Vista do Microalgas para Produção de Biohidrogênio e Biodiesel

Microalgas para Produção de

Biohidrogênio e Biodiesel

Larissa Canilha

Bruna Caroline Marques Gonçalves

Júlio Cesar dos Santos

Messias Borges Silva

José Luz Silveira

Faculdades Integradas Teresa D’Ávila – FATEA¹

Instituto de Pesquisa em Bioenergia / Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá / Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – IPBEN-FEG-UNESP

Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá / Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – FEG-UNESP

Escola de Engenharia de Lorena / Universidade de São Paulo – EEL-USP

Instituto de Pesquisa em Bioenergia / Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá / Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – IPBEN-FEG-UNESP

Escola de Engenharia de Lorena / Universidade de São Paulo – EEL-USP Instituto de Pesquisa em Bioenergia / Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá / Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – IPBEN-FEG-UNESP

RESUMO

Medidas inovadoras, como o desenvolvimento de biocombustíveis de terceira geração (3G), têm sido consideradas chave para a redução da emissão de gases de efeito estufa e do aquecimento global. Esses combustíveis são produzidos a partir de cultivo de microalgas, organismos unicelulares capazes de captar e converter dióxido de carbono (CO2) em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) durante a fotossíntese. Microalgas capazes de armazenar lipídeos podem ser utilizadas para a produção de biodiesel, enquanto o H2 liberado durante a fotossíntese pode ser armazenado e utilizado como combustível. Desta forma, esta revisão tem como objetivo explorar os parâmetros e as condições de cultivo de microalgas em diferentes escalas, além de apresentar as vantagens da sua utilização para a produção de biodiesel e biohidrogênio.

PALAVRAS-CHAVE:

ABSTRACT

Innovative measures such as the development of biofuels of third generation (3G) have been considered the key to reducing the emission of greenhouse gases and global warm-ing. These fuels are produced from microalgae, which are unicellular organisms capable of capturing and converting carbon dioxide (CO2) into hydrogen (H2) and oxygen (O2) during photosynthesis. Microalgae can store lipids which are suitable for biodiesel production, while H2 is released during photosynthesis process and can be stored for use as a fuel. Thus, this review aims to explore parameters and conditions for microalgae cultivation at different scales, in addition to presenting the advantages of its use for the production of biodiesel and biohydrogen.

KEYWORDS:

INTRODUÇÃO

Desde o início da revolução industrial, o desenvolvimento tecnológico tem sido baseado no consumo de combustíveis de origem fóssil derivados do petróleo, gás natural e carvão. Essas fontes de energia não são renováveis e a sua queima promove a emissão de gases que contribuem para o efeito estufa, como o CO2. De acordo com Alley et al. (Cf. 2007) e Global Climate Change (Cf. 2015), a concentração atmosférica de CO2passou de 280 ppm no ano de 1750 para 400,47 ppm em 2015, de modo que este acréscimo de 43% na concentração de CO2 desencadeou uma alteração do equilíbrio entre a radiação solar recebida e a refletida pela Terra para o espaço, aumentando a capacidade da Terra em reter calor e causando aquecimento global (Cf. Chöök; Tang, 2013; Peters et al., 2013; Scheutz; Kjeldsen; Gentil, 2009). Esse quadro torna-se demasiado preocupante ao se considerar as drásticas alterações climáticas que vêem sendo observadas ao longo dos anos e que, claramente, têm se intensificado.

A busca de alternativas sustentáveis visando à preservação do meio-ambiente, à necessidade do controle de emissão dos gases relacionados com o aumento do efeito estufa, principalmente o CO2(Cf. Samimi; Zarinabadi, 2012), e o aumento crescente do preço do petróleo (Cf. Nazlioglu; Soytas, 2012), têm alavancado pesquisas na área de bioenergia. Desta forma, recursos energéticos capazes de ser naturalmente renovados em um curto espaço de tempo e que derivem direta e indiretamente de fontes energéticas como sol, vento, ondas e biomassa vegetal e microalgal, têm sido explorados (Cf. Jacobson; Delucchi, 2011; Long et al., 2013). Com relação à utilização de biomassa vegetal e microbiana, três gerações de biocombustíveis, primeira (1G), segunda (2G) e terceira (3G), têm sido exploradas.

