O crescimento da biomassa algal foi medido em função dos SSV, e segue apresentado na Figura 48. A biomassa algal dos fotobiorreatores cresceu, e atingiu ao quarto dia concentrações de SSV de 938 ± 102 mg L-1 e 670 ± 187 mg L-1 nos FBRs vermelhos e FBRs azuis, respectivamente. No reator controle não houve crescimento expressivo, pois partiu de uma concentração inicial de 117 ± 64 mg L-1 para 182 ± 46 mg L-1 de SSV, condizente com a reduzida produção de biomassa anaeróbia. A produtividade de biomassa algal (Equação 3) é um parâmetro que considera a concentração inicial de biomassa e o tempo, e adequa-se melhor para avaliar a produtividade, que foi de 198 mg L-1 d-1, 129 mg L-1 d-1 e 16 mg L-1 d-1 no FBR vermelho, FBR azul e Controle, respectivamente. A taxa de crescimento específico (Equação 4) foi de 0,46 d-1 no FBR vermelho, 0,37 d-1 no FBR azul e 0,11 d-1 no controle, considerando todo o tempo de operação dos fotobiorreatores.
Figura 48: Comportamento dos SSV nos fotobiorreatores.
Fonte: Autor (2019).
O FBR vermelho apresentou concentração de SSV, produtividade e taxa de crescimento específico maior do que o FBR azul em todos os casos. Tal fato corrobora com Shu et al. (2012) que obtiveram a melhor produção de biomassa de Chlorella sp. no comprimento de onda referente a luz vermelha ao testarem também os comprimentos referentes as cores verde
0 200 400 600 800 1000 1200 0 12 24 36 48 60 72 84 96 SS V (m g L -1) Tempo (horas) FBR azul FBR vermelho Controle
107 e azul. Entretanto, os valores do presente estudo são destoantes de Kim et al. (2014), que obtiveram melhor taxa de crescimento específico na cor azul do que na cor vermelha, ao cultivarem Chlorella vulgaris. O mesmo contraste foi encontrado por Das et al. (2011) que obtiveram melhor taxa de crescimento na cor azul do que na vermelha, mas no cultivo de Nannochloropsis sp., uma espécie de microalga marinha.
Para elucidar o crescimento da biomassa algal e evidenciar que o crescimento dos SSV foi causado por microalgas, segue apresentado o comportamento da clorofila a dos reatores (Figura 49). Nos fotobiorreatores vermelho e azul a clorofila a cresceu nas mesmas proporções que os SSV e foi mais expressiva no FBR vermelho, com 13,16 ± 0,68 mg L-1, em comparação com o FBR azul, com 9,34 ± 3,04 mg L-1, ambos medidas ao final do experimento. O controle não acompanhou o comportamento dos SSV e houve redução na concentração do pigmento fotossintético, partindo de uma concentração inicial de 0,90 ± 0,94 mg L-1 para 0,63 ± 0,15 mg L-1 de clorofila a ao final das 96 horas de cultivo.
Figura 49: Comportamento da clorofila a nos fotobiorreatores.
Fonte: Autor (2019).
O crescimento da tonalidade verde do meio de cultivo pode ser visualizada na Figura 50. A imagem representa o FBR A1, FBR V2 e CONTR D3 e nota-se que no controle não houve crescimento de microalgas como nos fotobiorreatores e a tonalidade verde era maior no início do controle em comparação com o final.
0 3 6 9 12 15 0 12 24 36 48 60 72 84 96 C lo ro fi la a (m g L -1) Tempo (horas) FBR azul FBR vermelho Controle
108
Figura 50: Evolução da tonalidade verde nos reatores. Da esquerda para a direita as amostras coletadas em: Efluente, zero hora, 12H, 24H, 48H, 72H, 84H, 96H. A – FBR A1; B – FBR V2 ; C – CONTR D3.
Fonte: Autor (2019)
A relação clorofila a/SSV (%) é um indicador simples que expressa o estado do cultivo, e foi de 1,40% no FBR vermelho, 1,39% no FBR azul e 0,35% no controle, todos no final do cultivo. Valores entre 1 e 1,5% indicam uma população saudável de microalgas, como nos FBR azul e vermelho, e valores abaixo de 1% não saudáveis de algas, como no controle (VELOSO et al., 1991).
