As microalgas podem ser usadas para diversos fins, como para a produção de vitaminas, ácidos, e pigmentos usados nas indústrias alimentícia, de cosméticos e têxtil. Elas também têm potencial para produção de biocombustíveis e biofertilizantes (ANDERSEN, 2005; CHISTI, 2007; KATSUDA et al., 2004; VARFOLOMEEV; WASSERMAN, 2011).
Outro uso que pode ser dado às microalgas é no tratamento de efluentes. Esses microrganismos podem promover a remoção de nutrientes, contaminantes orgânicos, metais pesados, e patógenos de águas residuais domésticas e fornecer uma matéria-prima interessante para a produção de
25 bioprodutos (MUÑOZ et al., 2006). Atualmente, pesquisas mais avançadas são desenvolvidas por países como Estados Unidos, Taiwan, México e Austrália, pois o tratamento de efluentes com microalgas é altamente atraente pela capacidade de transformar energia solar em biomassa útil e incorporar nutrientes como nitrogênio e fosforo que são os principais causadores da eutrofização (ABDEL-RAOUF et al., 2012).
As microalgas necessitam de água e nutrientes para se desenvolverem, ambos presentes no esgoto. Enquanto crescem, as microalgas removem os nutrientes do efluente e fornecem oxigênio para a degradação aeróbia da matéria orgânica pelas bactérias. Essas por sua vez produzem o CO2 que é um subproduto da respiração, e serve como fonte de carbono para as microalgas, Figura 7. Diversos estudos afirmam que as microalgas podem apresentar taxa de crescimento elevada quando cultivadas em esgoto (YUN et al., 1997; CHO et al., 2011; MUTANDA et al., 2011).
Figura 7 - Relação de simbiose entre microalgas e bactérias.
Fonte: adaptado de Cetesb (2013).
Além da remoção de nitrogênio e fosforo nos efluentes, as microalgas podem ser empregadas na redução de matéria orgânica, redução de bactérias (incluindo organismos indicadores de contaminação fecal) e também para e remoção de metais pesados.
As microalgas podem crescer em diferentes efluentes, como: efluentes domésticos, efluentes agropecuários, efluentes de dejetos suínos, e efluentes industriais (PITTMAN et al., 2011). O uso mais comum das microalgas são no tratamento com sistemas de lagoas de estabilização e LATs.
3.4. Fotobiorreatores
Várias técnicas podem ser usadas para o cultivo de microalgas, sendo mais empregados os sistemas abertos, como em LATs. Existem também os fotobiorreatores, que podem ser fechados ou
26 parcialmente fechados, que apresentam como vantagem a maior produção de biomassa. Os fotobiorreatores podem ser construídos com diferentes materiais: policloreto de vinila (PVC), vidro, fibra de vidro, poliuretano, e tijolos (ANDERSEN, 2005; CHISTI, 2007; MATA el al., 2010).
Além de ter como vantagem maior produção de biomassa, os fotobiorreatores apresentam menor risco de contaminação da cultura de microalgas, possibilidade do controle da temperatura e pH, e melhor homogeneização, o que permite melhor contato das microalgas com a luz. Entretanto, o custo de produção é mais elevado do que quando comparado com os sistemas abertos. O custo deve-se ao processo de mistura ou injeção de gás, além da iluminação artificial que pode ser utilizada (ANDERSEN, 2005; BRENNAN; OWENDE, 2010; CHISTI, 2007).
Diferentes configurações de fotobiorreatores foram concebidas, tais como: tubulares, de placas, tanques agitados, coluna de bolhas, e laminares (BRENNAN e OWENDE, 2010; CHISTI, 2007; ANDERSEN, 2005; XU et al., 2009). Os tubulares consistem em tubos transparentes paralelos ou em forma de espiral, e as microalgas são distribuídas através dos tubos por meio de bombas. Os fotobiorreatores de placas apresentam como vantagem o volume reduzido, as placas são colocadas na vertical ou horizontal, paralelas ou inclinadas. Os fotobiorreatores de coluna de bolhas são colunas verticais que possuem injetores de ar com velocidade constante, são fáceis de operar e de tamanho compacto (XU et al., 2009). Fotobiorreatores de tanques agitados são simples para se construir e operar, e ideais para diferentes espécies de microalgas. Os tanques agitados podem trabalhar em sistema contínuo ou em batelada, e podem ter diferentes capacidades e formações (MUÑOZ et al., 2006).