Os biocombustíveis 1G são produzidos a partir da fermentação de açúcares, para produção de etanol, obtidos principalmente do milho, beterraba, trigo e caldo de cana-de-açúcar, ou pela transesterificação de lipídeos de uso alimentício, especialmente os de origem vegetal, como o óleo de soja, para a produção de biodiesel. Embora, de uma forma geral, o processo de obtenção dessas matérias-primas não seja complexo, existe a necessidade de solo disponível para plantio e, em alguns casos, a competição com a produção de alimentos. Além disso, o balanço de carbono e o balanço energético global não são sempre considerados favoráveis. Os biocombustíveis 2G são obtidos, principalmente, a partir de açúcares extraídos de resíduos agroindustriais, como palha e bagaço, ou de lipídeos oriundos de fontes não alimentícias, como o óleo de pinhão manso. Embora apresentem um balanço de carbono excelente e não ofereçam competição com o plantio de alimentos, a extração dos açúcares para produção de etanol exige etapas prévias de pré-tratamento, encarecendo o processo (Cf. Naik et al., 2010), ou há dificuldades na inserção de novas culturas de oleaginosas não alimentícias para obtenção de biodiesel.

Os biocombustíveis 3G, por sua vez, são obtidos a partir de microalgas, que possuem a vantagem de serem cultivadas em pequenos espaços, não havendo a necessidade de

grandes áreas de cultivo. Sob condições naturais de crescimento autotrófico, as microalgas absorvem a luz solar e assimilam CO2 atmosférico e nutrientes do habitat aquático para sua manutenção e multiplicação. Além do CO2 atmosférico, as microalgas podem fixar CO2 proveniente de processos industriais e de carbonatos solúveis. A absorção de CO2 atmosférico contribui grandemente para a redução do aquecimento global gerado pelo efeito estufa. Além disso, o H2 gerado durante o processo de fotólise direta após a quebra da molécula de H2O pode ser armazenado e utilizado como biocombustível. Algumas microalgas possuem ainda a capacidade de acumular lipídeos, que podem ser extraídos, purificados e utilizados na produção de biodiesel. Uma vez que a sustentabilidade é a chave para a gestão ou a exploração de recursos naturais e requer considerações operacionais, ambientais e socioeconômicas, a combinação do potencial de produção de biodiesel, a capacidade de fixação de CO2 e produção de H2 ressaltam o potencial de aplicação das microalgas.

CULTIVO DE MICROALGAS PARA A PRODUÇÃO DE

BIOCOMBUSTÍVEIS DE TERCEIRA GERAÇÃO

As microalgas são organismos unicelulares, microscópicos e fotossintéticos encontrados tanto em água doce quanto em água salgada (Cf. Velasquez-Orta; Lee; Harvey, 2013). Além disso, podem também proliferar em efluentes industriais e urbanos (Cf. Caporgno et al., 2015; LU et al., 2015). Esses organismos dependem essencialmente de luz solar, CO2 e água para produzir quantidades significativas de proteínas, lipídeos e carboidratos para sua proliferação, de modo que a sua composição pode variar de acordo com a espécie, as condições de cultivo ou condições ambientais (Cf. Brown, 1991; Rhee, 1978; Volkman et al., 1989). Ao contrário das culturas vegetais, que são clima-dependentes e necessitam de solo para plantio, o cultivo de microalgas não requer grandes áreas ou solo disponível. Além disso a taxa de proliferação das microalgas é mais alta quando comparada ao tempo de crescimento vegetal. Em cerca de sete dias é possível realizar a colheita de uma batelada de biomassa microalgal cultivada em sistema aberto e em larga escala (Cf. Chen et al., 2014), enquanto plantas necessitam de meses ou até mesmo períodos superiores a um ano para se desenvolver e atingir a idade ideal para colheita, como é o caso da cana-de-açúcar (Cf. Rossetto; Santiago, 2015).

Embora a produção de grandes quantidades de biomassa microalgal seja necessária para a produção comercial de biocombustíveis, os cultivos ainda têm sido realizados em escala laboratorial e com iluminação artificial (indoor), geralmente em fotobiorreatores com capacidade de 1 a 10 L. Por outro lado, estudos em escala piloto com utilização de iluminação natural (outdoor) veem sendo desenvolvidos (Tabela 1 e Tabela 2), visando ao aumento da produção de biomassa e de acúmulo de óleo. A produção de microalgas em regime misto, com a finalidade de evitar a contaminação da cultura de microalga por

bactérias e consequentemente redução na quantidade de biomassa e óleo produzidos, também pode ser realizada (Cf. Chen et al., 2014).

