Aumento da produção e redução do gasto energético de tanques de cultivo massivos da microalga marinha Nannochloropsis oceanica

Autor: Bruno Galler Kubelka (Currículo Lattes)
Orientador: Dr Paulo Cesar Oliveira Vergne de Abreu
Co-orientador: Dr Waldir Terra Pinto (EE/FURG)

Resumo

Microalgas são organismos unicelulares, clorofilados que representam a base da cadeia alimentar na maioria dos ambientes aquáticos. Estes organismos têm composição bioquímica complexa, podendo fornecer importantes bioprodutos para consumo humano e animal. A demanda cada vez maior por alimentos e bioprodutos que garantam segurança nutricional e novos fármacos poderá ser obtido com a produção em larga escala de microalgas. Entretanto, para se atingir este patamar é necessário o desenvolvimento de tecnologias novas e mais produtivas de cultivo destes microorganismos. A produção massiva de microalgas é, ainda hoje, um processo custoso, que demanda um alto gasto de energia e uma infraestrutura relativamente grande, sendo atualmente economicamente viável apenas para produtos com valor agregado muito elevado, no entanto para a produção de elementos de baixo valor, como biocombustíveis, o sistema de produção atual é inviável. A viabilidade econômica de um sistema de cultivo de microalgas é atingida quando se obtêm altas densidades celulares no menor volume possível e com um gasto mínimo de energia, água e nutrientes. Cerca de um terço do custo de produção de biomassa de microalgas está relacionada à demanda energética do sistema de mistura/circulação dos tanques de cultivo. A eficiência na circulação da coluna de água pode evitar a sedimentação das células, aumentar sua exposição à luz incidente e maximizar o aporte de nutrientes para cada célula. Um sistema de mistura muito comum em tanques de cultivo de microalgas é a injeção de bolhas de ar, que transfere a energia das bolhas de ar para água, resultando na circulação (movimentação) da coluna de água. O principal objetivo desta Tese foi a otimização do sistema de coluna de bolhas em sistemas fechados (fotobiorreatores cilíndricos) e abertos (tanques circulares). Para isto, foram feitas análises do tamanho de bolhas e da taxa de vazão do ar. No estudo foram empregadas técnicas de simulação numérica, utilizando a ferramenta de Dinâmica Computacional de Fluidos (CFD) e abordagem experimental. Os resultados de nossas pesquisas são apresentados da seguinte forma: 1) No capítulo 1 desta Tese, foi estudado o efeito do tamanho das bolhas de ar, na mistura e produtividade de dois tanques de cultivo: i) fotobioreatores cilíndricos fechados e verticais com 330 L de volume útil; ii) tanques abertos circulares de 1600 L. A abordagem inicial foi feita aplicando-se programa de Dinâmica Computacional de Fluidos (CFD) que indicou uma maior eficiência de bolhas menores para a redução das áreas de sedimentação (zonas mortas) e também para o aumento do desempenho hidrodinâmico do sistema. Posteriormente foram realizados experimentos em fotobiorreatores e tanques circulares. Sistemas de injeção de bolhas de ar formados por um conjunto de nove injetores de ar de 1 mm de diâmetro foram comparados a sistemas padrão, com um único injetor de 3 mm de diâmetro. Os sistemas com bolhas menores resultaram em ganhos de produção de até 36%, sem um acréscimo no custo energético. Durante os experimentos do primeiro capítulo se verificou que diferenças significativas de biomassa entre os sistemas com diferentes tamanhos de bolhas de ar ocorriam após 4 a 6 dias de experimento. 2) No capítulo 2 testamos as hipóteses de que tais diferenças poderiam ser causadas por i) maior absorção de nutrientes, ou ii) maior exposição das células à luz incidente. Através de experimentos a incidência de luz foi medida em várias profundidades dos tanques de cultivo. Da mesma forma, a concentração de nutrientes dissolvidos (amônia, nitrato e fosfato) foi determinada ao longo do cultivo. Os nutrientes não foram um fator limitante para o crescimento das células, mas a incidência de luz sim, pois esta diminui drasticamente abaixo da camada de 5 cm da superfície do tanque, passando a ser limitante a partir de 4 a 6 dias de cultivo. Foi sugerido que o sistema de mistura com bolhas menores era capaz de diminuir o tempo de permanência das células de microalgas em zonas sem luz dos tanques de cultivo. Este resultado foi apoiado por simulações com modelo lagrangiano, acompanhando as partículas de microalgas durante a circulação no interior do tanque utilizando a ferramenta CFD. 3) No terceiro capítulo diferentes vazões de ar foram testadas visando-se otimizar o novo sistema de mistura com bolhas menores. Através de experimentos com diferentes vazões de ar foi possível estimar a demanda de energia do sistema de injeção de bolhas de ar. Simulações numéricas prévias aos experimentos com cinco vazões diferentes apontaram 3 valores que apresentavam maior potencial para otimização experimental. Estas três vazões foram testadas em experimentos com fotobiorreatores de 330 L. As análises teóricas de gasto de energia e experimental de produção de biomassa nos mostraram que o ajuste de uma vazão de ar de 0,024 L min-1 apresenta o melhor custo- benefício para os sistemas de produção aqui avaliados de produção de N. oceanica. Entretanto, comparações do gasto de energia para a produção de microalgas nas diferentes vazões e a energia contida no lipídeo produzido mostraram que os sistemas apresentam um balanço negativo, necessitando maiores ajustes para incrementar a sua produção.

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