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Sistema laminar de cultivo de microalgas – SLCA

Sistema laminar de cultivo de microalgas – SLCA
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Henrique César Venâncio
Eng. de Aquicultura (UFSC)
Estudante de Mestrado
PPGAQI/UFSC
henrcesar@gmail.com
 
Rafael Garcia Lopes
Biólogo (UFSC)
Mestre e Doutor em Biotecnologia e Biociências (UFSC)
rafael.lopes@ufsc.br
 
Prof. Dr. Roberto Bianchini Derner
Supervisor do Laboratório de Cultivo de Algas (LCA)
Departamento de Aquicultura (AQI), Centro de Ciências Agrárias (CCA)
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
roberto.derner@ufsc.br

 

As microalgas são a base de diversas cadeias tróficas nos ambientes aquáticos, e esta característica tem sido explorada em sistemas de produção aquícola voltados à reprodução, larvicultura e engorda de espécies de interesse comercial (peixes, camarões e moluscos, por exemplo). Visando atender esta demanda – principalmente em relação à nutrição dos animais na etapa de larvicultura, mas também considerando a manutenção da qualidade da água nos tanques de cultivo -, a maioria dos empreendimentos executa seus próprios cultivos de microalgas.

Salvo raríssimas exceções, nestes empreendimentos os tanques para o cultivo de microalgas foram implantados pensando em termos de volume de produção, enquanto deveriam ter sido usados conceitos de engenharia e de fotobiologia na construção destes sistemas, sempre visando alcançar elevadas produtividades e a otimização dos custos. Estes cultivos tradicionais têm sido desenvolvidos em diversos tipos de tanques (Sistemas Abertos), nos quais, quase que exclusivamente as culturas são mantidas em metabolismo fotoautotrófico e com aplicação do Método Estacionário, sendo que, estes podem ser considerados de baixa eficiência, uma vez que somente permitem que as culturas alcancem baixas densidades celulares (ou pequena biomassa), bem como demandam grandes volumes de água tratada e de nutrientes – que muitas vezes não são integralmente assimilados pelas microalgas. Além disso, por conta da escassa biomassa (baixa densidade celular), as culturas ficam mais vulneráveis à contaminação microbiana (bactérias, fungos, protozoários e até outras microalgas). Os nutrientes residuais do meio de cultura, bem como, os possíveis contaminantes microbianos, podem acarretar problemas aos animais que serão alimentados com estas culturas de qualidade discutível.

“Qual a razão de não serem alcançadas elevadas densidades celulares nas culturas desenvolvidas nos sistemas tradicionais de cultivo de microalgas?”

A questão fundamental é: qual a razão de não serem alcançadas elevadas densidades celulares nas culturas desenvolvidas nos sistemas tradicionais de cultivo de microalgas? É importante ressaltar que diversos fatores físicos, químicos e biológicos interagem e influenciam o crescimento – e a composição bioquímica – das microalgas, mas, como se tratam de cultivos fotoautotróficos, a resposta mais precisa é: falta de luz para as células microalgais realizarem (individualmente) a fotossíntese com eficiência. O fato é que a maioria dos tanques tem profundidade, diâmetro, ou espessura (passo óptico) muito além daquela em que a luz pode penetrar na cultura. Fenômeno que é agravado quanto maior a densidade celular, uma vez que as células da superfície iluminada fazem sombra (autossombreamento) para aquelas células que estão (momentaneamente) no interior da cultura. Nos empreendimentos aquícolas é muito comum que os tanques iluminados por cima tenham profundidades até maiores do que 100 cm, ou que os cilindros ou bolsas plásticas, iluminados lateralmente, tenham até mais de 50 cm de raio. Neste caso, como a luz penetra somente alguns poucos centímetros, a maior parte da cultura – e consequentemente das células microalgais – se encontra em condições limitadas de luz e, em alguns casos até no escuro (zona afótica), assim a fotossíntese é limitada, e consequentemente o crescimento da cultura é pequeno ou inexistente, impossibilitando que seja alcançada elevada densidade celular ou biomassa. Cabe esclarecer que o aumento da irradiância e/ou da agitação das culturas têm pequeno efeito nestes sistemas tradicionais de cultivo.