A agitação em cultivos de microalga é essencial para impedir a sedimentação das células e mantê-las suspensas. O fluxo pode ser produzido por agitação mecânica, borbulhamento de ar e/ou gás ou com o auxílio de bomba peristáltica, embora este último não tenha sido utilizado em muitos estudos (Tabela 1 e Tabela 2). Embora a agitação mecânica seja mais eficiente, pode promover danos às células,envolvendo alto custo de construção do agitador e custos operacionais. A agitação por borbulhamento, por ser menos vigorosa, promove menos danos às células, e envolve menor investimento financeiro. Além disso, este sistema é de fácil instalação, quando comparado aos agitadores mecânicos(Cf. Chisti, 2008). Não obstante, este tipo de agitação ainda apresenta a vantagem de aerar o meio de cultivo. Por essas razões a agitação por borbulhamento (coluna de bolhas) tem sido o modelo mais utilizado. Além disso, os cultivos podem ser desenvolvidos tanto em regime fotoautotrófico, com a utilização de carbono inorgânico, como CO2, quanto em regime fotoheterotrófico, com a utilização de carbono orgânico. Ainda pode ser adotado o regime mixotrófico, com o uso de carbono orgânico e inorgânico em um mesmo cultivo (Tabela 1 e Tabela 2). Além disso, o fornecimento de energia luminosa é essencial para o desenvolvimento do processo de fotossíntese.

As microalgas são basicamente compostas por pigmentos, como clorofila, lipídeos, proteínas e carboidratos (Cf. Brown, 1991)(Cf. Volkman et al., 1989), de modo que a proporção desses constituintes pode variar de acordo com as condições de cultivo utilizadas. Dessa forma, a variação da temperatura (Cf. Renaud et al., 2002) da suplementação(Cf. Procházková et al., 2014), bem como a adição de bicarbonato de sódio (Cf. White et al., 2013) ou a limitação de nitrogênio (Cf. Jiang; Yoshida; Quigg, 2012), ou ainda da intensidade de luz e fotoperíodo (Cf. Khoeyi; Seyfabadi; Ramezanpour, 2012), podem alterar significativamente a composição da célula microalgal.

Devido à composição rica em lipídeos e carboidratos, e capacidade de fixar CO2 (Cf. Sankar; Daniel; Krastanov, 2011), diversos tipos de biocombustíveis podem ser produzidos a partir de microalgas. O óleo acumulado no interior da célula pode ser extraído e utilizado para a produção de biodiesel (Cf. Gong; Jiang, 2011). Após a extração dos lipídeos, a biomassa residual resultante pode ser utilizada para a produção de biogás ou bioetanol. Desta forma, a biomassa pode ser digerida anaerobicamente para a produção de biogás (Cf. Mussgnug et al., 2010) ou os carboidratos presentes na parede celular microalgal podem ser utilizados para a produção de bioetanol após serem submetidos ao processo de hidrólise enzimática (Cf. Hernández et al., 2015). Além disso, o biohidrogênio produzido por fotólise na etapa fotoquímica durante o processo de fotossíntese pode ser armazenado (Cf. Batyrova et al., 2015; Cf. Benemann, 2000).

Conforme descrito na Tabela 3, a produção concomitante de biocombustíveis a partir de um mesmo cultivo pode ser realizada dentro do conceito de biorrefinarias, viabilizando

o processo e reduzindo o seu custo total. É importante salientar que a composição da célula microalgal e sua estrutura são fatores importantes a serem considerados na escolha do produto final. Deste modo, embora a produção de biogás a partir de digestão anaeróbia

Microalga Meio de _cultivo Tipo de reator _agitaçãoTipo de Produção de _hidrogênio Referências

