Nannocloropsis e biocombustíveis - Nannochloropsis and biofuels

Acumulação de óleo em culturas de Nannochloropsis . No vermelho a clorofila, no amarelo o óleo. Na maioria das células desta cultura, o óleo representa uma fração substancial do volume celular. A foto foi tirada em microscópio confocal por Elisa Corteggiani Carpinelli e o método utilizado é o mesmo descrito em Corteggiani Carpinelli, E. et al., (2013)

Nannochloropsis é um gênero de alga dentro dalinha heteroconte de eucariotos , que está sendo investigada para a produção de biocombustíveis . Umaespéciemarinha de Nannochloropsis demonstrou ser adequada para a produção de biocombustíveis de algas devido à sua facilidade de crescimento e alto teor de óleo (28,7% do peso seco), principalmente ácidos graxos insaturados e uma porcentagem significativa de ácido palmítico. Ele também contém ácido graxo insaturado suficiente, ácido linolênico e ácido poliinsaturado (> 4 ligações duplas) para um biodiesel de qualidade.

Condições que levam ao aumento do teor de óleo

A produtividade do óleo é definida como o óleo produzido pelas algas por dia por litro de cultura, que depende tanto da taxa de crescimento quanto do teor de lipídios. A taxa de crescimento indica a rapidez com que as algas crescem e o conteúdo de lipídios indica a porcentagem de peso seco que é lipídio. Na maioria dos estudos, esses dois fatores são investigados de forma independente. Em condições normais de crescimento, Nannochloropsis não atinge sua produção ideal de óleo. Foi relatado que várias condições, incluindo condições de estresse, aumentam o teor de óleo em Nannochloropsis .

Privação de nitrogênio

O nitrogênio é essencial para o crescimento das algas. Dentro de uma célula, o nitrogênio está envolvido na síntese de aminoácidos, ácidos nucléicos, clorofila e outros compostos orgânicos contendo nitrogênio. Em um estudo no qual 30 diferentes cepas de microalgas foram selecionadas, uma cepa de Nannochloropsis obteve 60% de teor de lipídios após a privação de nitrogênio, acima de 30% em condições normais de crescimento. Esta cepa foi selecionada para mais experimentos de aumento de escala em um fotobiorreator sob luz solar natural. A produtividade lipídica aumentou para 204 miligramas por litro por dia (mg / L / dia) em condições de privação de nitrogênio, quase o dobro de 117 mg / L / dia em condições nutricionais suficientes. Com base nesses resultados, um processo de cultivo de duas fases, com uma fase de nutrientes suficiente para aumentar rapidamente o número de células antes de uma fase de privação de nitrogênio para aumentar o teor de lipídios, produziu mais de 90 kg de lipídios por hectare por dia ao ar livre culturas. I, dependendo das condições de luz solar.

Aeração de dióxido de carbono

As algas desempenham um papel importante no ciclo do carbono da Terra . As algas geram grandes depósitos de minerais carbonáticos e compostos orgânicos resistentes à degradação microbiana, contribuindo para a redução do nível de CO 2 na atmosfera, tornando a terra mais habitável para outros organismos. A concentração de CO 2 também afeta o crescimento das algas e o conteúdo de lipídios. Em Nannochloropsis oculata , foi investigado o efeito da concentração de CO 2 na produção de biomassa e no acúmulo de lipídios. Os resultados mostraram que o conteúdo lipídico de N. oculata aumentou de 30,8% para 50,4% após aeração com 2% de CO 2 . Assim, esta cepa de algas é recomendada para ser cultivada com 2% de CO 2 para maximizar a produção de lipídios.

