Recuperação de recursos e racionalização de energia do processamento de Scenedesmus obliquus BR003 para produção de combustíveis e alimentos

Abstract

A viabilidade de uso das microalgas como matéria prima para produção de alimentos e energia depende fortemente dos custos e eficiência energética dos processos utilizados na extração dos compostos de interesse. O objetivo deste trabalho foi avaliar os impactos do rompimento celular e da recuperação de energia pela digestão anaeróbia da biomassa residual, na melhoria da eficiência energética do processamento de Scenedesmus obliquus BR003. A cavitação hidrodinâmica (CH) apresenta-se como um método promissor para rompimento celular, devido ao baixo consumo de energia e facilidade de aumento de escala. Com a otimização dos parâmetros operacionais da CH foi possível obter rendimentos de 76,7%, 23,9% e 19,6% para extração de lipídios, proteínas e pigmentos, respectivamente, com o consumo de energia de 0,35MJ kg -1 de microalga (base seca). O consumo de energia foi 5,5, 5,3 e 4,1 vezes menor quando comparado com o rompimento por ultrassom. A digestão anaeróbia da biomassa residual permitiu um incremento de 67,5% de recuperação de energia da biomassa residual após a extração de lipídios, com uso da CH para rompimento celular. Essa rota apresentou uma razão de energia liquida (REL) positiva, indicando que o uso da cavitação hidrodinâmica para rompimento da biomassa de S. obliquus é energeticamente sustentável. Já as rotas que consideraram a extração de proteínas resultaram em menores eficiências energéticas. Contudo a microalga S. obliquus possui elevados teores de proteínas, que podem ser utilizadas para rações e alimentos, e o maior valor deste composto compensa a reduzida eficiência energética do processo. A toxicidade dos solventes na biomassa residual também foi avaliada. Na mistura dos solventes hexano e etanol, o hexano não apresentou efeito significativo, no entanto a concentração efetiva a 50% (CE 50 ) do etanol foi 3,78, 26,97 e 4,97 g L -1 , enquanto a CE 50 do acetato de etila foi 18,74, 18,02 e 5,85 g L -1 para arqueias metanogênicas, S. obliquus e sementes de alface, respectivamente. Por se tratar de um solvente verde com baixa toxicidade, o uso do acetato de etila para extração dos lipídios, permite o uso da biomassa residual para recuperação de recursos e energia. Palavras-chave: Tetradesmus obliquus. Cavitação hidrodinâmica. Razão de energia liquida (REL). Digestão anaeróbia. CE 50. Balanço de energia.

Feasibility of using microalgae as feedstock for food and energy production depends on costs and energy efficiency of processes used in compound extraction. This study evaluated impacts of cell disruption and energy recovery by anaerobic digestion of residual biomass to improve energy efficiency in processing of Scenedesmus obliquus BR003. Hydrodynamic cavitation (HC) presents as promising method for cell disruption, due to low energy consumption and facility of scale-up. With optimization of HC operational parameters, it was obtained yields of 76.7%, 23.9% and 19.6% for lipid, protein and pigment extraction, respectively, with energy consumption of 0.35MJ kg -1 . Energy consumption was 5.5, 5.3, and 4.1 times lower when compared with ultrasonic disruption. Anaerobic digestion of residual biomass resulted in a 67.5% increase in energy recovery from residual biomass after lipid extraction using HC for cell disruption. This route showed a positive net energy ratio (NER), indicating the use of hydrodynamic cavitation for disruption of S. obliquus biomass is energetically feasible. In contrast, routes considering protein extraction resulted in lower energy efficiencies. S. obliquus microalgae has high protein contents, which can be used for feed and food, and higher value of this compound offsets low energy efficiency of process. Solvent toxicity in residual biomass was also evaluated. In solvent mixture of hexane and ethanol, hexane showed no significant effect, however effective concentration at 50% (EC 50 ) of ethanol was 3.78, 26.97 and 4.97 g L - , while EC 50 of ethyl acetate was 18.74, 18.02 and 5.85 g L -1 for methanogenic archaea, S. obliquus and lettuce seeds, respectively. Ethyl acetate is environmentally suitable solvent with great potential for use in microalgae lipid extraction, enabling residual biomass to be used for resource and energy recovery. Keywords: Tetradesmus obliquus. Hydrodynamic cavitation. Net energy ratio (NER). Anaerobic digestion; EC 50 ; Energy balance.