Chlamydomonas reinhardtii Meio TAP Vasos cilíndricos (600 mL) Agitação com barra magnética A produção de H2 inicia após o estabelecimento de anaerobiose no sistema de cultivo. Antal et al., 2003 Chlamydomonas reinhardtii Meio com alto teor de sais FBR de vidro com sensor de pH e O2 Agitação com barra magnética 56,4 mL / L Tsygankov et al., 2006 Chlamydomonas reinhardtii CC124 Meio TAP FBR tubular compacto (130L) Bombea-mento peristáltico Produtividade: 0,61 mL de H2 / L / h Giannelli; Torzillo, 2012 Chlamydomonas reinhardtii Dangeard 137C mt+ Meio TAP FBR controlado por microproces-sador Agitação com barra magnética 109 mL / L Batyrova; Tsygankov; Kosourov, 2012 Scenedesmus sp. NBRI012 Meio TAP sem adição de enxofre Frasco Erlenmeyer (1L) Agitação com barra magnética 17,72% vH2 /

vtotal de gases Dasgupta et al., 2015

Chlamydomonas reinhardtii CC124 mutante Meio TAP -Coluna de bolhas (500mL) para proliferação da biomassa - FBR tipo Roux para produção de H2 Bombea-mento de ar Produtividade: 1,3 mL de H2 / L / h Oncel et al., 2015

Tabela 1: Meios de cultivo e tipos de fotobiorreatores para a produção de hidrogênio por diferentes espécies de microalga.

Tabela 2: Meios de cultivo, tipos de fotobiorreatores e cultivos para a obtenção de óleo a partir de diferentes espécies de microalgas.

Microalga Meio de

cultivo Tipo de reator Regime Tipo de cultivo

Tipo de

agitação ProdutividadeComposição / Referências

Chlorella vulgaris Meio Fitzgerald modificado FBR (5L)

Fotoautrófico Indoor Bombeamento de ar e CO2 Composição: 29,53 % de lipídeos totais em base seca Produtividade: 12,77 mg de lipídeos/L/d Widjaja; Chien; Ju, 2009 Chlorella minu-tissima UTEX2341 Meio básico N8Y Frasco Erlenmeyer (500 mL)

Fotohetero-trófico Indoor Agitador rotatório Composição: 16,11% de lipídeos esterificáveis em base seca com 62,97% de conversão em FAME Produtividade: 286,76 mg de lipídeos/L/d e 180,68 mg de FAME/L/d Li et al., 2011 Chlorella sp. Meio basal de Bold FBR

(10L) Fotoautrófico Indoor Bombea-mento de ar Composi-ção: 12% de lipídeos totais em base seca, dos quais 42% foram esterifi-cáveis Velasquez--Orta; Lee; Harvey, 2013 Nanno-chloropsis oculata Composi-ção: 24% de lipídeos totais em base seca, dos quais 17% foram esterifi-cáveis Chlorella vulgaris ESP-31 Meio ba-sal e Meio de Bristol modifi-cado FBR vertical tubular (50L)

Mixotrófico Outdoor Bombea-mento de ar e CO2 Produtivida-de: 48 mg de lipídeos/L/d Chen et al., 2014

Chlorella vulgaris (FWM--CV) Meio MBL adaptado para água doce Frasco Er-lenmeyer (5L)

Fotoautrófico Indoor

Bombea-mento de ar Composição: 19,27% de lipídeos totais em base seca Produtividade: 2,19 mg de lipídeos/L/d Al-Lwayzy; Yusaf; Al-Juboori, 2014 Chlorella

kessleri Efluente urbano FBR em painel plano tipo airlift (1L)

Fotoautrófico Indoor Bombea-mento de ar e CO2 Composição: 7,4% de lipídeos esteri-ficáveis em base seca Caporgno et al., 2015 Chlorella vulgaris Composição: 11,3% de lipídeos esteri-ficáveis em base seca Chlorella sp. Efluente de indús-tria de laticínios FBR

(1,3L) Fotoautrófico Indoor Bombea-mento de ar Composição: 55,54 mg de ésteres metílicos de ácido graxo/g peso seco Lu et al., 2015 FBR (30L) Outdoor Composição: 34,90 mg de ésteres metílicos de ácido graxo/g peso seco Scenedes-mus sp. NBRI012 Meio TAP sem adição de S Frasco Erlenmeyer (1L)

Fotoautrófico Indoor Agitação com barra magnética

410,03 mg de

lipídeos/L Dasgupta et al., 2015 Chlo-rella sp. NBRI029 587,38 mg de lipídeos/L Chlorella minutis-sima Meio Tamiya FBR tubular (120L)

