Cultivo de microalgas para biofixação de CO2: uma estratégia para captura e conversão de carbono em biocombustíveis e/ou bioprodutos

dc.contributor.advisorBraga, Renata Martinspt_BR
dc.contributor.advisor-co1Melo, Marcus Antonio de Freitas
dc.contributor.authorCalixto, Guilherme Quintelapt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2750389852125881
dc.contributor.referees1Oliveira, Karine Fonseca Soares de
dc.contributor.referees2Sassi, Cristiane Francisca da Costa
dc.contributor.referees3Melo, Vítor Rodrigo de Melo e
dc.date.accessioned2025-12-18T23:06:11Z
dc.date.available2025-12-18T23:06:11Z
dc.date.issued2025-01-14
dc.description.abstractThe increasing atmospheric CO₂ concentrations due to human activities have led to the search for alternative CO₂ capture sources, including microorganisms such as microalgae. Studies have shown the effect of carbon dioxide concentration on microalgae growth, even when using residual CO₂ from industries such as cement production, which accounts for more than 6% of global CO₂ emissions. The objective of this study is to evaluate the effect of different CO₂ concentrations on the cultivation of two microalgae strains: Chlorella sp and Spirulina platensis, in order to identify their CO₂ biofixation capacity, potential high-value bioproducts, and system scalability. The microalgae were cultivated in commercial culture media – BG11 (Adapted) for Chlorella and Zarrouk (Adapted) for Spirulina – under different CO₂ concentrations (v/v) (0.04%, 5%, 10%, and 15%). The microalgae were characterized through proximate analysis (ash content, moisture, volatiles, and fixed carbon), elemental analysis (CHNO), thermogravimetric analysis (TGA), X-ray fluorescence (XRF) of the ashes, lipid content, protein content, and both conventional and catalytic analytical pyrolysis. Additionally, during cultivation, daily data on dry biomass and pH were collected. The results indicate that both microalgae achieved the highest biomass yield at 10% CO₂ (v/v), reaching 1.25 g L⁻¹ for Chlorella and 2.15 g L⁻¹ for Spirulina. Despite the high ash content due to the flocculation method, Chlorella exhibited greater potential for biofuel production due to its high lipid content (21.7%) compared to Spirulina (11.2%). Conventional pyrolysis revealed a high amount of oxygenated (>25%) and nitrogenated (>20%) compounds for both microalgae, which were predominantly converted (>90%) into aromatic compounds and hydrocarbons after the use of the HZSM-5 catalyst in the thermochemical conversion process. The system scalability analysis for photobioreactors (80 L) demonstrated economic feasibility when supplemented with an external CO₂ source, making it possible to achieve a self-sufficient system considering only the raw microalgae sale price. This approach can significantly contribute to CO₂ emissions mitigation and the development of a renewable carbon-based economy.
dc.description.resumoO crescente aumento nas concentrações de CO2 da atmosfera devido as ações humanas tem levado a busca por fontes alternativas de captura de CO2, incluindo microrganismos, como as microalgas. Estudos mostram o efeito da concentração de dióxido de carbono no crescimento de microalgas, e até mesmo utilizando CO2 residual de indústrias. O objetivo desse estudo é avaliar o efeito de diversas concentrações de CO2 no cultivo de duas cepas de microalgas: Chlorella sp e Spirullina platensis, para identificar suas capacidades de biofixação de CO2, possíveis bioprodutos de alto valor agregado, e escalonamento do sistema. As microalgas foram cultivadas em meios de cultivo comercial similares ao BG11 para a Chlorella e Zarouk para a Spirulina – sob diferentes concentrações (v/v) de CO2 (0,04%, 5%, 10%, e 15%). As microalgas foram caracterizadas por análise imediata (teor de cinzas, umidade, voláteis e carbono fixo), análise elementar (CHNO), análise termogravimétrica (TGA), FRX das cinzas, teor de lipídeos, teor de proteínas, e pirólise analítica convencional e catalítica. Além disso, durante o cultivo, foram coletados dados de massa seca e pH diariamente. Os resultados mostram que ambas as microalgas atingiram um maior rendimento na concentração de 10% CO2 (v/v), de 1,25g L-1 para a Chlorella e 2,15 g L-1 para a Spirulina. Apesar do alto teor de cinzas devido ao método de floculação, a Chlorella apresentou um maior potencial para a produção de biocombustíveis devido ao seu alto teor de lipídeos (21.7%) quando comparado a Spirulina (11.2%). A pirólise convencional apontou uma elevada quantidade de compostos oxigenados (>25%) e nitrogenados (>20%) para ambas as microalgas, que foram convertidos majoritariamente (mais de 90%) em compostos aromáticos e hidrocarbonetos após utilização do catalisador HZSM-5 no processo de conversão termoquímica. A análise do escalonamento do sistema para fotobiorreatores (80L) se mostrou economicamente viável com a utilização de uma fonte externa de CO2, sendo possível obter um sistema autossuficiente considerando apenas o preço de venda da microalga bruta. Essa abordagem pode contribuir significativamente para a mitigação das emissões de CO₂ e para o desenvolvimento de uma economia baseada em carbono renovável.
dc.identifier.citationCALIXTO, Guilherme Quintela. Cultivo de microalgas para biofixação de CO2: uma estratégia para captura e conversão de carbono em biocombustíveis e/ou bioprodutos. Orientadora: Dra. Renata Martins Braga. 2025. 141f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/67276
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Norte
dc.publisher.countryBRpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectMicroalga
dc.subjectBiofixação de CO2
dc.subjectCaptura e conversão de carbono
dc.subjectBiocombustíveis
dc.subjectBioprodutos
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA
dc.titleCultivo de microalgas para biofixação de CO2: uma estratégia para captura e conversão de carbono em biocombustíveis e/ou bioprodutos
dc.title.alternativeCO2 biofixation through cultivation of microalgae as strategy for carboncapture and conversion in biofuel and bioproducts
dc.typedoctoralThesispt_BR

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