UMinho | 2016
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Vânia Isabel Novais Cunha Pôjo
Seleção de Microalgas com Potencial
de Produção de Biocombustíveis
Janeiro de 2016
Vânia Isabel Novais Cunha Pôjo
Seleção de Microalgas com P
o
tencial de Produção de Biocombus
Dissertação de Mestrado
Mestrado em Bioengenharia
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Giuliano Marcelo Dragone Melnikov
e do
Professor Doutor José António Teixeira
Vânia Isabel Novais Cunha Pôjo
Seleção de Microalgas com Potencial
de Produção de Biocombustíveis
Janeiro de 2016
Universidade do Minho
Escola de Engenharia
ii
DECLARAÇÃO
Nome: Vânia Isabel Novais Cunha Pôjo
Endereço eletrónico: [email protected] Número do Bilhete de Identidade: 134359895
Título da Dissertação: Seleção de Microalgas com Potencial de Produção de Biocombustíveis Orientadores:
Professor Doutor Giuliano Marcelo Dragone Melnikov Professor Doutor José António Teixeira
Ano de conclusão: 2016
Designação do Mestrado: Mestrado em Bioengenharia
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA DISSERTAÇÃO APENAS PARA EFEITOS DE INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;
Universidade do Minho, 11 de Janeiro de 2016
iii AGRADECIMENTOS
Gostaria de expressar o meu profundo agradecimento ao meu orientador, Dr. Giuliano Dragone, pela simpatia, disponibilidade, conhecimento, dedicação, conselhos e sugestões.
Às minhas amigas, Marisa, Ana, Diana e Joana que sempre me apoiaram, encorajaram e me proporcionaram muitos momentos felizes. Muito obrigada, sem vocês teria sido mais difícil!
Para finalizar, gostaria de agradecer aos meus pais, Isabel e Cipriano, e ao meu irmão Miguel, que ao longo da minha formação académica sempre me apoiaram e incentivaram, nunca deixando de acreditar em mim. Pedro, obrigada pelo conforto que sempre encontrei junto de ti e pelo teu apoio incondicional.
Seleção de microalgas com potencial de produção de biocombustíveis v RESUMO
A dependência contínua dos combustíveis fósseis é insustentável, devido ao esgotamento das reservas mundiais e às emissões de gases de efeito de estufa associadas à sua utilização. Portanto, existem iniciativas de investigação vigorosas destinadas a desenvolver alternativas renováveis. A biomassa é a fonte de energia renovável mais promissora porque está naturalmente disponível, pode ser produzida em grandes quantidades e permite a produção de combustíveis líquidos, gasosos ou sólidos com potencial em diferentes setores. Além disso, é um recurso capaz de ser totalmente renovável e ambientalmente, socialmente e economicamente sustentável. A biomassa microalgal tem sido reconhecida recentemente.
Microalgas são microrganismos fotossintéticos, com requisitos mínimos de crescimento, que podem produzir lípidos, proteínas e carbohidratos em grandes quantidades, durante um curto período de tempo. Estes podem ser processados em biocombustíveis e em coprodutos de valor acrescentado.
Esta dissertação teve como principal objetivo avaliar o potencial de produção de biocombustíveis de algumas espécies de microalgas. As microalgas selecionadas, Chlorella emersonii ACOI 516, Chlorella vulgaris ACOI 879 e Chlorella saccharophila ACOI 96, foram cultivadas em cinco meios de cultura diferentes, MP12, TAP, BG-11, BBM e Chu_13 mod., em fotobiorreatores, com 6 % (v/v) de CO2, uma taxa
de arejamento de 0,2 vvm e 100 µmol de fotões m-2.s-1. Após o cultivo das microalgas nestas condições,
estas foram transferidas para os mesmos meios, no entanto, desprovidos de azoto, durante cerca de 4 dias, a fim de aumentar a concentração de lípidos e/ou amido nas células. O crescimento das microalgas selecionadas foi monitorizado através da determinação da concentração celular e quantificação da biomassa produzida. No final dos cultivos nas condições com e sem azoto, as quantidades de lípidos, amido e proteínas obtidas foram registadas.