Mixotrófico Indoor Bombea-mento de ar e CO2 45,82% de ácidos graxos poli-insaturados Aremu et al., 2015 Fotoautrófico 37,90% de ácidos graxos poli-insatu-rados

possa ser realizada a partir de microalgas de água doce ou salgada, o rendimento do processo está intimamente ligado à espécie utilizada, devido à composição da parede celular microalgal. As espécies de microalga com ausência de parede celular ou com parede celular constituída basicamente por proteínas são facilmente digeridas. Por outro lado, as microalgas com parede celular basicamente constituída por carboidratos ou biopolímeros tendem a ser degradadas mais lentamente (Cf. Mussgnug et al., 2010). Desse modo, baixa digestibilidade e baixa produção de biogás pela microalga C. minutissima foram reportadas por Prajapati; Malik; Vijay(2014), com produção de 0,34 mL de biogás/g sólidos voláteis, indicando que esta espécie tem maior potencial para a produção de biodiesel.

Mesmo apresentando vantagens como a não competição com alimentos, ausência de lignina na parede celular e alta taxa de produção quando comparadas a culturas agríco-las, pouco foi explorado até o momento a respeito da obtenção de bioetanol a partir de microalgas. Características estruturais como composição rica em lipídios e proteínas, e baixo teor em carboidratos desfavorecem o uso de microalgas como fonte de açúcares para a produção de etanol. Além disso o processo de extração de açúcares a partir das células microalgais é dispendioso e envolve alto gasto energético (Cf. Hernández et al., 2015). Além disso, o uso de pré-tratamentos (Cf. Harun; Danquah, 2011; Harun et al., 2011) para a exposição dos açúcares pode ser necessário, encarecendo o processo.

FBR: Fotobiorreator; S: enxofre; N: nitrogênio

Chlorella minu-tissima UTEX2341 Efluente artificial adicio-nado de metais pesados Frasco Er-lenmeyer (500 mL) Fotohetero-trófico Indoor Agitador

rotatório Produti-vidade: 249,36 mg de lipídeos/L/d em meio contendo 4mM de cadmio Yang et al., 2015

Microalga Biocombustível Descrição Referência

Chlamydomonas

reinhardtii - Biohidrogênio- Biogás alto potencial fermentativo nas células Houve um acúmulo de compostos de microalgais, como amido e lipídeos durante o ciclo de produção de H2, promovendo um aumento de 123% na

produção de biogás (valor inicial: 587 mL/g de sólidos voláteis) após o processo

de digestão anaeróbia da biomassa.

Mussgnug et al. (2010)

PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO POR MICROALGAS

O H2 é o combustível mais promissor para a substituição dos combustíveis fósseis a médio e longo prazo, devido ao seu alto conteúdo energético por unidade de massa quando comparado aos demais combustíveis conhecidos. Além de ser um recurso de energia renovável, é considerado uma alternativa ideal para os combustíveis fósseis, uma vez que não contribui para o aumento do efeito estufa. Isso se deve ao fato de que, ao entrar em combustão, o H2 produz somente água, podendo ser utilizado para geração de energia elétrica por células de combustível, ou diretamente em motores a combustão interna (Cf. Momirlan; Veziroglu, 2002).

O H2 pode ser produzido a partir de combustíveis fósseis (Cf. Steinberg, 1989), do gás natural (Cf. Block et al., 1997) ou da água. A produção de H2 a partir da água pode ser realizada por inúmeros processos,incluindo eletrólise desta em estado líquido ou vapor (Cf. Zeng; Zhang, 2010), fotólise (Cf. Barrett; Baxendale, 1960), decomposição termoquímica (Cf. Funk, 2001) e processo fotoeletroquímico (Cf. Sivula et al., 2010). Durante o processo de biofotólise, a água é convertida, direta ou indiretamente, em H2, por um sistema biológico em presença de luz, de modo que a energia solar é convertida em energia química. As microalgas verdes são capazes de produzir H2 por ambos os processos, biofotólise direta e indireta, sendo que o último é observado principalmente em cianobactérias. A biofotólise direta ocorre em presença de luz solar, que é capturada pelos fotossistemas I e II para a realização da fotossíntese oxigênica. Nesse processo, o H2 é diretamente gerado a partir da quebra da molécula de água, com liberação concomitante de O2. No processo de biofotólise indireta a geração de H2ocorre a partir da quebra da molécula de carboidrato, geralmente glicose, previamente sintetizado pelo sistema biológico em presença de água e de CO2 absorvido da atmosfera. Dessa forma, a quebra do carboidrato gera H2 e CO2.

