Produção de biogás a partir da co-digestão de resíduos da geração de energia

Aplicações de microalgas tem tornado esses micro-organismos importantes em pesquisas com fins tanto comerciais como energéticos. A biofixação de CO2 por microalgas é vista como uma forma economicamente viável e ambientalmente sustentável para mitigar as emissões de CO2 e geração de biomassa para obtenção de bioprodutos de alto valor agregado como os biocombustíveis. Na digestão anaeróbia da biomassa de microalgas a adição de um cosubstrato rico em carbono pode facilitar o processo de produção de biogás. O glicerol possui alta concentração de carbono orgânico e é solúvel em água. Neste sentido, a combinação de ambos os substratos pode solucionar um dos principais problemas para o processo de digestão, que reside no equilíbrio da razão (C/N). Co-digestão anaeróbia consiste na digestão anaeróbia de uma mistura de dois ou mais substratos com composições complementares. O objetivo do estudo foi avaliar a geração de biogás através da co-digestão anaeróbia de biomassa de Spirulina sp. LEB 18 e glicerol bruto. Para a realização do estudo foram construídos e operados sete biorreatores com volume útil de 1,5 L, alimentados com 5, 6, 10, 15 e 20 g.L -1 da mistura de biomassa de Spirulina e glicerol. A adição de diferentes quantidades de glicerol (5 e 10 g.L -1 ) foi utilizada como um suplemento na digestão anaeróbia em sistema de batelada. A razão C/N variou de 3,3×103 a 23,7. Os ensaios foram realizados a 35 °C, em reatores equipados com sistema de coleta de gás, alimentação e retirada do efluente líquido, operados em batelada sequencial. O efluente líquido dos reatores foi analisado quanto ao pH, nitrogênio amoniacal e alcalinidade. O volume de biogás produzido diariamente foi medido em gasômetro de frasco invertido. Em todos os ensaios, os valores médios de pH variaram de 7,0 a 7,3 e nitrogênio amoniacal de 62,02 a 1100,99 mg.L-1 . A alcalinidade do efluente variou entre 1133,37 e 3578,98 mg.L-1 CaCO3. Em todos os ensaios com adição de glicerol houve incremento na produção específica de biogás (0,16 – 0,24 d -1 ) quando comparado ao ensaio em que somente biomassa microalgal era alimentada no processo (0,03 L.d-1 ), demonstrando ser esta uma alternativa interessante para a produção de biocombustível e concomitante agregação de valor ao glicerol residual da produção de biodiesel.

Produção de exopolissacarídeos bacterianos a partir de glicerol residual gerado na síntese de biodiesel

