Microalgas como matéria-prima para a produção de biodiesel

Microalgas são microrganismos fotossintéticos procariontes (cianobactérias) ou eucariontes (algas verdes, algas vermelhas e diatomáceas) que podem ser encontrados em ecossistemas tanto marinhos quanto de água doce (Brennan e Owende, 2010; Carlsson et al., 2007; Mata et al., 2010). Quando comparadas às plantas terrestres, seu mecanismo fotossintético é geralmente mais eficiente na conversão de energia solar em biomassa. Isso se deve a sua submersão em ecossistema aquoso, que permite acesso eficiente à água, ao CO2 e a outros nutrientes (Carlsson et al., 2007).

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As microalgas são de fácil cultivo devido a sua estrutura unicelular ou multicelular simples, capaz de crescer rapidamente e viver em uma ampla gama de condições ambientais (Brennan e Owende, 2010; Mata et al., 2010). Todavia, as culturas terrestres usam a superfície de suas folhas para receber, refletir e dissipar a luz, enquanto as algas estão limitadas a usar apenas a luz na superfície da água. Por esse motivo, o uso de sistemas de agitação no cultivo de algas é fundamental para garantir o acesso ao CO2 (Petkov et al., 2012).

O metabolismo das algas pode ser fotoautotrófico, foto-heterotrófico, heterotrófico ou mixotrófico e, dependendo das condições ambientais, uma mesma espécie pode mudar de um metabolismo para outro. O metabolismo fotoautotrófico utiliza a luz solar como fonte de energia e o CO2 como fonte de carbono inorgânico. O metabolismo foto-heterotrófico também requer luz

solar para produzir energia, mas usa substrato orgânico como fonte de carbono. O metabolismo heterotrófico não depende de luz e utiliza substrato orgânico (glucose, acetato, glicerol, frutose, sucrose, lactose, etanol, p.e.)como fonte de energia e de carbono. No mixotrófico, as microalgas são capazes de crescer tanto em via heterotrófica quanto fotoautotrófica, a depender da concentração de carbono orgânico e da intensidade de luz (Chojnacka e Marquez-Rocha, 2004; Lundquist et al., 2010; Mata et al., 2010).

Existe uma grande variação de conteúdo lipídico entre as espécies de microalgas (1-70%, peso seco) e alto teor de óleo é frequentemente associado à baixa produção de biomassa. Assim, é importante selecionar espécies de microalgas que consigam associar um elevado teor de lipídios à alta produtividade de biomassa (Mata et al., 2010).

O processo produtivo das microalgas consiste no crescimento de células, seguido da separação das células do meio de cultura e da extração de lipídeos (Mata et al., 2010). Detalhes sobre as etapas de cultivo das microalgas são discutidos a seguir.

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4.2.1. Sistema de produção de algas

Lagoas abertas e fotobiorreatores (PBR) são os dois sistemas de engenharia mais comuns utilizados para o cultivo de microalgas. Ambos os sistemas necessitam de luz, nutrientes e dióxido de carbono (Sikes et al., 2011), sendo a luz e a temperatura fatores essenciais para o crescimento das algas (Mata et al., 2010). Atualmente, tanto as lagoas abertas quanto os fotobiorreatores fechados ainda não são tecnologias maduras para a produção desses microrganismos (Sikes et al., 2011).

Lagoas abertas podem ser projetadas como reservatório, tanque circular ou tanque aberto (Figura 4.1), sendo este o mais popular devido ao sistema de pás motorizadas utilizado para a circulação contínua (Sikes et al., 2011). A agitação e a circulação são necessárias para evitar a sedimentação, garantir o acesso ao CO2 e estabilizar o crescimento e a produtividade das algas

(Brennan e Owende, 2010). Nos tanques abertos, o CO2 é aspergido em contracorrente ao fluxo de

água (Lundquist et al., 2010).

Figura 4.1. Unidades de produção comercial de microalgas em lagoas abertas com pás motorizadas localizadas na Califórnia, EUA (esquerda) e Hawaí, EUA (direita). Fonte: Lundquist et al. (2010).

