Bioetanol

O bioetanol, sendo um combustível limpo e renovável, é considerado uma boa alternativa para substituir o petróleo (Mussatto et al. 2010; Bai et al. 2008). Embora a energia equivalente de etanol seja 68 % inferior ao combustível de petróleo, a combustão do etanol é mais limpa (porque contém oxigénio). Por conseguinte, a emissão de substâncias tóxicas é inferior (Krylova et al. 2008). O uso de bioetanol como combustível de transporte também pode ajudar a reduzir a

formação de CO2, por substituir a utilização dos combustíveis fósseis, e pela reciclagem do CO2

lançado. Ao usar o bioetanol em vez de combustíveis fósseis, as emissões resultantes da utilização de combustíveis fósseis são evitadas.

A queima de etanol em vez da queima de gasolina reduz as emissões de carbono em mais de 80 %, enquanto elimina inteiramente a libertação de chuva ácida causada pelo dióxido de enxofre (Lashinky & Schwartz 2006).

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O uso de etanol como combustível de automóveis tem uma longa história. Os primeiros protótipos de motores de combustão interna construídos no século XIX por Samuel Morey em 1826 e por Nicholas Otto em 1876 foram construídos de forma a ser possível usar etanol como combustível (Demirbas et al. 2009). O primeiro carro produzido por Henry Ford em 1896 podia usar etanol puro como combustível e em 1908 o Ford Modelo – T, primeiro carro manufaturado em série, era um veículo flexível, disponível para a utilização de etanol como combustível, da mesma forma que também podia usar gasolina ou qualquer mistura de ambos.

O uso de bioetanol para combustível foi utilizado de forma generalizada na Europa e nos Estados Unidos até ao início do ano 1900. Após a Primeira Guerra Mundial, houve uma diminuição na demanda por etanol, porque se tornou mais caro para produzir do que o combustível à base de petróleo, no entanto, houve um interesse (por exemplo, da General Motors Corporation e DuPont) em etanol como agente antidetonante (ou seja, aumento de octanagem) e como possível substituto para combustíveis derivados do petróleo (Demirbas et al. 2009; Balat & Balat 2009; Solomon et al. 2007).

O desejo de promover a produção e o uso de bioetanol recomeçou no início de 1980, em grande parte para revitalizar o setor agrícola num momento de excesso de oferta de produtos agrícolas (Johnson & Rosillo-Calle 2007). Os Estados Unidos refizeram a sua indústria de combustível de etanol, e são hoje em dia líderes mundiais na sua produção e uso (Mussatto et al. 2010).

Atualmente o etanol é o principal biocombustível utilizado no mundo e seu uso está cada vez mais generalizado, as perspetivas mundiais são a expansão da produção e do consumo de etanol (Mussatto et al. 2010).

A produção de etanol tem aumentado em todo o mundo desde a crise do petróleo em 1970. O seu mercado cresceu desde menos de mil milhões de litros em 1975 para mais de 39 mil milhões de litros em 2006, e espera-se chegar a 100 mil milhões de litros no presente ano (2015) (Licht 2006). O continente americano é o maior produtor mundial de etanol, com os Estados Unidos e o Brasil representando um papel importante neste setor.

Certas espécies de microalgas têm capacidade de produzir altos níveis de carbohidratos em vez de lípidos como polímeros de reserva. Estas espécies são candidatas ideais para a produção de bioetanol, uma vez que os hidratos de carbono das microalgas podem ser extraídos para produzir açúcares fermentáveis. Estimou-se que aproximadamente entre 46,760 - 140,290 L

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ha-1 de etanol podem ser produzidos a partir de microalgas (Cheryl 2008). Este rendimento é

bastante maior do que o que se obtém para produções com outras matérias-primas.

Mesmo Panicum virgatum (“switchgrass”), considerado o biocombustível celulósico da

segunda geração de biocombustíveis, atinge rendimentos de produção de etanol que são apenas uma fração dos rendimentos atingidos por microalgas.

Chlorella vulgaris, particularmente, tem sido considerada como uma matéria-prima promissora para a produção de bioetanol, porque consegue acumular até 37 % (peso seco) de amido (Hirano et al. 1997). Em condições climáticas favoráveis, podem ser alcançados rendimentos entre 80 - 100 t de biomassa seca de Chlorella por ha, para um tempo de cultura de

300 dias (Doucha & Lívanský 2009). Segundo esses autores a estirpe Chlorella sp. é capaz de

acumular amido até 70 % de peso seco de algas sob condições de supressão de síntese de proteínas.

