Design and construction of an experimental modular flat plate air lifting photo-bioreactor for microalgae growth study and efficient high quality biomass production

• Grant number: 19/04140-8
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Innovative Research in Small Business - PIPE
• Start date: March 01, 2019
• End date: November 30, 2019
• Field of knowledge: Engineering - Mechanical Engineering - Mechanical Engineering Design
• Principal Investigator: Oswaldo Urbani Filho
• Grantee: Oswaldo Urbani Filho
• Company: Oswaldo Urbani Filho
• CNAE: Fabricação de máquinas e equipamentos para uso industrial específico não especificados anteriormente
• Associated research grant: 17/11949-2 - Design and construction of an experimental modular flat plate air lifting Photobioreator for microalgae growth study and efficient high quality biomass production, AP.PIPE

Abstract

Há mais de um século as microalgas têm sido utilizadas como fonte de alimentação humana, fertilizantes, ração animal e uma variedade de compostos e pigmentos de alto valor agregado para uso farmacológico, cosmético e medicinal. Somente nas quatro últimas décadas, a produção de microalgas tornou-se também uma potencial fonte renovável de energia, utilizada na fabricação de biocombustíveis, na fixação de gases do efeito estufa (CO2), além de produção de oxigênio (O2) e hidrogênio (H2). A partir de então, o interesse pelo conhecimento biotecnológico sobre estes micro-organismos, bem como os meios mais eficientes de cultiva-los, passou a atrair a atenção de autoridades governamentais, organismos de proteção ambiental e também o interesse comercial de empresas em todo o mundo. A grande potencialidade das microalgas reside no fato de que elas são organismos unicelulares de estrutura biológica simples e seu processo de desenvolvimento é muito rápido, baseado na captura do elemento carbono (C) através da fotossíntese. Este processo utiliza a luz solar como fonte de energia para fixação de dióxido de carbono (CO2), além de outros nutrientes e liberação principalmente de oxigênio (O2). Atualmente o cultivo de microalgas para produção de energia é realizado através de fotobioreatores (FBR) fechados e abertos, sendo este último responsável por 80% do total da biomassa produzida em função principalmente de seu baixo custo de fabricação e operação. Embora haja predominância dos FBRs abertos, principalmente em função de seu baixo custo, os FBRs fechados são os equipamentos com o maior potencial para estudo do cultivo de microalgas, bem como para produção de biomassa de alta qualidade tanto a nível experimental como em escala industrial tendo como principal objetivo a produção de bio-derivados de alto valor agregado para uso humano. Seu potencial, reside no fato de que a cultura pode se desenvolver através de um ambiente asséptico, com condições controladas de cultivo, livre da contaminação de agentes externos e sem que haja perda por evaporação da água para a atmosfera. O principal desafio para o projeto de um FBR fechado é que ele tenha um custo adequado face à sua produtividade volumétrica (PV)- [gL-1d-1] e sua produtividade por área iluminada da superfície do reator (PSI) [gm-2d-1], ou seja que ele tenha uma elevada eficiência fotossintética (EFS) usualmente expressa em [¼Em-2d-1] [1]. Como premissa, o FBR proposto neste projeto PIPE, denominado EVONi PBR-FPA 7L, será direcionado para o uso experimental específico em laboratórios de estudos nas universidades e centros de pesquisa nacionais de biotecnologia e bioengenharia, sendo apresentado ao mercado como uma alternativa competitiva quando comparado a produtos similares nacionais e importados. A proposta e diferenciação do produto para o mercado é que ele reúna em um mesmo projeto alta eficiência fotossintética, alto rendimento volumétrico, baixo custo de fabricação e operação e baixo consumo de energia. Somam-se ainda outras características importantes como ter um sistema de controle simples multivariáveis, que permita seu uso para estudo de diferentes espécies de microalgas, ter capacidade de reutilização do reator através de sua fácil limpeza e possibilidade de reesterelização em autoclave ou atmosfera ozonizada, além de alta disponibilidade para manutenção do experimento em caso de corte de energia. Dotado de um vaso modular plástico de construção inovadora com simetria bipartida e capacidade de até 7 litros, o EVONi PBR-FPA 7L terá geometria do tipo placas planas verticais com sistema de câmaras no formato de colmeias além de um sistema de agitação e circulação do meio de cultura gerado por aspersão ascendente de gases. A iluminação será inicialmente artificial, efetuada por sistema LEDs Light Emitting Diode, podendo ser futuramente utilizado com luz solar em modelos com maior área iluminada e maior capacidade volumétrica. (AU)