Microalga Biocombustível Descrição Referência

Chlorella sp. - Biohidrogênio

- Biodiesel Alta produção de biomassa (2,62 g/L) e grande acúmulo de lipídeos (587,38 mg/L) durante 6 dias de cultivo visando

à produção de H2, de modo que o H2 liberado durante a etapa da fotossíntese

correspondeu a 9,6% dos gases totais produzidos. Dasgupta et al. (2015) Co-cultura de Scenedesmus sp e lodo anaeróbico em água de efluente rica em amido

- Biohidrogênio

- Biodiesel A produção máxima de H2 observada foi de 1508,3 mL/L e a concentração total de lipídeos extraída da biomassa mista foi de

0,36 g/L

Ren et al. (2015)

Um dos maiores desafios da produção de H2 por microalgas é a incompatibilidade entre a fotossíntese oxigênica e a produção anaeróbia de H2, devido à alta sensibilidade da enzima hidrogenase ao O2 (Cf. Benemann, 2000; Kruse; Hankamer, 2010; Márquez-Reyes; Sánchez-Saavedra; Valdez-Vazquez, 2015)

A fotoprodução de H2 pode ser favorecida pela privação de enxofre e fósforo em cultivos de algas de água doce, e pela privação de fósforo em cultivos de algas de água salgada(Cf. Batyrova et al., 2015; Dasgupta et al., 2015). Na ausência de enxofre, a atividade da enzima hidrogenase e o acúmulo de gás H2 foram detectados após 24 h de cultura das microalgas C. reinhardtii e S. vacuolatus. Além disso, a taxa de produção de H2 sob depleção de enxofre aumentou durante 5 dias em culturas de C. reinhardtii em regime de anaerobiose (Cf. Winkler et al., 2002). Por outro lado, a adição periódica de enxofre ao cultivo pode assegurar a produção contínua de H2 por um período de até 14 dias (Cf. Yagi et al., 2016). De modo geral, a produção de H2 a partir de cultivos de microalgas tem sido estudada tendo como modelo a espécie C. reinhardtii, em regime anaeróbio fotoheterotrófico e agitação mecânica com barra magnéticas conforme indicado na Tabela 1, de modo que a busca de informações a respeito do desempenho de outras microalgas, como a espécie C. minutissima, rica em lipídeos, é interessante para a cogeração de biohidrogênio e biodiesel.

OBTENÇÃO DE BIODIESEL A PARTIR DE MICROALGAS

A principal vantagem da utilização do biodiesel como combustível ao invés do diesel é que as emissões de CO2, no caso do biodiesel, podem ser consideradas como crédito de carbono. Além disso, o biodiesel pode ser utilizado como combustível para a geração da energia necessária para a produção e o processamento da microalga. Por essa razão, este combustível é considerado carbono-neutro (Cf. Chisti, 2008). O biodiesel de terceira geração é obtido a partir da transesterificação de ácidos graxos acumulados no interior da célula microalgal durante o cultivo. O mesmo processo de transesterificação pode também ser utilizado na conversão de ácidos graxos extraídos a partir de óleos vegetais. Os triacilgliceróis presentes no óleo extraído são clivados em etapas consecutivas de reação com metanol (metanólise) em diglicerídeos e monoglicerídeos. Ao invés de metanol, outros álcoois de cadeia curta também podem ser efetivos neste processo, como é o caso do etanol, um produto de baixo custo. Catalisadores ácidos, básicos ou enzimáticos, ou ainda condições supercríticas podem ser utilizados, aumentando a eficiência do processo. Nas etapas finais são obtidos ésteres metílicos de ácido graxo (Cf. Fame – fatty acid methyl ester) ou ésteres etílicos de ácido graxo (Cf. Faee – fatty acid ethyl ester), e glicerol, o subproduto da reação (Cf. Gong; Jiang, 2011).