Os resultados obtidos demonstraram que o meio MP12 foi um dos melhores para o crescimento das microalgas. C. vulgaris foi a microalga que obteve valores de concentração celular e peso da biomassa seca superiores. Para além disso, esta microalga apresentou um conteúdo lipídico de 39,2 % na condição sem azoto do meio TAP, tendo também atingido o maior valor de produtividade lipídica, nas mesmas condições (109,57 mg L-1 d-1). Em relação ao conteúdo de amido, C. emersonii foi a microalga que obteve
percentagens superiores – 42,7 % na condição sem azoto do meio BG-11. No entanto, C. vulgaris
demonstrou ser mais adequada para a produção de amido, por ter obtido valores de produtividade superiores. Estes resultados fazem valer a pena a concretização de mais estudos relativos à otimização das condições de cultura destas microalgas, visando ainda maiores produções de lípidos e amido e são passíveis de levar a futuros estudos de ampliação de escala com possibilidade de diminuição dos custos de produção de biomassa e seus produtos sem necessidade de investimentos adicionais.
Screening of microalgae with potential for biofuels production vii ABSTRACT
The continuous reliance on fossil fuels is unsustainable, due to the depletion of global reserves and the greenhouse gas emissions associated with their use. Therefore, there are vigorous research initiatives intended to develop renewable alternatives. Biomass is the most promising source of renewable energy because it is naturally available, can be produced in large quantities and allows the production of liquid, gaseous or solid fuels with potential in different sectors. Besides, it is a resource capable of being completely renewable and environmentally, socially and economically sustainable. Microalgal biomass has been recently recognized.
Microalgae are photosynthetic microorganisms with minimum growth requirements that can produce lipids, proteins and carbohydrates in large quantities in a short period of time. These products can then be processed into biofuels and in co-products of added value.
The present dissertation aimed to evaluate the potential for biofuels production of some
microalgae species. The selected microalgae, Chlorella emersonii ACOI 516, Chlorella vulgaris
ACOI 879 e Chlorella saccharophila ACOI 96, were grown in five different culture mediums MP12,
TAP, BG-11, BBM and Chu_13 mod., in photobioreactors, with 6 % (v/v) of CO2 at an aeration rate
of 0.2 vvm and 100 µmol photons m-2 s-1. After cultivation of microalgae in these conditions, they
were transferred to the same media, however, with nitrogen deficiency, for about 4 days, in order to increase the concentration of lipids and/or starch in cells. The microalgae growth was monitored by determining the cell concentration and quantification of biomass. At the end of cultivation with nitrogen supply and nitrogen deficiency, the amounts of lipids, starch and proteins obtained were registered.
The results obtained showed that MP12 is one of the best mediums for microalgae growth. The highest cellular concentration and biomass dry weight obtained was found to be in C. vulgaris. In addition, this microalga produced a lipid content of 39.2 % in TAP nitrogen deficiency, having
also reached the highest lipid productivity value, under the same conditions (109.57 mg L-1 d-1). In
relation to starch content, C. emersonii was the one who got higher values – 42.7 % in BG-11
nitrogen deficiency. However, C. vulgaris proved to be the most suitable for starch production by
having higher productivity values. These results makes worthwhile the realization of more studies
on optimization of culture conditions of these microalgae aiming higher yields of lipid and starch and are likely to lead to future studies of expanding scale with the possibility of reducing production costs of biomass and its products without need for additional investment.
