para volumes muito grandes pode ter uma alto custo de energia Floculação é o método mais barato IDEAL – FLOCULAÇÃO seguida de CENTRIFUGAÇÃO Meio de cultura L Biomassa floculada L Biomassa centrifugada 100 kg FloculaçãoCentrifugação Redução10%

11 Contribuir com o projeto do NPDEAS Construção de um fotobiorreator em escala piloto Geração de energia a partir do biodiesel produzido. Produção de biodiesel a partir de microalgas Financiamentos: CNPq e Nilko Objetivo

12 Fotobiorreator tubular horizontal, construído em módulos com tubos transparentes de PVC Estrutura: produção do inóculo produção de biodiesel geração de energia Espaço físico: Cepário Laboratórios Salas de aulas NPDEAS – Universidade Federal do Paraná Curitiba – PR, Brasil Construção em andamentoProjeto NPDEAS

13 SEPARAÇÃO Floculação Centrifugação Produção de Energia Auto-Sustentável

14 Floculação CENTRIFUGAÇÃO

15 Avaliar o efeito da floculação seguida de centrifugação de microalgas marinhas Verificar o efeito da lavagem da biomassa Definir uma metodologia adequada para determinar o teor de lipídeos totais da biomassa seca Objetivo Não foi encontrado na literatura o efeito, na recuperação de biomassa e lipídeos, causado pela floculação das microalgas marinhas Microalgas marinhas possuem em seu meio de cultura sal, parte destes sais podem permanecer nas células mesmo após centrifugação Em escala laboratorial a produção de biomassa é muito pequena (escala de µg)

16 Material e Métodos Microalgas Phaeodactylum tricornutum Nannochloropsis oculata Cultura GIA(Grupo Integrado de Aquicultura e Estudos Ambientais) UFPR, Curitiba – PR Temperatura: 20° C Meio: Guillard F/2 Condições: Salinidade: 15 % 0 Fotoperíodo: 24 h Aeração: constante

17 Obtenção da Biomassa Centrifugação: Centrífuga 3340 g 20 min, 4 °C Congelador Liofilizador 100 mL Biomassa seca Gravimetria mg L -1

18 Obtenção da Biomassa Floculação: Remoção da capacidade de as células serem mantidas em suspensão e/ou estimulação da agregação das células, formando flocos que podem decantar; Espontânea – biofloculação; Induzida – produtos químicos, alteração de pH e eletrofloculação;

19 Obtenção da Biomassa Floculação: Floculação com NaOH (1 M) Floculação com FeCl 3.6H 2 O (0,3 M) 100 mL pH = 8,6 5 mL/L 1 mL/L pH = 10,3 pH = 6,3 Centrífuga 30 min

20 Tratamento da Biomassa Lavagem após centrifugação: sem lavar; lavagem com água destilada; lavagem com NH 4 HCO 3 (0,5 M); lavagem com NaCl (0,15 M); 100 mL de solução de lavagem Centrífuga 3340 g 20 min, 4 °C Congelador Liofilizador Biomassa seca Gravimetria mg L -1 Centrífuga 3340 g 20 min, 4 °C

21 LIPÍDEOS TOTAIS BLIGH E DYER

22 Extração e Determinação do Teor Total de Lipídeos Metodologia adequada para analisar quantidades pequenas (µg) de amostra; Metodologias: uso de mistura monofásica de clorofórmio e metanol Adaptação do método de Bligh e Dyer (1959) Proporção de (CHCl 3 /CH 3 OH; 1/2, v/v) Proporção de (CHCl 3 /CH 3 OH; 2/1, v/v) Adaptação do método de Folch et al. (1957) Proporção de (CHCl 3 /CH 3 OH; 2/1, v/v)

23 Resultados e Discussão – Lipídeos totais Teor total de lipídeos (em % de biomassa seca) extraídos por diferentes metodologias. Os valores são médias das amostras em triplicata seguidas do erro padrão das médias, * (p 0,05, teste T). Espécie Adaptação do método de Bligh e Dyer CHCl 3 /CH 3 OH (1/2, v/v) Adaptação do método de Bligh e Dyer CHCl 3 /CH 3 OH (2/1, v/v) Adaptação do método de Folch et al. CHCl 3 /CH 3 OH (2/1, v/v) Nannochloropsis oculata 8,13 ± 0,078,87 ± 0,075,20 ± 0,11* Phaeodactylum tricornutum 14,85 ± 0,5316,97 ± 0,637,82 ± 0,44* Metodologia escolhida