Existem poucas pesquisas que avaliam clorofila em sistemas de cultivo com microalgas, e alguns são apresentados na Tabela 27. Santiago et al. (2013) avaliaram a produção de biomassa algal em duas lagoas de alta taxa e efluente de reator UASB como meio de cultivo e obtiveram relação clorofila a/SSV entre 0,95% e 1,58%, com valores médios de SSV de 124 mg L-1 e 152 mg L-1. Assemany et al. (2014) operaram seis lagoas de alta taxa para o cultivo de biomassa algal, com o mesmo efluente de reator UASB e obtiveram relação de
A
C A B
109 clorofila a/SSV variando entre 0,95% e 1,77%, com valores médios de SSV entre 95,5 mg L-1 e 148 mg L-1. Cabe destacar que os dados de Santiago et al. (2013) e Assemany et al. (2014) são ambos de sistemas open ponds (com fonte de luz solar natural), operados em sistemas de fluxo contínuo e com consórcio entre microalgas e bactérias. Tais pesquisas reforçam a prerrogativa que sistemas de cultivo em fotobiorreatores são mais eficientes para a produção de biomassa algal, pois os fotobiorreatores azul e vermelho produziram SSV de 4,4 a 9,8 vezes mais concentrado do que as lagoas de alta taxa em questão. Ferreira et al. (2017) avaliaram o crescimento de Scenedesmus obliquus e Chlorella em simbiose com bactérias com fotobiorreatores e efluente de cervejaria com injeção artificial de CO2. Ao testarem
diversos fluxos contínuos com diferentes tempos de detenção hidráulica os autores obtiveram concentrações de clorofila a variando entre 11,8 e 22,2 mg L-1, com relação
clorofila a/AFDW entre 1,8% e 3,2% (os autores utilizaram uma medida de biomassa diferente: ash-free dry weight, uma massa seca liofilizada menos a massa de cinzas inorgânicas), indicando que em fotobiorreatores há uma maior produção de clorofila por unidade de biomassa, como encontrado na presente pesquisa.
Tabela 27: Pesquisas relevantes e relação entre biomassa produzida com clorofila em diversos cultivos de microalgas.
Referência Sistema de cultivo Regime de operação Clorofila a (mg L-1) Clorofila a/SSV (%)
(SANTIAGO et al., 2013) Open pond Fluxo contínuo 1,5 – 2,1 0,95 – 1,58 (ASSEMANY et al., 2014) Open pond Fluxo contínuo 1,2 – 2,2 0,95 – 1,77 (FERREIRA et al., 2017) Fotobiorreator Fluxo contínuo 11,8 - 22,2 1,8 - 3,2(a)
Presente estudo
FBR azul Fotobiorreator Batelada 9,34 ± 3,04 1,39
FBR vermelho Fotobiorreator Batelada 13,16 ± 0,68 1,40
Controle - Batelada 0,63 ± 0,15 0,35
(a) = os autores utilizaram ash-free dry weight como medida de biomassa. Fonte: Autor (2019)
Os valores de clorofila a de Ferreira et al. (2017) acima da porcentagem considerada saudável por Veloso et al. (1991) (i.e. entre 1,0% e 1,5%) são justificadas pela exigência nutricional da microalga ser atendida, com efeito na estabilidade do cultivo de microalgas e produção de mais pigmento fotossintético a fim de aumentar o crescimento. Ademais, resultados
110 encontrados por Veloso et al. (1991) indicaram maior produção de clorofila a quando o cultivo foi suplementado com CO2, fato corroborado por Ferreira et al. (2017). Todavia, a
injeção artificial de CO2 no cultivo nos fotobiorreatores azul e vermelho pareceu não surtir
efeito relevante na porcentagem de clorofila a, possivelmente pela injeção ser realizada duas vezes ao dia e a disponibilidade de carbono variar tanto, como representado na Figura 29, referente ao comportamento do pH.