ix ÍNDICE AGRADECIMENTOS... iii RESUMO ...v ABSTRACT ... vii ÍNDICE ... ix
LISTA DE FIGURAS ... xiii
LISTA DE TABELAS ... xv
ABREVIATURAS... xvii
PREFÁCIO ... xix
1. CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO.. ... 1
1.1. Questões ambientais salientes ... 3
1.2. Desenvolvimento de recursos de biocombustíveis ... 5
1.3. Características das microalgas ... 6
1.4. Vantagens de usar microalgas para a produção de biocombustíveis ... 9
1.5. Biocombustíveis derivados de microalgas ... 10
1.5.1. Biodiesel ... 11
1.5.2. Bio-óleo e Gás de Síntese ... 14
1.5.3. Bioetanol ... 15
1.5.4. Bio-hidrogénio ... 19
1.5.5. Biometano ... 20
1.6. Impacto da seleção da estirpe ... 21
1.7. Tecnologias de produção de microalgas ... 21
1.7.1. Sistemas de produção fotoautotróficos ... 21
1.7.1.1. Sistemas de cultura abertos ... 22
1.7.1.2. Sistemas de cultura fechados ... 23
1.7.1.3. Sistemas híbridos ... 24
x
1.9. Biocombustíveis de microalgas: que futuro? ... 26
2. CAPÍTULO II – MATERIAIS E MÉTODOS ... 29
2.1 Microrganismos ... 31
2.2 Meios de crescimento ... 31
2.3 Cultivo fotoautotrófico ... 37
2.3.1 Crescimento em meio com azoto ... 37
2.3.2 Crescimento em meio sem azoto ... 38
2.4 Monitorização do crescimento celular ... 38
2.5 Caracterização da biomassa ... 38
2.5.1 Análise de amido ... 39
2.5.2 Análise de Proteínas ... 40
2.5.3 Análise de Lípidos ... 40
2.6 Determinação das Produtividades ... 41
3. CAPÍTULO III – RESULTADOS ... 43
3.1 Crescimento das microalgas em meio com azoto ... 45
3.1.1 Chlorella emersonii ... 45
3.1.2 Chlorella vulgaris ... 46
3.1.3 Chlorella saccharophila ... 47
3.2 Crescimento das microalgas em meio sem azoto ... 48
3.3 Análise da Biomassa ... 51
3.3.1 Proteínas ... 51
3.3.2 Lípidos ... 52
3.3.3 Amido ... 53
xi
4. CAPÍTULO IV – DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 57
5. CAPÍTULO V – CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPETIVAS FUTURAS ... 71
xiii LISTA DE FIGURAS
CAPÍTULO I - INTRODUÇÃO
Figura 1 - Vias de produção de biocombustíveis a partir de microalgas. ... 11
Figura 2 - Transesterificação do óleo para biodiesel. R1-3 são grupos hidrocarboneto. ... 14
Figura 3 - Procedimento para a produção de bioetanol a partir de microalgas. ... 18
Figura 4 - Vista aérea de um raceway pond. ... 22
CAPÍTULO III - RESULTADOS Figura 5 - Concentração celular (A), peso da biomassa seca (B) e valores de pH (C) de C. emersonii ACOI 516, ao longo do tempo, em diferentes meios com azoto. ... 45
Figura 6 - Concentração celular (A), peso da biomassa seca (B) e valores de pH (C) de C. vulgaris ACOI 879, ao longo do tempo, em diferentes meios com azoto. ... 47
Figura 7 - Concentração celular (A), peso da biomassa seca (B) e valores de pH (C) de C. saccharophila ACOI 89, ao longo do tempo, em diferentes meios com azoto. ... 48
Figura 8 - Concentração celular (A), peso da biomassa seca (B) e valores de pH (C) de C. emersonii ACOI 516, ao longo do tempo, em diferentes meios sem azoto. ... 49
Figura 9 - Concentração celular (A), peso da biomassa seca (B) e valores de pH (C) de C. vulgaris ACOI 879, ao longo do tempo, em diferentes meios sem azoto. ... 50
Figura 10 - Concentração celular (A), peso da biomassa seca (B) e valores de pH (C) de C. saccharophila ACOI 96, ao longo do tempo, em diferentes meios sem azoto. ... 51
Figura 11 - Percentagem de proteínas em C. emersonii ACOI 516 (A), C. vulgaris ACOI 879 (B) e C. saccharophila ACOI 96 (C), nos diferentes meios em estudo, nas condições com e sem azoto e com e sem pré-tratamento com NaOH. N – Não determinado. ... 52
