Processo integrado de eletrocoagulação e cultivo mixotrófico de Desmodesmus subspicatus em vinhaça de cana-de-açúcar

Abstract

Brazil is the largest sugarcane ethanol biofuel producer of the world. The productive process generates a considerable quantity of vinasse, its main wastewater. Therefore, the vinasse disposal is one of the major challenges involved in the ethanol production. Although fertirrigation is permitted by environmental legislation, such volume is limited and the remaining vinasse needs to be treated for its disposal into the environment. Microalgae cultivation has been considered a promising vinasse treatment, because its biomass could be an interesting source of valuable bioproducts. However, due to the physicochemical characteristics of vinasse (high turbidity and acid pH), it would be advantageous to perform a pretreatment process in order to adequate the effluent as a culture medium and to allow better light incidence in it. By this way, the objective of the research was to evaluate the integrated process of electrocoagulation with subsequent Desmodesmus subspicatus microalgae mixotrophic culture in sugarcane vinasse. For this purpose, several electrocoagulation experiments were carried out with raw vinasse in a laboratory electrolytic reactor, evaluating the influence of the electrode material (aluminum or iron), spacing between plates (1-3 cm), current density (2.2-20.0 mA cm-2), agitation (0-680 rpm) and sludge separation method (sedimentation or filtration). The electrocoagulation results indicated high turbidity removal and pH adequation, from initially acid vinasse (vinasse pH ≈ 4) to values up to standard BG11 medium (BG11 pH ≈ 7.4) in all experimental conditions, which allowed direct culture of D. subspicatus without any additional treatment. At optimized conditions (aluminum electrodes spaced 1 cm, 6.1 mA cm-2 and 430 rpm) and using filtration for sludge separation, it was obtained 99.8, 40.3 and 55.5 turbidity, total organic carbon and total nitrogen removal. It was dosed dosage of 1.6 g L-1 of Al+3 by the electrolysis, which represented an electric consumption of 8.0 kWh m-3 and a process cost of R$ 14.10 m-3. The cultivation of D. subspicatus in the pre-treated vinasse showed better results using aluminum electrodes in relation to iron. The vinasse clarification achieved by the electrocoagulation process potentiated the microalga growth, achieving a higher productivity in mixotrophic cultivation (10.0 x106 cell mL-1 day-1) than heterotrophic cultivation (3.5 x106 cell mL-1 day-1). The total organic carbon and total nitrogen removal reached by the integrated process was 69.6 and 80.9%, respectively. The biomass characterization showed a lipid and protein content of 8.6 and 25.3%, respectively. It was obtained high lipid and protein productivities (75.3 and 208.2 mg L-1 day-1, respectively). Therefore, it was concluded that the integrated electrocoagulation process with subsequent D. subspicatus mixotrophic cultivation in sugarcane vinasse was technically feasible and would allow microalgae biomass, lipids and proteins production, and simultaneously, vinasse treatment.

Brasil es el principal productor de etanol combustible a partir de caña de azúcar del mundo. El proceso productivo genera cantidades considerables de vinaza como agua residuária. Debido al elevado volumen, la disposición del efluente es un gran desafío para la industria sucroalcoholera. Aunque la disposición de la vinaza in natura en el suelo es permitida por la legislación ambiental en forma de fertirigación, tal volumen es limitado y el excedente necesita ser tratado para su disposición en el ambiente. Entre las alternativas de tratamiento se encuentra el cultivo de microalgas, a través del cual sería posible generar una nueva fuente de ingresos para el sector, ya que la biomasa microalgal es una fuente prometedora de bioproductos de interés comercial. Sin embargo, debido a las características físico-químicas de la vinaza (elevada turbidez, pH ácido) seria ventajoso realizar un pre-tratamiento a fin de adecuar el efluente como medio de cultivo y permitir una mejor incidencia luminosa en él. Por tanto, el objetivo de la investigación fue evaluar el proceso integrado de electrocoagulación con posterior cultivo mixotrófico de la microalga Desmodesmus subspicatus en vinaza de caña de azúcar. Se realizaron diversos experimentos de electrocoagulación con vinaza in natura, evaluando la influencia del material de los electrodos (aluminio o hierro), espaciamiento entre placas (1-3 cm), densidad de corriente (2,2-20,0 mA cm-2), agitación (0-680 rpm) y el método de separación del lodo generado (sedimentación o filtración). Los resultados de la electrocoagulación indicaron una elevada remoción de turbidez y adecuación del pH de la vinaza inicialmente ácido (pHvinaza ≈ 4) hasta valores similares al medio estándar BG11 (pHBG11 ≈ 7,4), lo que permitió el cultivo mixotrófico de D. subspicatus sin ningún tratamiento adicional. En las condiciones optimizadas (electrodos de aluminio espaciados 1 cm; 6,1 mA cm-2; 430 rpm) y empleando filtración como técnica de separación del lodo generado, se obtuvo 99,8% de remoción de turbidez, además de 40,3 y el 55,5% de remoción de carbono orgánico y nitrógeno total del efluente, respectivamente, con la dosificación de 1,6 g L-1 de Al+3 por la electrólisis, con consumo eléctrico de 8,0 kWh m-3 y un costo del proceso de R$ 14,10 m-3. El cultivo de D. subspicatus en la vinaza pre-tratada mostró mejores resultados usando electrodos de aluminio, en relación al hierro en la electrocoagulación. La clarificación previa potencializó el crecimiento de la microalga, logrando una mayor productividad en el cultivo mixotrófico (10,0x106 cel mL-1 día-1) en relación al heterotrófico (3,5x106 cel mL-1 día-1). La remoción de carbono orgánico y nitrógeno total alcanzada por el proceso integrado fue 69,6 y 80,9%, respectivamente. La caracterización de la biomasa obtenida mostró un contenido de lípidos y proteína de 8,6 y 25,3%, respectivamente, registrándose productividades lipídica y proteica de 75,3 y 208,2 mg L-1 día-1, respectivamente. Por tanto, se concluyó que el proceso integrado de electrocoagulación con posterior cultivo mixotrófico de la microalga D. subspicatus en vinaza de caña de azúcar es viable técnicamente y permitiría obtener producción de biomasa, lípidos y proteínas microalgales, y paralelamente, tratamiento del efluente.