Conforme mencionado anteriormente, o potencial de acúmulo de lipídeos varia de acordo com a espécie da microalga (Tabela 3) e com as condições de cultivo. A quantidade de luz, disponibilidade de nutrientes e substrato e a taxa de crescimento da microalga influenciam diretamente o processo de acúmulo de óleo. Por outro lado, embora a célula seja capaz de armazenar alta quantidade de lipídeos em seu interior, muitas vezes os solventes utilizados no processo extrativo podem não solubilizá-los totalmente e o processo extrativo em si pode ser ineficiente ou a estrutura da parede celular microalgal pode barrar a entrada do solvente na célula, reduzindo a taxa de extração de óleo (Cf. Velasquez-Orta; Lee; Harvey, 2013). Além disso a temperatura de secagem da biomassa pode interferir significativamente na recuperação do óleo, uma vez que altas temperaturas promovem a oxidação dos ácidos graxos (Cf. Widjaja; Chien; Ju, 2009). Desta forma, técnicas adequadas de extração do óleo a partir das células microalgais são imprescindíveis para bons rendimentos em biodiesel.

A microalga C. minutissima tem sido reportada em trabalhos de produção de biodiesel, devido a sua capacidade de acumular lipídeos (Cf. Aremu et al., 2015; Bhatnagar et al., 2010; Li et al., 2011; Yang et al., 2015). Além disso, esta espécie possui uma grande capacidade de adaptação a condições adversas, sendo tolerante à poluição. C. minutisima pode crescer tanto em condições heterotróficas, no escuro e condições ácidas, quanto em condições mixotróficas. Em presença de luz e substratos orgânicos, utiliza nitrogênio amoniacal ou em forma de nitrato e é capaz de sobreviver em condições anaeróbicas e sob condições de stress osmótico (Cf. Bhatnagar et al., 2010).

Alterações bioquímicas, como baixa oferta de nitrogênio, podem reduzir a proliferação celular da microalga C. minutíssima, devido à escassez de proteínas que participam da formação da parede celular (Cf. Ördög et al., 2012). Por outro lado, a oferta de baixas concentrações de nitrogênio e cultivo em regime autotrófico contribuem para o acúmulo de lipídeos e ácidos graxos pela célula (Cf. Aremu et al., 2015). Além disso, o cultivo por longo período de tempo em condições de stress de nitrogênio pode resultar não somente em aumento de acúmulo de lipídeos, como também no aumento da concentração de triacilgliceróis, com menor quantidade de impurezas (Cf. Widjaja; Chien; Ju, 2009). A privação de fosfato pode afetar negativamente a produção de biomassa sem haver prejuízos significativos na concentração de lipídeos, embora a concentração de ácidos graxos insaturados aumente significativamente, o que não pode não ser interessante em termos de produção de biodiesel (Cf. Praveenkumar et al., 2012). Não obstante, o fornecimento de fontes de carbono é imprescindível para o crescimento celular (regime heterotrófico) e também auxilia no acúmulo de lipídeos pela célula microalgal. Li et al., (Cf. 2011), por exemplo, observaram alta taxa de proliferação celular e concentração de lipídeos em meio de cultivo suplementado com glicerina, uma fonte de carbono de baixo custo.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A produção de biocombustíveis, a partir de microalgas, apresenta elevado potencial para auxiliar na diminuição da dependência mundial da energia de origem fóssil, representando fonte renovável de elevada produtividade por área de cultivo. Diferentes combustíveis podem ser obtidos, incluindo biodiesel, a partir dos lipídeos acumulados por algumas espécies e hidrogênio por biofotólise da água no processo de fotossíntese. Entre os fatores que influenciam na produção e composição da biomassa microalgal, destaque pode ser dado à espécie, fatores nutricionais e aspectos de engenharia bioquímica, como o tipo de reator empregado. Com relação à produção de hidrogênio, há alguns desafios importantes, incluindo o ajuste de condições para que haja produção durante todo o tempo de cultivo. Com relação à produção de biodiesel, a etapa de extração dos lipídeos é um dos pontos críticos a serem estudados, pois precisa ser eficiente e evitar alterações indesejáveis nas características dos ácidos graxos presentes. Os benefícios de uso de microalgas têm sido apontados na literatura, sendo que os biocombustíveis 3G podem ser, inclusive, produzidos de forma integrada dentro do conceito de biorrefinarias.

REFERÊNCIAS

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