24 Efeito dos tratamentos Agente de lavagem Biomassa seca (mg L -1 ) Lipídeos por litro de meio de cultura(mg L -1 ) Lipídeo em relação à biomassa seca (%) F-0 L-0748,3124,616,6 L-H 2 O268,7 (b*)105,1 (b ns )38,6 L-NH 4 CO 3 499,7 (b*)132,4 (b ns )27,6 L-NaCl466,3 (b*)125,2 (b ns )26,4 F-NaOH L-0952,0 (a*)142,0 (a ns )15,1 L-H 2 O462,7 (a*;b*)110,6 (a ns ;b ns )23,8 L-NH 4 CO 3 500,0 (a ns ;b*)103,8 (a ns ;b ns )20,8 L-NaCl709,3 (a*;b*)115,0 (a ns ;b ns )16,3 F-FeCl 3 L-0757,0 (a ns )153,0 (a ns )21,8 L-H 2 O352,3 (a*;b*)106,2 (a ns ;b*)29,3 L-NH 4 CO 3 524,3 (a ns ;b*)80,2 (a*;b*)15,4 L-NaCl580,0 (a ns ;b*)106,7 (a ns ;b ns )18,6 Teor total de lipídeos em relação à biomassa seca (%) e em relação ao volume de meio de cultura (mg L -1 ) da Phaeodactylum tricornutum. Tratamentos das amostras: (L-0) Sem lavar; (L-H 2 O) lavada com água destilada; (L-NH 4 CO 3 ) lavada com bicarbonato de amônio 0,5 M; (L-NaCl) lavada com cloreto de sódio 0,15 M; (F-0) sem flocular; (F-NaOH) floculada com hidróxido de sódio 1 M; (F-FeCl 3 ) floculada com cloreto férrico hexahidratado 0,3 M. Comparação das amostras pelo teste T: (a) efeito da floculação em relação às amostras não floculadas; (b) efeito da lavagem em relação às amostras não lavadas; (*;p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados; ( ns ; p 0,05) não houve diferença significativa entre os resultados comparados.

25 Influência dos tratamentos na biomassa seca Teor de biomassa seca (mg L -1 ) obtida a partir de microalgas submetidas a diferentes tratamentos de separação e lavagem. As barras verticais representam o erro padrão (n =3). ( * ; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados * * * * Efeito da floculação Efeito da lavagem * * * * * * * * * ( * ; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados

26 Influência dos tratamentos no teor total de lipídeos Teor de lipídeos totais (mg L -1 ) de microalgas submetidas a diferentes tratamentos de separação e lavagem. As barras verticais representam o erro padrão (n =3). ( * ; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados Efeito da floculação * ( * ; p 0,05) houve diferença significativa entre os resultados comparados Efeito da lavagem * *

27 Conclusões A floculação com NaOH não alterou significativamente (p 0,05) o teor lipídico total em relação ao volume de meio de cultura processado (mg L -1 ); O processo de lavagem também não influenciou no teor lipídico utilizando floculação com NaOH, mas: (a) reduz o volume de biomassa a ser processado (eliminação de contaminantes); (b) pode reduzir a quantidade de sais originários do meio de cultura, os quais podem comprometer o maquinário; A solução floculante de NaOH (1M) foi considerada uma boa alternativa para reduzir o volume de meio de cultura. O custo para a floculação de um mesmo volume de meio de cultura utilizando o agente floculante NaOH é 60% mais barato do que quando utilizado o agente floculante FeCl 3.6H 2 O;

28 Conclusões No experimento realizado por Horiuchi et al. (2003), o meio de cultura clarificado após floculação com NaOH foi reutilizado adicionando-se solução de HCl para ajustar o pH. Após clarificação, nenhum inóculo foi empregado, mas as células remanescentes voltaram a se multiplicar após neutralização do meio. Este resultado sugere que as células após floculação não foram seriamente danificadas pelo tratamento alcalino; A colheita de células de microalgas proposta neste trabalho tem várias vantagens, incluindo alta recuperação de células, simplicidade operacional, baixo custo e reutilização do caldo clarificado

29 Agradecimentos


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