Ozone application in microalgae cultivation effluent to recycle water and nutrients

Abstract

Microalgae are microorganisms with high photosynthetic efficiency and capacity of production of oil and biomass far superior to any vascular plant. The production of biodiesel from microalgae still presents limitations to become an economically viable process, such as the high consumption of water and nutrients. Alternatively, ozone gas can be used, as a disinfection agent, which can make possible the reuse of water and nutrients of crops. Ozone has a high potential for oxidation, so it has been used in water and effluent treatment processes. Its high oxidative potential allows the conversion of some organic compounds, non-assimilable by microalgae or even toxic, into nutrients, such as organic acids and amino acids. The objective of this research was to investigate if the treatment with the ozone gas is able to make possible the reuse of water and also nutrients of the crops. For such, a review was first made on the reaction mechanisms of the ozone gas and the culture medium of microalgae. Afterwards, treatments with the following microalgae lineages were carried out: Chlorella sp. BR001, Scenedesmus sp. BR003 and Chlamydomonas sp. CC503, in which the culture supernatant was ozonized, with and without the presence of defatted biomass, to evaluate its effect on water, nutrients and organic compounds. The ozonation was able to discolor the supernatant, which indicates the possibility of its reuse since it improves the penetration of the light for the autotrophic cultures. The analysis of the nutrients showed that there was a significant increase in phosphorus and nitrogen, with the defatted biomass. Variations in carbohydrate and total soluble amino acid concentrations demonstrated that there was a significant increase for both ozone treatments, whether or not the free lipid biomass was added, suggesting that the ozone generated carbohydrates and soluble amino acids from stored carbohydrates and proteins of the cell. To verify the observed results, a new experiment was performed, in which the microalgae were grown in the culture supernatant, treated with ozone. The following culture treatments were carried out: control treatment, in which the lineages were cultivated in culture medium; treatments T1 and T2 in the culture supernatant; treatments T3 and T4 in the culture supernatant, after treatment with O 3 , without and with addition of nutrients; T5 and T6 treatments in the culture supernatant added with the lipid-free biomass and after treatment with O 3 , without and with addition of xinutrients; and T7 treatment in the culture supernatant, treated with activated charcoal and with added nutrients. Concentrations, in dry mass, of the cultures and the concentrations of carbohydrates, proteins and total soluble amino acids were determined. It was concluded that there was no inhibition of the cultivation in any of the treatments and that the ozone treatment of the supernatant, added with residual lipid-free biomass, presented higher dry mass concentration in the Chlorella sp. BR001 and Chlamydomonas sp. CC503. The treatments of the supernatant with ozone, added or not of defatted biomass and, added or not of nutrients, of the lineages Scenedesmus sp. BR003 and Chlamydomonas sp. CC503, presented the highest mean carbohydrate concentration. Ozone treatment of the supernatant in the three tested lineages presented the highest mean protein concentration. The treatments of the ozonated supernatant with defatted biomass, added or not of nutrients, of the lineages Scenedesmus sp. BR003 and Chlamydomonas sp. CC503, showed the highest averages of amino acid concentration. The results obtained suggest that the ozonated supernatant with lipid-free biomass and nutrient addition (T6-SOBN) presented the best averages in all analyzes, especially in the Chlamydomonas sp CC503 lineage. New studies should be conducted in order to find the best growth medium, reusing water and all compounds of interest, to optimize the cultivation of microalgae aiming at the production of biofuels.