A produção de etanol é geralmente realizada em três passos: (1) obtenção de uma solução de açúcares fermentáveis, (2) fermentação dos açúcares em etanol, (3) separação do

etanol e purificação, geralmente por destilação - retificação – desidratação (Demirbas 2005). O

passo anterior à fermentação, para obtenção de açúcares fermentáveis, constitui a principal diferença entre os processos de produção de etanol a partir de açúcares simples, amido ou material lignocelulósico.

A produção de etanol a partir de microalgas pode ser realizada de acordo com o seguinte procedimento (Figura 3). Na primeira etapa, o cultivo de microalgas usando a energia da luz solar é realizado em tanques abertos ou cobertos (open or covered ponds) ou em fotobiorreatores fechados, com base tubular, placa plana ou outros designs. Na segunda etapa, a biomassa tem de ser concentrada por um fator inicial de pelo menos cerca de trinta vezes, requerendo, desta forma, processos de colheita de baixo custo. Após a colheita, o amido microalgal é extraído das células com o auxílio de um dispositivo mecânico ou através da utilização de enzimas. Após a extração do amido, as enzimas amilolíticas são utilizadas para promover a formação de açúcares fermentáveis. S. cerevisiae é então adicionada para iniciar a fermentação alcoólica. No final da fermentação, o caldo fermentado que contém etanol é drenado do tanque e bombeado para um tanque de retenção, para ser alimentado para uma unidade de destilação (Amin 2009).

À parte disto, há também espécies de algas capazes de realizar autofermentação. A Seambiotic, em colaboração com a Inventure Chemicals, demonstrou com sucesso a produção de etanol por fermentação de polissacarídeos de microalgas.

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Seambiotic é a primeira empresa no mundo que está a utilizar gases de combustão de

centrais elétricas, provenientes da queima de carvão, como fonte de CO2, para o cultivo de

microalgas (Goh & Lee 2010).

Figura 3 - Procedimento para a produção de bioetanol a partir de microalgas (Mussatto et al. 2010).

Nas espécies de microalgas capazes de produzir amido, a sua acumulação pode ser estimulada pela indução de estados de stresse metabólico. O estado de tensão resulta tipicamente da privação de nutrientes essenciais. Alguns autores (Douskova et al. 2008) induziram uma acumulação de amido na microalga Chlorella vulgaris pela privação de fósforo, azoto e enxofre e o teor em amido nas células aumentou de 83 %, 50 % e 33 %, respetivamente. Também estudaram o efeito de inibir a proteossíntese, o que se refletiu no dobro da quantidade de amido na biomassa. A adição de ferro às culturas de microalgas induz a produção de hidratos de carbono, pelas microalgas, devido ao aumento da eficiência fotossintética. No entanto, esta acumulação depende da luz incidente e é resultado de um efeito sinérgico entre a suplementação da cultura e da luz incidente (Van Oijen et al. 2005). Fatores como o aumento da temperatura ou da salinidade também têm sido descritos como tendo efeito estimulador sobre a acumulação de amido nas microalgas (Warr et al. 1985).

Todos estes passos concomitantemente aumentam os custos de energia de produção de bioetanol (González-Fernández et al. 2012).

Hoje em dia, este biocombustível é amplamente distribuído e utilizado como um componente de mistura de combustível pelos EUA. O seu ponto baixo de congelação torna-o adequado para utilização em climas frios. Pode ser misturado com gasolina, em qualquer combinação, e atualmente está aprovado como integrante dos combustíveis (10 %) de todos os veículos e, como uma mistura de 85 % nos veículos de combustível duplo (Yue et al. 2014).

INTRODUÇÃO | 19 A Agência de Proteção Ambiental (EPA) dos Estados Unidos também aprovou uma mistura de 15 % em todos os veículos a partir do ano 2001, no entanto, a disponibilidade de bioetanol ainda é muito limitada e há vários desafios relacionados com a sua distribuição (Yue et al. 2014).

Adicionalmente, vários estudos têm citado o papel do etanol na corrosão das paredes das tubagens. Devido a todos estes desafios, muitas das principais operadoras de tubos dos EUA proíbem expressamente etanol e misturas de etanol-gasolina nas tubagens (Bunting et al. 2010).