A busca por combustíveis alternativos, tais como os biocombustíveis, torna-se necessária devido à crescente demanda por combustíveis em todos os setores da atividade humana, sendo que quase toda energia consumida no mundo provém do petróleo, uma fonte limitada, que emite grande quantidade de gases poluentes. Devido à grande diversidade de culturas oleoginosas no país, o Brasil demonstra potencial para substituição do diesel pelo biodiesel. No processo de obtenção deste, o óleo vegetal sofre uma transesterificação, sob a ação de um catalisador básico e na presença de um álcool, formando três moléculas de ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, que constituem o biodiesel em sua essência, liberando uma molécula de glicerol, que é o coproduto mais abundante desta reação. Sendo assim, a utilização do glicerol residual é uma ótima alternativa para agregar valor à cadeia produtiva do biodiesel, minimizar os danos de um possível descarte inadequado, além de diminuir os custos do processo. Com este intuito, este trabalho propõe o uso do glicerol residual como fonte de carbono para produção de exopolissacarídeos (EPSs). Para tal, foram utilizadas linhagens de bactérias mencionadas na literatura como produtoras de EPSs de importância comercial, sendo elas: Xanthomonas campestris pv. mangiferaeindicae IBSBF 1230, Pseudomonas oleovarans NRRL B-14683, Sphingomonas capsulata NRRL B-4261 e Zymomonas mobilis NRRL B-4286. Os cultivos foram realizados em meio apropriado para cada micro-organismo, e como fontes de carbono foram testadas a sacarose, o glicerol residual e uma mistura de ambos na proporção de 1:1 m/m. Os meios foram inoculados com suspensão da bactéria em estudo, sendo avaliados parâmetros relativos ao crescimento celular e à produção de EPSs. Para X. campestris pv. mangiferaeindicae, foram determinadas algumas propriedades reológicas e térmicas dos EPSs produzidos com as diferentes fontes de carbono, bem como o índice de emulsificação com diferentes óleos vegetais. X. campestris apresentou uma concentração de EPSs em torno de 4 g.L-1 em todos os meios estudados, comportamento similar ao da bactéria P. oleovorans, diferindo apenas no meio contendo sacarose (0,8 g.L-1 ). S. capsulata apresentou uma maior concentração de EPSs em meios contendo sacarose e a mistura de sacarose com glicerol residual, em torno de 3,4 g.L-1 , e em meio contendo glicerol residual este valor caiu para 1,7 g.L-1 . Já Z. mobilis apresentou um melhor resultado em meio contendo sacarose e glicerol residual, atingindo 1,3 g.L-1 , sendo que em meio contendo somente sacarose e glicerol residual estes valores foram inferiores alcançando 0,2 e 0,7 g.L-1 , respectivamente. Quase todas as bactérias atingiram a fase estacionária em 24 h de cultivo e o pH permaneceu praticamente constante, sendo verificada uma queda mais acentuada somente para Z. mobilis. O comportamento reológico foi similar para as xantanas produzidas nos diferentes meios, entretanto a viscosidade inicial foi maior com o meio a sacarose (637 cP), seguido da mistura de sacarose com glicerol residual (279 cP) e glicerol residual (60 cP). O IE24 foi superior quando utilizado o óleo de milho, atingindo valores de 97, 72 e 64 % em sacarose, mistura de sacarose com glicerol e glicerol residual, respectivamente. Desta forma, pode-se afirmar que a mudança na fonte de carbono afeta estas propriedades.

Produção e purificação de biogás utilizando microalga spirulina sp. LEB-18

O crescimento da população mundial e a tentativa de substituição parcial dos combustíveis fósseis por novas fontes de energia têm levado a uma maior atenção quanto à possível escassez de alimentos e a carência de grandes áreas disponíveis para agricultura. Microalgas, por meio do metabolismo fotossintético, utilizam energia solar e gás carbônico como nutrientes para o crescimento. A microalga Spirulina pode ser utilizada como suplemento alimentar, na biofixação de CO2, como fonte de biocombustíveis e no tratamento de efluentes. A digestão anaeróbia da biomassa microalgal produz biogás e os resíduos deste processo podem ser utilizados como substrato para novos cultivos da microalga. O objetivo deste trabalho foi estudar a conversão de Spirulina sp. LEB-18 em biogás em escala piloto e produzir biomassa microalgal utilizando os efluentes bicarbonato e dióxido de carbono do processo anaeróbio como fonte de nutrientes. Spirulina foi utilizada como substrato na digestão anaeróbia para produção de biogás em escala piloto sob temperaturas variáveis (12- 38 °C). Efluente do processo anaeróbio foi adicionado (20 %, v/v) como fonte de carbono no cultivo da microalga para avaliar o crescimento e a composição da biomassa. A seguir foi avaliada a capacidade da microalga de remover CO2 presente no biogás através de biofixação para obtenção do biocombustível purificado. O biogás produzido sob as diferentes temperaturas apresentou entre 72,2 e 74,4 % de CH4, quando realizado nas temperaturas 12 a 21 °C e 26 a 38 °C, respectivamente. A redução na temperatura do processo anaeróbio provocou um decréscimo na conversão de biomassa em biogás (0,30 para 0,22 g.g-1 ), ocorrendo dentro da faixa adequada e segura para as bactérias metanogênicas (pH 6,9; alcalinidade entre 1706,0 e 2248,0 mg.L-1 CaCO3 e nitrogênio amoniacal 479,3 a 661,7 mg.L-1 ). Os cultivos de Spirulina sp. LEB-18 em efluente anaeróbio contendo 20 % (v/v) e meio Zarrouk modificado (NaHCO3 2,8 e 5,3 g.L-1 ) apresentaram velocidade específica máxima de crescimento entre 0,324 e 0,354 d-1 , produtividade volumétrica entre 0,280 e 0,297 g.L-1 .d-1 e produtividade areal entre 14,00 e 14,85 g.m-2 .d-1 , sem diferenças significativas (p > 0,05) entre as diferentes condições estudadas. Lipídios variaram entre 4,9 e 5,0 % com proporção de ácido linoleico maximizada nos meios com efluente e ácido alfa-linolênico reduzida nesses meios em comparação ao meio Zarrouk completo. Nos ensaios para avaliar a capacidade da microalga Spirulina sp. LEB-18 de remover CO2 contaminante no biogás, as máximas concentrações celulares e produtividades de biomassa variaram, respectivamente, entre 1,12 e 1,24 g.L-1 e 0,11 e 0,14 g.L-1 .d-1 , não apresentando diferenças significativas (p > 0,05) entre os ensaios. A maior fixação diária total (FDT) de dióxido de carbono obtida foi 58,01 % (v/v) em cultivos com adição de biogás contendo 25 % (v/v) CO2. Obteve-se biogás com 89,5 % (v/v) de CH4 após injeção em cultivos de Spirulina, no qual aproximadamente 45 % (v/v) do CO2 injetado foi fixado pela microalga, gerando biomassa para diversas aplicações e biogás purificado.