Microalgas são microrganismos com elevada eficiência fotossintética e produção de óleo e biomassa muito superior a qualquer planta vascular. A produção de biodiesel a partir de microalgas ainda apresenta limitações para que o processo seja economicamente viável, destacando-se o elevado consumo de água e nutrientes. Uma alternativa para esta situação é a utilização do gás ozônio, como agente de desinfecção, podendo viabilizar a reutilização da água e também de nutrientes dos cultivos. O ozônio possui um elevado potencial de oxidação, por isso, vem sendo utilizado em processos de tratamento de água e de efluentes. Seu elevado potencial oxidativo permite a conversão de alguns compostos orgânicos, ora não assimiláveis pelas microalgas ou até mesmo tóxicos, em nutrientes, tais como ácidos orgânicos e aminoácidos. O objetivo desta pesquisa foi investigar se o tratamento com o gás ozônio é capaz de viabilizar a reutilização da água e também de nutrientes dos cultivos. Para isso, primeiramente foi realizado uma revisão sobre os mecanismos de reação do gás ozônio e o meio de cultura de microalgas. Em seguida, foram realizados tratamentos com seguintes linhagens de microalgas: Chlorella sp. BR001, Scenedesmus sp. BR003 e Chlamydomonas sp. CC503, em que o sobrenadante de cultivo foi ozonizado, com e sem a presença da biomassa desengordurada, para avaliar seu efeito sobre a água, nutrientes e compostos orgânicos. A ozonização foi capaz de descolorir o sobrenadante, o que indica a possibilidade de seu reuso pois melhora a penetração da luz para os cultivos autotróficos. As análises dos nutrientes demonstraram que houve um incremento significativo de fósforo e nitrogênio, com a biomassa desengordurada. As variações nas concentrações de carboidratos e aminoácidos solúveis totais demonstraram que houve um incremento significativo para ambos tratamentos com ozônio, acionando-se ou não a biomassa livre de lipídeos, o que sugere que o ozônio gerou carboidratos e aminoácidos solúveis a partir dos carboidratos de reserva das células e proteínas. Para verificar os resultados observados, foi realizado um novo experimento, em que as microalgas foram cultivadas no sobrenadante de cultivo, tratado com ozônio. Foram realizados os seguintes tratamentos de cultivo: tratamento controle, em que as linhagens foram cultivadas em meio de cultura, tratamentos T1 e T2 no sobrenadante do cultivo, tratamentos T3 e T4 no sobrenadante de cultivo, após tratamento ixcom O 3 , sem adição e com adição de nutrientes, tratamentos T5 e T6 no sobrenadante de cultivo juntamente com a biomassa isenta de lipídeos e após tratamento com O 3 , sem adição e com adição de nutrientes e tratamento T7 no sobrenadante do cultivo, tratado com carvão ativado e com adição de nutrientes. Foram determinadas as concentrações, em massa seca, dos cultivos e as concentrações de carboidratos, proteínas e aminoácidos solúveis totais. Concluiu-se que não houve inibição do cultivo, em nenhum dos tratamentos, e que o tratamento com ozônio do sobrenadante, adicionado de biomassa residual livre de lipídeos, apresentou maiores médias de concentração de massa seca, nas linhagens Chlorella sp. BR001 e Chlamydomonas sp. CC503. Os tratamentos do sobrenadante com ozônio, adicionado ou não de biomassa desengordurada e, adicionado ou não de nutrientes, das linhagens Scenedesmus sp. BR003 e Chlamydomonas sp. CC503, apresentaram as maiores médias de concentração de carboidratos. O tratamento com ozônio do sobrenadante, nas três linhagem testadas, apresentarou as maiores médias de concentração de proteínas. Os tratamentos do sobrenadante ozonizado com biomassa desengordurada, adicionado ou não de nutrientes, das linhagens Scenedesmus sp. BR003 e Chlamydomonas sp. CC503, apresentaram as maiores médias de concentração de aminoácidos. Os resultados obtidos sugerem que o tratamento do sobrenadante ozonizado com biomassa livre de lipídeos e com adição de nutrientes (T6-SOBN), apresentou as melhores médias em todas as análises realizadas, principalmente na linhagem Chlamydomonas sp. CC503. Novos estudos devem ser realizados, a fim de encontrar o melhor meio de crescimento, reaproveitando água e todos os composto de interesse, para otimizar o cultivo de microalgas vizando a produção de biocombustíveis.