Luz azul e ultravioleta A (UV-A)

Existe um problema de aquisição de luz para as algas aquáticas, uma vez que a submersão pode reduzir a intensidade da luz e amortecer a fotossíntese. Para plantas terrestres, todo o espectro de luz solar, da luz azul à vermelha, está disponível para a absorção da clorofila. No entanto, a luz vermelha é absorvida nos poucos metros de água mais próximos da superfície de um ambiente aquático e o ambiente de luz abaixo desses poucos metros é principalmente de qualidade azul-esverdeada. É provável que as células de algas sejam transportadas a essa profundidade de água e muitas desenvolveram um mecanismo para absorver melhor a luz azul-esverdeada. Uma espécie de Nannochloropsis isolada da água costeira de Cingapura foi investigada sob diferentes comprimentos de onda de luz (vermelho, verde, azul e branco) e intensidades para determinar a condição ideal para a produtividade de biomassa e produção de lipídios. O rendimento máximo de ácidos graxos foi alcançado para culturas fototróficas (a luz solar é a única fonte de energia) e mixotróficas (utilizam a luz solar e a energia da fonte de carbono) a 55,15 e 111,96 mg / L, respectivamente, sob exposição celular à luz azul (470 nm ) A produtividade da biomassa das algas também atingiu o pico sob luz azul para ambas as culturas.

Em outro estudo, UV-A (320 - 400 nm) foi adicionado ao espectro de luz fotossinteticamente ativo (400 - 700 nm) para cultivar Nannochloropsis a fim de estudar o efeito de UV-A no crescimento e acúmulo de lipídios. Os resultados mostraram que o uso de UV-A modulado pode levar a um aumento na taxa de crescimento.

Oligossacarídeos de alginato

O alginato, ou ácido algínico , é um polissacarídeo linear ácido natural derivado de algas marinhas. É composto por α-L-guluronato e β-D-manuronato. O alginato a granel é amplamente utilizado na indústria alimentícia e para fins médicos devido às suas características únicas, como alta viscosidade em solução aquosa e propriedade de formação de gel na presença de íons de cálcio. Estudos anteriores também mostraram que os oligossacarídeos de alginato podem atuar como agentes promotores de crescimento em algumas células vegetais. O efeito de uma mistura de oligossacarídeo de alginato (AOM) em N. oculata foi estudado. A taxa de crescimento desta alga foi significativamente aumentada pela AOM. Além disso, o AOM pareceu aliviar significativamente o efeito algicida do Cu 2+ . Esses resultados sugerem que AOM pode ser usado como um suplemento promotor de crescimento para a cultura de N. oculata .

Temperatura

Temp tem impacto significativo na taxa de crescimento de algas, tamanho da célula e composição bioquímica. Tanto em habitats naturais de algas quanto em sistemas de crescimento controlado, a temperatura pode variar. Em um estudo sobre o efeito da temperatura na taxa de crescimento e teor de lipídios, a temperatura não apresentou relação significativa com Nannochloropsis sp. taxa de crescimento entre 15 ° C e 30 ° C. No entanto, outra espécie de algas no mesmo estudo, Isochrysis galbana , apresentou aumento na taxa de crescimento com o aumento da temperatura de 15 ° C para 30 ° C. Em muitas espécies de algas, o aumento do teor de lipídios também é observado sob o aumento da temperatura.

Tecnologias de cultura

Diferentes tecnologias de cultura estão sendo testadas com o Nannochloropsis para determinar os métodos de cultura mais econômicos.

Fotobiorreator helicoidal tubular

Os sistemas tubulares são os sistemas de cultura comercial mais amplamente usados. Geralmente são feitos de tubos de polipropileno acrílico ou polivinilcloreto de pequenos diâmetros internos e uma bomba de ar que gera bolhas para misturar e agitar a cultura. Eles geralmente usam luz artificial, mas alguns modelos usam luz natural. As principais desvantagens desse tipo de sistema, variando entre os sistemas individuais, são requisitos elevados de espaço, limpeza, baixa eficiência, baixa transferência de gás e estresse hidrodinâmico. Vários outros problemas também ocorrem, incluindo o crescimento de algas na parede do tubo levando ao bloqueio da luz, inibição do crescimento da alta concentração de oxigênio e limites no comprimento do tubo em uma única passagem. Os sistemas em espiral foram desenvolvidos principalmente para melhorar a utilização do espaço. As principais vantagens são: 1) grande proporção de volume de cultura para área de superfície e profundidade de penetração de luz otimizada; 2) controle fácil sobre a temperatura e contaminantes; 3) fácil distribuição espacial de ar fresco e CO 2 ; 4) melhor transferência de CO 2 através da cultura; e 5) sensor automatizado que fornece leituras de concentração de células.