Outro fato relevante é que valores na relação clorofila a/SSV inferiores a 1% indicam colapso populacional iminente devido a um predador (VELOSO et al., 1991). Santiago et al. (2013) avaliaram duas diferentes lagoas de estabilização com a distinção de uma receber efluente com desinfecção UV e outra não. Em seus resultados, a lagoa que recebeu efluente com desinfecção obteve relação clorofila a/SSV de 1,58%, enquanto que na lagoa alimentada com efluente sem desinfecção a relação foi de 0,95%. A escolha de fazer um pré tratamento UV adotada pelo autor foi com a finalidade de reduzir a competição por alimento com as bactérias e reduzir a população de protozoários, um predador natural das microalgas, e resultou positivamente no cultivo, favorecendo as microalgas. No presente estudo foram identificados protozoários no FBR A2, com relação clorofila a/SSV de 1,32%, e ausência nos FBR A3 e FBR V3, com relação clorofila a/SSV de 1,16% e 1,45%, respectivamente (cabe realçar que a identificação das espécies foi realizada qualitativamente e no FBRV3, FBR A2, FBR A3 e inóculo apenas). Dessa forma, a presença de protozoários no FBR A2 aparentemente não influenciou no prejuízo à saúde populacional das microalgas, nem colapso por predação. Assim sendo, destaca-se nos fotobiorreatores azul e vermelho a biomassa que cresceu foi predominantemente algal: i) houve aumento do pH pelo consumo das espécies de CO2 e
carbonatos; ii) houve aumento de OD a condições de supersaturação devido a atividade de fotossíntese; iii) a clorofila a acompanhou o crescimento dos SSV, dentro do intervalo entre 1 e 1,5%. De forma diferente, o reator controle operou como um reator anaeróbio: i) o aumento do pH foi mais ameno; ii) após 9 horas de batelada o OD foi todo consumido nos três controles testados; iii) A relação entre SSV e clorofila a não indicou crescimento de microalgas; iv) a taxa de crescimento específico foi de 0,11 d-1, isto é, a biomassa duplica a cada 9,1 dias, condizente com o crescimento anaeróbico.
A Tabela 28 a seguir apresenta pesquisas relevantes do cultivo de microalgas com fotobiorreatores e foco nos indicadores de crescimento de biomassa algal. O propósito
111 imediato é comparar os resultados do presente estudo com meios de cultivo reais (efluente municipal, de suinocultura e de cervejaria) com artificiais (meios de cultivo Walne’s e Bolds Basal), além de cultivos em consórcio com bactérias ou isolados. Cabe realçar que vários outros fatores interferem na produção de biomassa algal - como disponibilidades de nutrientes, espécies, disponibilidade e fonte de carbono, intensidade luminosa, comprimento de onda, fotoperíodo, entre outros – e numa comparação minuciosa devem ser levados em consideração. Para condensar os dados e facilitar na comparação de forma mais dinâmica, seguem apresentados a Figura 51, Figura 52 e Figura 53, com foco nos SSV, produtividade de biomassa algal e taxa de crescimento específico, respectivamente. Cabe realçar que a potencialidade do uso de biomassa algal como coproduto depende, inevitavelmente, de elevada produtividade.
Como pode-se observar nas Figuras a seguir, os valores de concentração de biomassa algal, produtividade e taxa de crescimento específico são condizentes com os encontrados pelos demais autores, com algumas peculiaridades. A Figura 51 chama atenção para os elevados valores de concentração de biomassa encontrados por Zhu et al. (2013) e Atta et al. (2013), ambos no cultivo isolado de Chlorella. Tal fato pode ser explicado pela quantidade de nutrientes disponíveis no meio de cultivo ser mais elevado que os demais e permitir um maior crescimento da espécie. Ademais, as duas pesquisas foram realizadas em bateladas com duração de 13 dias por Atta et al. (2013) e 10 dias por Zhu et al. (2013), período suficiente para o cultivo atingir a fase estacionária de crescimento, isto é, limite superior da concentração de biomassa algal. Devido ao objetivo do presente estudo ser o tratamento do efluente, as bateladas operaram até a limitação da fonte de nitrogênio e o cultivo, possivelmente, poderia atingir valores mais elevados se operado durante mais tempo.
112
Tabela 28: Indicadores de crescimento de biomassa algal em fotobiorreatores.
Referência Meio de cultivo Espécie(s) (mg LSSV(a)-1) (mg LP-1 d-1) (dµ -1)
(LI et al., 2011) municipal Efluente Chlorella sp. 1060 - 1175 nd 0,48 – 0,68 (FENG; LI; ZHANG, 2011) Efluente artificial Chlorella vulgaris 280 - 890 210 - 346 nd
(FERREIRA et al., 2017) Efluente de cervejaria de tratamento anaeróbio Scenedesmus obliquus e Chlorella em simbiose com bactérias 260 - 950 78 - 217(b) 0,10 – 0,48 (SILVA et al., 2017) Efluente municipal de UASB Consórcio microalgas e bactérias 250 - 380 nd nd
(ZHU et al., 2013) suinocultura Efluente de zofingiensis Chlorella 1063 - 2962 106 - 296 0,29 – 0,49
(YAO; SHI; MIAO, 2015)
Efluente de suinocultura Chlorella sorokiniana 70 - 710 20- 109 0,10 – 0,43 Desmodesmus communis 310 - 540 55 – 90 0,32 – 0,37 Efluente municipal secundário Chlorella sorokiniana 310 - 540 88 - 133 0,64 – 1,3 Desmodesmus communis 610 - 830 128 - 205 0,41 – 1,5 (SHU et al., 2012) Meio de cultivo
Walne’s Chlorella sp. e Saccharomyces cerevisiae (b) 612 - 1442 32 – 196 0,29 – 1,08 (ATTA et al., 2013) cultivo Bolds Meio de
Basal Chlorella vulgaris 817 - 2730 nd
1,07- 1,26 Presente estudo FBR azul Efluente municipal de UASB - FBP Consórcio microalgas e bactérias 670 ± 187 129 0,37 FBR vermelho 938 ± 102 198 0,46 Controle 182 ± 46 16 0,11
(a) = como indicador de biomassa foram utilizadas várias unidades (peso seco liofilizado, peso seco liofilizado livre de cinzas, SSV), mas com a função de quantificar a biomassa produzida;
(b) = Saccharomyces cerevisiae é uma espécie de levedura; nd = não definido
113
Figura 51: Valores de concentração de biomassa das principais pesquisas com fotobiorreatores.