Visando o aprimoramento dos sistemas de cultivo de microalgas, diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas, algumas particularmente focadas no estudo da relação da Superfície Iluminada pelo Volume da Cultura (Razão S/V). Para melhor compreensão, em um tanque cúbico com área superficial iluminada de 1 m2 e profundidade de 1 m temos um volume de 1 m3, assim, a Razão S/V é igual a 1, enquanto que em fotobiorreatores a Razão S/V pode chegar a 200, permitindo alcançar produtividades muito elevadas. É correto afirmar que o desenvolvimento destes sistemas de cultivo superintensivo implica em muitos estudos: engenharia, fotobiologia, dissolução dos gases e dos nutrientes na coluna d’água, fisiologia das microalgas etc.

No Laboratório de Cultivo de Algas – LCA, da Universidade Federal de Santa Catarina, diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com foco na concepção e na implementação de cultivos superintensivos de microalgas, que poderão ser implantados em novos empreendimentos aquícolas ou em substituição aos sistemas de baixa produtividade. No LCA/UFSC foi implantado um Sistema Laminar de Cultivo de Microalgas (SLCA), adaptado de modelos europeus denominados “Thin-layer cascade systems”, onde a principal característica é a elevada Razão S/V. Desde os testes iniciais no SLCA, em 2016, foi comprovada a possibilidade de ser alcançada biomassa (ou densidade celular) de até 200 vezes superior àquela obtida nos tanques do próprio Laboratório. Para fins de comparação, culturas em tanques tradicionalmente empregados em aquicultura alcançam biomassa entre 0,05 e 0,1 g L-1 em peso seco e, isto corresponde a aproximadamente 150 x 104 cel. mL-1 de Chaetoceros muelleri, ou 2.500 x 104 cel. mL-1 de Nannochloropsis oculata. No SLCA, culturas de algumas espécies de microalgas têm alcançado até 3 g L-1 pela aplicação do método estacionário, e até 20 g L-1 em batelada alimentada. Em outras palavras, os 300 L do SLCA, quando operado pelo método estacionário, correspondem a 9.000 L de culturas produzidas nos tanques.

O SLCA implantado no Laboratório de Cultivo de Algas (Figura 1) consiste de duas plataformas inclinadas (vidro temperado), onde o fluxo da cultura é constante e regulado (bombas submersas com ajuste da vazão). O SLCA tem um sistema de monitoramento automatizado em tempo real (APEX –  Neptune Systems) do pH, da temperatura e da radiação fotossinteticamente ativa (“PAR”) e que permite o controle do pH da cultura pela injeção de CO2 sob demanda. Além dos parâmetros medidos de forma automática, e visando a modelagem matemática e o estabelecimento das relações entre os fatores físicos, químicos e biológicos envolvidos no processo de cultivo, são amostrados diariamente: densidade celular (para determinar as distintas fases da curva de crescimento), biomassa, turbidez, oxigênio disolvido, clorofila (indicativo do estado fisiológico das células – fotoinibição, por exemplo), concentração de N e P (para determinar a assimilação dos nutrientes e a reposição destes quando necessária).

Os resultados obtidos nas culturas desenvolvidas no SLCA da UFSC indicam a superioridade deste sistema de cultivo em relação à produção das microalgas em tanques, sendo que estes também foram superiores a muitos resultados reportados na literatura em cultivos desenvolvidos em fotobiorreatores. As pesquisas realizadas no Laboratório de Cultivo de Algas estão em processo de publicação e os interesses estão voltados à implantação de outro SLCA, com maior volume, nos ajustes das condições no processo de cultivo, no estabelecimento e na comparação dos custos de implantação e de operação, bem como nos testes para identificar as espécies de microalgas que podem ser cultivadas neste sistema de produção.

“Os resultados obtidos nas culturas desenvolvidas no SLCA da UFSC indicam a superioridade deste sistema de cultivo em relação à produção das microalgas em tanques”

Figura 1. Sistema Laminar de Cultivo de Microalgas (SLCA) implantado no Laboratório de Cultivo de Algas – LCA, da Universidade Federal de Santa Catarina. © Roberto Bianchini Derner