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A produtividade de biomassa em lagoas abertas é menos eficiente devido a perdas por evaporação, variação de temperatura, deficiências de CO2, mistura ineficiente e limitação de luz

(Brennan e Owende, 2010). Além disso, lagoas abertas são mais suscetíveis a acidentes de cultura, uma vez que estão em contato direto com o meio ambiente e, portanto, passíveis de introdução de espécies invasoras de algas, predadores e patógenos (Davis et al., 2011). Por essas razões, e reforçado pela limitação de área em torno das usinas sucroenergéticas e pelo potencial de contaminação proveniente da usina de etanol, o modelo de algas projetado neste trabalho adotou o uso de fotobiorreatores.

Fotobiorreatores são tanques fechados de diversas geometrias e designs, como os de placa plana, tubular do tipo airlift, colunas verticais (Figura 4.2), cúpulas hemisféricas, entre outros (Lam e Lee, 2012; Sikes et al., 2011). A água, os nutrientes e o dióxido de carbono são fornecidos de maneira controlada. O oxigênio liberado durante a fotossíntese das algas deve ser removido; concentrações elevadas desse gás são tóxicas às microalgas (Carvalho et al., 2006). A luz solar se propaga no PBR através de paredes transparentes ou através de fibras óticas (Carlsson et al., 2007; Wijffels e Barbosa, 2010). As tecnologias adotadas para a colheita e a secagem da biomassa dependerão da espécie, de propriedades como o tamanho das células e a densidade, das condições da cultura (Carlsson et al., 2007) e dos coprodutos desejados (Uduman et al., 2010).

Figura 4.2. Modelo de fotobiorreator do tipo coluna vertical. Fonte: SAT (2013).

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Após os processos de colheita e secagem, a biomassa segue para a etapa de extração dos lipídios, que pode ser feita por extração convencional por solvente, extração com fluido supercrítico, extração mecânica, extração biológica ou fracionamento (Darzins et al., 2012). A escolha depende do pré-tratamento ao qual a biomassa de algas foi submetida, que pode resultar em uma biomassa em pasta ou em pó seco (Halim et al., 2012), e das espécies e suas propriedades físicas de parede celular, que também dependem do ciclo de crescimento das algas (Darzins et al., 2012). Finalmente, o óleo de algas pode ser convertido em biodiesel por um processo de transesterificação padrão (Halim et al., 2012; Hoekman, 2009), tecnologia mais comumente usada. Em relação ao desempenho ambiental do biodiesel de algas, há diferentes relatos na literatura. As incertezas quanto à produtividade de algas em cultivo de larga escala e as inúmeras tecnologias propostas, somadas às condições de contorno adotadas em cada estudo, podem levar a diferentes resultados. Considerando uma média entre diferentes cenários para a produção de biodiesel de algas, estudo elaborado por Delrue et al. (2012) reportou balanço de energia entre 1 e 1,7 (MJ

biodiesel/MJfóssil) e emissões de GEE de 10 a 18,7 kg CO2e/100 km (≈ 42,6 – 79,6 g CO2e/MJ). Para

um cenário com uso de fotobiorreator, o balanço de energia pode variar de 1,8 a 2,4 e as emissões de 7 a 11 kg CO2e/100 km. O mesmo estudo identificou que a produção de algas em lagoas abertas

consome 4,5 vezes mais água em comparação com um sistema combinado lagoa + fotobiorreator. Batan et al. (2010), em uma modelagem com uso de fotobiorreatores, identificou valores de 75 gCO2e/MJ de biodiesel para emissões de GEE e 0,93 para balanço de energia, sendo o cultivo

das algas a etapa de maior consumo de energia fóssil. Estudo desenvolvido por Lardon et al. (2009), relativo a um sistema de lagoa aberta (open ponds), encontrou valores de balanço de energia entre 0,51 a 1,34, a depender do tipo de extração do óleo e do sistema de alimentação de nitrogênio.

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