Produção de lipídios microbianos a partir de glicerol bruto gerado na síntese de biodiesel

Diante da grande quantidade de glicerol bruto gerado na síntese do biodiesel e seu baixo valor comercial, torna-se fundamental encontrar formas alternativas para converter este substrato em produtos com valor agregado. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo avaliar diferentes leveduras oleaginosas capazes de metabolizar o glicerol bruto, gerado como coproduto na síntese de biodiesel, visando produzir biomassa como fonte de lipídios. Todos os cultivos foram realizados em frascos agitados, em condições estabelecidas de acordo com cada etapa do trabalho, sendo obtidos dados relativos ao crescimento celular e à produção de lipídios, tratados estatisticamente conforme o propósito. Lipomyces lipofer NRRL Y-1155 apresentou diferenças significativas em relação às outras leveduras oriundas de banco de cultura, atingindo 57,64% de lipídios na biomassa. Estas leveduras apresentarem perfis de ácidos graxos diferenciados, semelhantes aos dos principais óleos vegetais utilizadas na síntese de biodiesel, com predominância de ácidos graxos poli-insaturados, especialmente ácido linoleico (68,3% na levedura Rhodotorula glutinis NRRL YB-252). O ácido gama-linolênico, um ácido graxo essencial ω6, foi detectado em todas as leveduras analisadas, sendo que na biomassa de Candida cylindracea NRRL Y-17506 chegou a 23,1%. Através de um planejamento experimental Plackett-Burman, verificou-se que as variáveis concentração de extrato de levedura e de MgSO4.7H20 demonstraram maior influência na produção de lipídios por uma linhagem silvestre de Rhodotorula mucilaginosa. Para esta levedura, a partir da análise de efeitos foi possível estabelecer a seguinte condição para a produção de lipídios: 30,0 g.L-1 glicerol; 5,0 g.L-1 KH2PO4; 1,0 g.L-1 Na2HPO4; 3,0 g.L-1 MgSO4.7H2O; 1,2 g.L-1 extrato de levedura; pH inicial 4,5; temperatura 25°C. Nestas condições conseguiu-se um teor de lipídios de 59,96% e lipídios totais produzidos de 5,51 g.L-1 . Também foi possível observar aumento no teor de lipídios da biomassa ao longo do tempo de cultivo, bem como o aumento do teor relativo do ácido linoleico, que atingiu 52%. Dentre as leveduras isoladas a partir de amostras ambientais do Extremo Sul do Brasil, a levedura identificada como Cryptococcus humicola se destacou das demais, apresentando proporção de 23,5% de ácidos graxos saturados, 14,8% de ácidos graxos monoinsaturados e 54,9% de ácidos graxos poli-insaturados, destacando-se o ácido linoleico. O planejamento Plackett-Burman foi também utilizado para esta levedura, sendo que as variáveis concentração de extrato de levedura e glicerol bruto demonstraram maior influência na produção de lipídios. Posteriormente, um delineamento composto central rotacional (DCCR) foi proposto visando à otimização da produção de lipídios. Os modelos empíricos preditivos obtidos para biomassa máxima e lipídios totais permitiram estabelecer para a produção de lipídios por Cryptococcus humicola a seguinte condição otimizada: 100,0 g.L-1 glicerol; 5,0 g.L-1 KH2PO4; 1,0 g.L-1 Na2HPO4; 4,8 g.L-1 extrato de levedura; pH inicial 4,5; temperatura 25°C. Esta condição representou um incremento de cerca de 2 vezes nos lipídios totais em relação à melhor condição estabelecida pelo planejamento Plackett-Burmann e um acréscimo de cerca de 4,8 vezes em relação às condições testadas inicialmente, atingindo 37,61% de lipídios e 8,85 g.L-1 de lipídios totais. Deste modo, os propósitos de valorização de um coproduto oriundo da síntese de biodiesel, bem como a produção de um óleo com potencial para a produção de biodiesel, foram cumpridos.