Lago aberto e fotobiorreator de placa plana

Os tanques com canaleta são tanques rasos entre 10 e 50 cm de profundidade. Eles são mais baratos de construir em comparação com fotobiorreatores e têm rodas de pás de baixo consumo de energia para misturar e circular a cultura. A cultura é aberta à atmosfera, permitindo assim que a evaporação do líquido estabilize a temperatura. Eles são amplamente utilizados para o cultivo de várias algas e cianobactérias. No entanto, apenas alguns tipos limitados de microalgas podem ser cultivados em tanques abertos. Outras desvantagens incluem grande área necessária, baixa eficiência de utilização da luz, má transferência de gás / líquido, nenhum controle de temperatura, alto risco de contaminação e baixa densidade final da cultura.

Placas planas são um sistema fechado, como o fotobiorreator tubular helicoidal. Eles têm uma tela de superfície plana feita de vidro ou filme óptico de luz para a recepção uniforme da luz. Um estudo comparou as culturas de Nannochloropsis sp. em lagoas abertas e fotobiorreatores, tubulares e de placa plana. Fotobiorreator tubular horizontal não se mostrou economicamente viável. Tanto os fotorreatores de lagoa aberta quanto os de placa plana mostraram-se viáveis, uma vez que o teor de lipídios da biomassa poderia ser aumentado para 60%. No entanto, nenhum dos sistemas é competitivo devido ao baixo custo do petróleo.

Cultura em lote alimentado

Algumas algas podem crescer mais rápido em condições mixotróficas do que em condições fotoautotróficas. Em condições mixotróficas, tanto a luz quanto um substrato de carbono, como açúcares, podem fornecer energia para o crescimento celular. Embora a adição de glicose tenha aumentado a taxa de crescimento da cultura de algas, também adiciona um custo extra à produção de lipídios das algas. Isso precisa ser mais estudado para determinar a viabilidade econômica.

Método de gás de combustão

Um sistema ambiental baseado em biotecnologia exclusivo pode utilizar gás de combustão de usinas de energia a carvão. Este método é relatado para diminuir o custo de produção de algas significativamente. Também absorve o CO 2 em excesso , aliviando o efeito estufa.

Conversão para biodiesel ou biocombustível

Várias tecnologias diferentes foram relatadas para converter a cultura de algas em biocombustível ou biodiesel.

Transesterificação direta

Uma transesterificação direta da biomassa de Nannochloropsis para a produção de biodiesel pode ser alcançada usando radiação de microondas ou ultrassom. O método de microondas mostrou ser o método mais simples e eficiente para a transesterificação direta em um estágio.

Pirólise direta e pirólise catalítica

Em um estudo recente, Nannochloropsis sp. as células foram pirolisadas. Os resultados mostraram que os bioóleos obtidos da pirólise catalítica apresentam menor teor de oxigênio e maior poder calorífico do que os da pirólise direta. O produto da pirólise catalítica continha principalmente hidrocarbonetos aromáticos. Essas propriedades tornam o resíduo de Nannochloropsis um candidato muito promissor para a produção de combustível de algas.

