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Valorização de biomassa algal produzida em fotobiorreatores para a produção de biocombustíveis e outros produtos

Author(s): Fraga, José Miguel Saraiva

Date: 2016

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/5805

Origin: uBibliorum

Subject(s): Chlorella Vulgaris; Composição Bioquímica; Disrupção Celular; Produção de Biomassa; Valorização Biomassa; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química


Description

Atualmente, os combustíveis fósseis representam 80% da produção energética global, sendo que os restantes 20% correspondem às energias renováveis. Desta forma, é imperiosa a procura de fontes alternativas de energia sustentável de modo a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, nomeadamente o dióxido de carbono, que atinge já os 400 ppmv na atmosfera. A biomassa algal tem sido apresentada como uma alternativa para a redução da concentração de CO2 na atmosfera, já que tem a capacidade de sequestrar 1,83 kg CO2 por 1 kg de biomassa produzida. Para além disso, a biomassa algal pode constituir uma fonte de biocombustíveis e outros produtos de maior valor acrescentado. No entanto, a implementação industrial da produção e exploração da biomassa algal depara-se ainda com vários desafios, nomeadamente a redução de custos e recursos nos processos upstream e downstream, onde os vários estudos têm sido centrados. Com vista a contribuir para o esclarecimento de algumas das questões acima apresentadas, foram abordados aspectos da produção de biomassa e principalmente as questões da desconstrução da biomassa da espécie Chlorella vulgaris. A produção de biomassa algal foi avaliada a partir de duas séries de ensaios de crescimento algal onde várias variáveis físicas e bioquímicas foram testadas. A concentração máxima de biomassa obtida foi de 0,7 g/L, utilizando um meio de referência (meio Bristol normal modificado) e alimentando ar a um caudal de 1,5 L.L-1.min-1. Noutra série de ensaios em que o caudal de ar foi aumentado para 3 L.L-1.min-1 a produção de biomassa caiu para cerca de 0,1 g/L, indiciando problemas com a transferência de massa e/ou stress mecânico. Relativamente à disrupção celular, foram testados vários métodos físicos e físico-químicos, nomeadamente ultrassons, moagem, tratamento térmico e ácido, aplicados a biomassa seca e húmida. Nos hidrolisados analisaram-se os teores em açúcares, proteína e lípidos. Dos vários métodos testados em biomassa húmida, o que apresentou melhores resultados foi a hidrólise ácida (pH=1, Temperatura: 121ºC, tempo: 1h) com uma recuperação de 29,7% de açúcares e 21,3% de proteínas. A secagem prévia das amostras (altamente intensiva em energia) não contribuiu para um aumento significativo da extensão da disrupção celular. O incremento foi de 51,9% para 53,3% (açúcares e proteína) para a biomassa seca, o que está dentro do erro experimental e claramente não justifica o consumo energético envolvido na secagem. Por outro lado, a composição do meio influenciou a composição das células. O reforço dos nutrientes azoto e fósforo conduziu à redução da síntese de açúcares e potenciou a síntese de proteínas. O teor de lípidos recuperados da biomassa rondou os 22%. Os ensaios realizados com maior quantidade de biomassa, necessária para a determinação dos lípidos, permitiu evidenciar a presença de um resíduo sólido, de cerca de 20%, que deverá ser objeto de estudos futuros.

Currently, fossil fuels account for 80% of global energy production, and the remaining 20% correspond to renewable energy. Thus, it is imperative to search for alternative sources of energy to reduce greenhouse effect emissions, mainly carbon dioxide, which already reach 400 ppmv in the atmosphere. The algal biomass has been presented as an alternative to reduce CO2 concentration in the atmosphere, since it has the ability to scavenge 1.83 kg CO2 per 1 kg of biomass produced. Additionally, the algal biomass can be a source of biofuels and other products of higher value. However, the industrial implementation of the exploration and production of algal biomass is still faced with many challenges, including the reduction of costs and resources in the upstream and downstream processes, where several studies have been centered. In order to contribute to the clarification of some of the above issues, some aspects of biomass production and mainly its deconstruction were addressed with the specie Chlorella vulgaris. The production of algal biomass was evaluated with two algal growth test series where several physical and biochemical variables were tested. The maximum concentration of biomass obtained was 0.7 g/L, using a reference medium (modified standard Bristol medium) and feeding air at a flow rate of 1.5 L.L-1.min-1. In another series of tests in which the air flow rate was increased to 3 L.L-1.min-1 biomass production fell to about 0.1 g/L, indicating problems with the mass transfer and/or mechanical stress. With regard to cell disruption, various physical and physico-chemical procedures were tested, including sonication, grinding, heat treatment and acid, applied to dry and wet biomass. The hydrolysates were analyzed at the levels of sugars, proteins and lipids. Of the various disruption methods tested in wet biomass, the one that showed better results was the acid hydrolysis (pH=1, temperature: 121ºC, time: 1h) with a recovery of 29.7% sugar and 21.3% protein. The pre-drying of the samples (highly energy intensive) did not contribute to a significant increase of the extent of cell disruption. The increase was from 51.9% to 53.3% (sugar and protein) for dry biomass, which is within the experimental error and clearly does not justify the energy consumption involved in the process of drying. On the other hand, the composition of the medium influenced the biomass chemical composition. The strengthening of nitrogen and phosphorus nutrients lead to a reduction of the synthesis of sugars and potentiated the synthesis of proteins. The lipid content recovered from the biomass was around 22%. The lipid tests required the utilization of higher amount of biomass, which enabled to reveal the presence of a solid residue of about 20% after the extraction. This solid residue will be the object of a future study.

Document Type Master thesis
Language Portuguese
Advisor(s) Albuquerque, António João Carvalho de; Simões, Rogério Manuel dos Santos
Contributor(s) Fraga, José Miguel Saraiva
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