Síntese de carboidratos por microalgas e produção de bioetanol

A maior parte da energia hoje consumida no mundo é derivada de fontes como petróleo, carvão e gás natural. Essas fontes, no entanto, não são renováveis e podem se esgotar em data futura. Nas últimas décadas, as fontes renováveis de combustíveis de base biológica, em especial o bioetanol, têm sido consideradas como alternativa à matriz energética convencional. Porém, existe a necessidade de ampliação da oferta de matérias-primas para produção de etanol, sem pressionar a área plantada para produção de alimentos, o que tem levado empresas e países a investirem em pesquisas para maior utilização de outras matériasprimas. As microalgas surgem como uma das alternativas mais promissoras para a produção de bioetanol, sendo que modificações nas condições de cultivo podem propiciar incremento na concentração de carboidratos destas. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da concentração de nutrientes na concentração de carboidratos de microalgas e produzir bioetanol a partir destas. Avaliou-se a síntese de carboidratos das microalgas Chlorella homosphaera e Spirulina platensis LEB 52 em cultivos mixotróficos com diferentes concentrações do componente nitrogenado e cloreto de sódio adicionados aos meios de cultivo. Para a microalga Chlorella minutissima, foram avaliados os efeitos do meio de cultivo e das concentrações dos componentes nitrogenado e fosfatados utilizados no meio de cultivo da microalga sobre a concentração de carboidratos desta. Foram realizadas fermentações alcoólicas utilizando como substrato biomassa das microalgas Chlorella pyrenoidosa e Spirulina sp. LEB 18 acrescidos de glicose e sacarose. Para a microalga Chlorella homosphaera, a maior produtividade em carboidratos foi obtida nos ensaios realizados com a maior concentração de KNO3 com menor concentração de NaCl e menor concentração de KNO3 com maior concentração de NaCl (0,014±0,001 g.L-1 .d-1 e 0,015±0,002 g.L-1 .d-1 , respectivamente). A maior produtividade em carboidratos nos cultivos de Spirulina platensis LEB 52 (0,116±0,002 g.L-1 .d-1 ) foi verificada no experimento no qual a microalga foi cultivada nas menores concentrações de NaNO3 e NaCl. A microalga Spirulina platensis LEB 52 apresentou maior produtividade em carboidratos quando comparada à microalga Chlorella homosphaera. A microalga Chlorella minutissima cultivada em meio Basal, com adição de 0,125 g.L-1 do componente nitrogenado (KNO3) e sem adição dos componentes fosfatados (K2HPO4 e KH2PO4) apresentou a maior produtividade em carboidratos nos cultivos (0,030±0,002 g.L-1 .d-1 ). O ensaio com biomassa de Spirulina sp. LEB 18 com adição de glicose apresentou eficiência superior na formação de etanol e produtividade em etanol (68,487±2,592% e 1,182±0,051g.L-1 .h-1 , respectivamente).