Fonte: Autor (2019)
Os valores de produtividade (P) e taxa de crescimento específico (µ) são melhores para comparar o crescimento da biomassa algal, pois são dados em função do tempo. A produtividade dos fotobiorreatores azul e vermelho foi próxima aos dados de Ferreira et al. (2017) e Shu et al. (2012) (Figura 52), ambas pesquisas com simbiose/consórcio entre microalgas e bactérias. Além disso, não pôde-se observar uma produtividade mais elevada em cultivos em consórcio, como defendido por Shu et al. (2012), Higgins et al. (2017) e Su, Mennerich e Urban, (2011) frente a cultivos isolados. Ademais, dados de produtividade dos fotobiorreatores azul e vermelho ora foram maiores que cultivo isolado, quando comparados com Yao, Shi e Miao (2015)(a), ora menores, quando comparados com Feng, Li e Zhang (2011). Em se tratando do meio de cultivo, o efluente de UASB-FBP utilizado na presente pesquisa sustentou uma produtividade maior no FBR vermelho do que a relatada por Shu et al. (2012), que utilizou meio de cultivo comercial. Tal fato corrobora com Cai, Park e Li (2013) e Liu e Bangert (2014), de que água residuária pode ser utilizada como meio de cultivo e reduzir os custos de produção de microalgas em larga escala.
A taxa de crescimento específica (Figura 53) é talvez o dado mais delicado para comparar com os demais estudos relevantes com fotobiorreatores devido as condições de cultivo de cada pesquisa. Embora Zhu et al. (2013) e Atta et al. (2013) tenham obtido os maiores valores de biomassa em cultivos isolado de Chlorella em batelada, a taxa de crescimento específica de Atta et al. (2013) foi mais elevada do que Zhu et al. (2013) e a presente pesquisa, que
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Controle FBR vermelho FBR azul (ATTA et al., 2013) (SHU et al., 2012) (YAO; SHI; MIAO, 2015)(b) (YAO; SHI; MIAO, 2015)(a) (ZHU et al., 2013) (SILVA et al., 2017) (FERREIRA et al., 2017) (FENG; LI; ZHANG, 2011) (LI et al., 2011)
114 tiveram valores semelhantes. O mesmo ocorre com os cultivos de simbiose/consórcio entre microalgas e bactérias, pois a taxa de crescimento específica de Ferreira et al. (2017) é bem semelhante ao do presente estudo, mas os valores de Shu et al. (2012) são maiores. De forma análoga, não existe um padrão para com os meios de cultivo artificiais de Shu et al. (2012) e Atta et al. (2013) com os demais trabalhos relevantes com fotobiorreatores que utilizam efluentes como meio de cultivo.
Figura 52: Valores de produtividade (P) das principais pesquisas com fotobiorreatores.
Fonte: Autor (2019).
Figura 53:Valores de taxa de crescimento específica (µ) das principais pesquisas com fotobiorreatores.
Fonte: Autor (2019) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Controle FBR vermelho FBR azul (SHU et al., 2012) (YAO; SHI; MIAO, 2015)(b) (YAO; SHI; MIAO, 2015)(a) (ZHU et al., 2013) (FERREIRA et al., 2017) (FENG; LI; ZHANG, 2011)
P (mg L-1 d-1) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Controle FBR vermelho FBR azul (ATTA et al., 2013) (SHU et al., 2012) (YAO; SHI; MIAO, 2015)(b) (YAO; SHI; MIAO, 2015)(a) (ZHU et al., 2013) (FERREIRA et al., 2017) (LI et al., 2011)
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