Referências

  1. ^ Gouveia, L; Oliveira (4 nov. 2009). “Microalgas como matéria-prima para produção de biocombustíveis”. J Ind Microbiol Biotechnol . 36 (2): 269–74. doi : 10.1007 / s10295-008-0495-6 . PMID  18982369 .
  2. ^ Huerlimann, R; de Nys, Heimann (1 de outubro de 2010). "Crescimento, conteúdo de lipídios, produtividade e composição de ácidos graxos de microalgas tropicais para produção de aumento de escala". Biotechnol Bioeng . 107 (2): 245–57. doi : 10.1002 / bit.22809 . PMID  20506156 .
  3. ^ a b c Graham, L (2009). Algas . EUA: Pearson. ISBN 978-0-321-55965-4.
  4. ^ a b Rodolfi, L; Chini Zittelli; et al. (1 de janeiro de 2009). "Microalgas para óleo: seleção de cepas, indução da síntese lipídica e cultivo em massa ao ar livre em fotobiorreator de baixo custo". Biotechnol Bioeng . 102 (1): 100–12. doi : 10.1002 / bit.22033 . PMID  18683258 .
  5. ^ Chiu, SY; Kao; et al. (Janeiro de 2009). "Acumulação de lipídios e utilização de CO 2 de N. oculata em resposta à aeração de CO 2 ". Bioresour Technol . 100 (2): 833–8. doi : 10.1016 / j.biortech.2008.06.061 . PMID  18722767 .
  6. ^ Das, P; Lei; et al. (Fevereiro de 2011). "Maior crescimento de algas em cultura fototrófica e mixotrófica sob luz azul". Bioresour Technol . 102 (4): 3883–7. doi : 10.1016 / j.biortech.2010.11.102 . PMID  21183340 .
  7. ^ Forjan, E; Garbayo; et al. (17 de julho de 2010). "Modulação da eficiência fotossintética, ciclo da xantofila e produção de ácidos graxos de Nannochloropsis mediada por UV-A ". Mar Biotechnol . 13 (3): 366–75. doi : 10.1007 / s10126-010-9306-y . hdl : 10272/2721 . PMID  20640472 .
  8. ^ Xu, X; Iwamoto (setembro de 2003). "Atividade promotora de crescimento de raiz de uronatos oligoméricos insaturados de alginato em plantas de cenoura e arroz" . Biosci Biotechnol Biochem . 67 (9): 2022–5. doi : 10.1271 / bbb.67.2022 . PMID  14519996 .
  9. ^ Yokose, T; Nishikawa; et al. (Fevereiro de 2003). "Efeito promotor de crescimento de oligossacarídeos de alginato em uma microalga marinha unicelular, Nannochloropsis oculata " . Biosci Biotechnol Biochem . 73 (2): 450–3. doi : 10.1271 / bbb.80692 . PMID  19202274 .
  10. ^ Sayegh, FA; Montagnes (fevereiro de 2011). "Mudanças de temperatura induzem variação intraespecífica na produção de microalgas e composição bioquímica". Bioresour Technol . 102 (3): 3007–13. doi : 10.1016 / j.biortech.2010.10.011 . PMID  20970325 .
  11. ^ Briassoulis, D; Panagakis; et al. (Setembro de 2010). Um fotobiorreator tubular helicoidal experimental para produção contínua de Nannochloropsis sp ". Bioresour Technol . 101 (17): 6768–77. doi : 10.1016 / j.biortech.2010.03.103 . PMID  20400300 .
  12. ^ a b Jorquere, O; Kiperstok (fevereiro de 2010). "Análise comparativa do ciclo de vida da energia da produção de biomassa microalgal em lagoas abertas e fotobiorreatores" . Bioresour Technol . 101 (4): 1406–13. doi : 10.1016 / j.biortech.2009.09.038 . PMID  19800784 .
  13. ^ Xu, F; Cai; et al. (Setembro de 2004). "Crescimento e composição de ácidos graxos de Nannochloropsis sp. Cultivadas mixotroficamente em cultura descontínua". Biotechnol Lett . 26 (17): 1319–22. doi : 10.1023 / B: BILE.0000045626.38354.1a . PMID  15604757 .
  14. ^ a b Koberg, M; Cohen; et al. (Março de 2011). “Produção de biodiesel diretamente da biomassa de microalgas de Nannochloropsis por microondas e radiação ultrassônica”. Bioresour Technol . 102 (5): 4265–9. doi : 10.1016 / j.biortech.2010.12.004 . PMID  21208797 .
  15. ^ Pan, P; Hu; et al. (Junho de 2010). "A pirólise direta e a pirólise catalítica do resíduo de Nannochloropsis sp. Para bio-óleos renováveis". Bioresour Technol . 101 (12): 4593–9. doi : 10.1016 / j.biortech.2010.01.070 . PMID  20153636 .