Obtenção e caracterização de queratinase de bacillus sp. P45 a partir de coprodutos e aplicação na produção de queijos cremosos enriquecidos com chia e quinoa

As proteases constituem 60-65% do mercado global das enzimas industriais e são utilizadas na indústria de alimentos no processo de amaciamento de carne, na síntese de peptídeos, preparo de fórmulas infantis, panificação, cervejarias, produtos farmacêuticos, diagnósticos médicos, como aditivos na indústria de detergentes e na indústria têxtil no processo de depilação e transformação do couro. Proteases específicas produzidas por micro-organismos queratinolíticos são chamadas de queratinases e distinguem-se de outras proteases pela maior capacidade de degradação de substratos compactos e insolúveis como a queratina. Atualmente, processos que apontem o uso total das matérias-primas e que não resultem em impactos negativos ao meio ambiente tem ganhado destaque. Dentro desta temática, destacam-se a reutilização da farinha de penas residual durante o cultivo do Bacillus sp. P45 para produção de proteases e a biomassa residual de levedura, ambas com elevados teores de proteínas, podendo ser utilizadas no cultivo do Bacillus sp. P45 para obtenção de proteases. O objetivo deste trabalho foi obter a enzima queratinase purificada em grandes quantidades, sua caracterização, bem como a sua aplicação em processos de coagulação enzimática do leite para o desenvolvimento de um queijo cremoso enriquecido com farinha de chia e quinoa. Além disso, aplicar diferentes coprodutos para produção de enzimas proteolíticas e queratinolíticas. A presente tese foi dividida em quatro artigos: no primeiro foi realizado a obtenção da queratinase purificada em maiores quantidades e a determinação dos parâmetros de estabilidade térmica e a influência de componentes químicos na atividade enzimática. A obtenção da enzima em maiores quantidades alcançou fatores de purificação de 2,6, 6,7 e 4,0 vezes, paras 1º SAB, 2º SAB e diafiltração, respectivamente. A recuperação enzimática alcançou valores de 75,3% para o 1º SAB, 75,1% no 2º sistema e 84,3% na diafiltração. A temperatura de 55ºC e o pH 7,5 foram determinados como ótimos para atividade da enzima queratinase. O valor da energia de desativação (Ed) médio foi de 118,0 kJ/mol e os valores de z e D variaram de 13,6 a 18,8ºC, e 6,9 a 237,3 min, respectivamente. Além disso a adição de sais (CaCl2, CaO, C8H5KO4 e MgSO4) elevou a atividade da enzima na presença destes compostos. O segundo artigo apresenta a aplicação da queratinase como coagulante de leite bovino e sua aplicação na obtenção de queijo cremoso enriquecido com chia e quinoa. A enzima mostrou atividade de coagulação semelhante ao coagulante comercial, na concentração de 30mg/mL. A enzima purificada foi empregada de forma eficiente na fabricação do queijo cremoso, que apresentou valores de pH de 5,3 e acidez de 0,06 a 0,1 mol/L, com elevação durante os 25 dias de armazenamento. O terceiro artigo apresenta o perfil do queijo cremoso enriquecido com farinha de chia e quinoa, o qual apresentou alto índice de retenção de água (>99,0%) e baixos valores de sinérese (<0,72%). Elevados teores de fibras foi verificado (3,0 a 5,0%), sugerindo seu consumo como fonte de fibras. As análises microbiológicas foram de acordo com a legislação vigente. Na análise sensorial foi verificado altos valores de suavidade ao paladar e verificado maiores valores de consistência e untabilidade nas amostras com maiores concentrações de nata e quinoa. O quarto artigo traz a extração de β-galactosidase por ultrassom e o uso da biomassa residual da levedura, bem como o uso de farinha de penas residuais como substrato para obtenção de proteases. O ultrassom foi eficiente para ruptura celular e extração de β-galactosidase, apresentando alta atividade (35,0 U/mL) e rendimento (876,0 U/g de biomassa). A maior atividade proteolítica (1300 U/mL em 32 h) e queratinolítica (89,2 U/mL) verificadas ocorreram utilizando-se a biomassa e a farinha de penas residuais, respectivamente. Maior produtividade proteolítica (40,8 U/mL/h) foi verificado no meio utilizando biomassa residual como substrato. Já a maior produtividade queratinolítica (2,8 U/mL/h) foi alcançada utilizando farinha de penas reutilizada.