Para que os fotobiorreatores funcionem com um desempenho favorável para o crescimento das microalgas existem parâmetros que devem ser controlados, são eles: temperatura, fonte de iluminação e mistura. A temperatura dos fotobiorreatores deve ser controlada de forma que não iniba o crescimento das espécies de microalgas ali presentes. O método mais simples do controle de temperatura é por meio da instalação de um sistema de arrefecimento ou refrigeração, que tem a função de impedir que a temperatura do sistema varie além dos limites pré-estabelecidos (ANDERSEN, 2005; GOUVEIA, 2011; LOURENÇO, 2006).
27 A homogeneização ou mistura é outro parâmetro que deve ser considerado porque homogeneíza os microrganismos, distribui o calor e metabólitos, e facilita a transferência de gases. Além disso, um certo grau de turbulência, especialmente em produção em grande escala, é desejável para promover a circulação de microalgas do escuro para a zona de luz do fotobiorreator. Entretanto, altas velocidades podem danificar as microalgas devido ao cisalhamento ou estresse. O nível ótimo de mistura deve ser encontrado para cada espécie de alga, a fim de evitar a queda de produtividade (ANDERSEN, 2005; BOROWITZKA, 1999; GOUVEIA, 2011).
A luz é um parâmetro fundamental nos fotobiorreatores, pois o crescimento das microalgas é limitado se ocorrer falta ou excesso desta. A clorofila tem a capacidade de absorver a luz; a intensidade da luz transmitida através de uma cultura cai rapidamente com a distância a partir da fonte de luz. Quase toda a luz incidente em um fotobiorreator pode ser absorvida dentro uma pequena camada de microalgas, e caso não haja a mistura as microalgas que estão fora da superfície iluminada ficam praticamente na escuridão. Consequentemente, a mistura adequada "equilibra" a intensidade da luz, permitindo que todos os microrganismos tenham um contato uniforme e, além disso, assegura a troca de gás eficiente e melhor controle de temperatura (ANDERSEN, 2005; MATA et al., 2010).
Os fotobiorreatores podem ser iluminados com luz artificial, luz solar ou a combinação de diferentes fontes de luz. A luz solar é um recurso natural gratuito, mas varia com o ciclo diário (em média, 10 h /dia, variando ainda o ângulo de ataque do fluxo luminoso sobre a superfície terrestre), estação do ano (equinócio tem radiação média uniforme, solstício tem radiação média concentrada em um hemisfério) e latitude (equador é, em geral, mais iluminado), fatores esses que limitam o crescimento da biomassa algal. Além disso, o excesso de iluminação pode causar o fenômeno de fotoinibição (CHEN et al., 2011; MATA et al., 2010).
Para contornar essas limitações com a luz natural, pode-se optar pela iluminação artificial. Esta possibilita produção diária contínua, pois assume o papel da radiação solar. Entretanto, as diferentes fontes de iluminação artificial apresentam vantagens e desvantagens entre si, com isso diferentes projetos de fotobiorreator com estratégias de iluminação distintas foram desenvolvidos com o objetivo de aumentar a taxa de produção de microalgas. As fontes de luz usadas nesse processo podem ser lâmpadas fluorescentes, laser, fibra ótica, e LED (ANDERSEN, 2005; CHEN et al., 2011).
28 Chen et al. (2013) estimaram que para um fotobiorreator de 40 L o consumo em kWh com o uso de lâmpadas fluorescentes era de 40,32, enquanto que para o mesmo fotobiorreator com lâmpadas de LED o consumo foi de 20,16. Ou seja, uma redução de 50% no consumo o que torna o uso de LEDs atrativo.