Figura 12 - Percentagem de lípidos em C. emersonii ACOI 516 (A), C. vulgaris ACOI 879 (B) e C. saccharophila ACOI 96 (C), nos diferentes meios em estudo, no inóculo e nas condições com e sem azoto.N – Não determinado. ... 53
Figura 13 - Percentagem de amido em C. emersonii ACOI 516 (A), C. vulgaris ACOI 879 (B) e C. saccharophila ACOI 96 (C), nos diferentes meios em estudo, no inóculo e nas condições com e sem azoto. N – Não determinado. ... 54
xv LISTA DE TABELAS
CAPÍTULO II – MATERIAIS E MÉTODOS
Tabela 1 - Concentração dos reagentes usados no meio MP12. ... 31
Tabela 2 - Concentração dos reagentes usados na preparação das soluções stock do meio TAP. 32 Tabela 3 - Composição do meio BG-11. ... 33
Tabela 4 - Composição da solução de micronutrientes do meio BG-11. ... 33
Tabela 5 - Composição do meio Chu_13 modificado. ... 34
Tabela 6 - Soluções stock constituintes do meio BBM. ... 34
Tabela 7 - Soluções stock constituintes do meio BBM. ... 35
Tabela 8 - Concentração dos reagentes utilizados nos cinco diferentes meios de cultura. ... 35
CAPÍTULO III - RESULTADOS Tabela 9 - Produtividades obtidas (biomassa, lípidos, amido e proteínas) para as microalgas C. emersonii ACOI 516, C. vulgaris ACOI 879 e C. saccharophila ACOI 96 nos meios MP12, TAP, BG-11, BBM e Chu_13 mod. nas condições com e sem azoto. ... 56
xvii ABREVIATURAS
MMbbl Million barrels
EISA Energy Independence and Security Act ATP Adenosina trifosfato
AGL Ácidos gordos livres TAG Triacilglicerídeo FBR Fotobiorreator
vvm Volume de gás por volume de suspensão de cultura por minuto rpm Rotações por minuto
xix
PREFÁCIO
Tendo em conta a crise energética em que se vive atualmente, causada pelo aumento da população mundial e pelas tendências atuais de consumo (nomeadamente de combustíveis fósseis), surgiu a necessidade de investigar energias renováveis que possam substituir parcialmente os recursos petroquímicos. As microalgas têm sido reconhecidas recentemente como fontes promissoras de biocombustíveis. Estas caracterizam um grupo diversificado de
microrganismos aquáticos, capazes de produzir O2, aumentando a sua concentração na atmosfera.
O crescimento de uma população de microalgas está dependente de vários fatores, nomeadamente, o tempo de exposição à luz, a intensidade e o comprimento de onda da fonte luminosa, a presença de nutrientes essenciais no meio, tais como, azoto (N) e fósforo (P); o local onde as microalgas são cultivadas, o arejamento das culturas e as variações de pH. Sob todas as condições favoráveis, estes microrganismos são capazes de elevadas velocidades de crescimento. Para além disso, quando comparadas com outras fontes de biocombustíveis, como é o caso dos biocombustíveis de 1ª e 2ª geração, algumas das suas principais vantagens são o facto de permitirem a melhoria da qualidade do ar; possuírem alta capacidade de adsorção de carbono; alto teor de lípidos; exigirem um meio de crescimento simples; apresentarem taxas de crescimento rápidas e tempos de geração curtos; não necessitarem de terrenos aráveis e poderem ser cultivadas em águas salobres; a sua produtividade não ser suscetível a variações sazonais e geográficas; não necessitarem de herbicidas; terem capacidade de remover fosfatos e nitratos de águas residuais e produzirem subprodutos valiosos para fins comerciais ou com propósito farmacêutico.
O conceito de bioconversão em microalgas traduz-se na utilização do processo fotossintético para a produção de biomassa para ser usada como uma fonte de energia e de produtos químicos. Algumas espécies de microalgas são conhecidas como produtores naturais de ácidos gordos e hidratos de carbono, o que faz destas, candidatas ideais para a produção de biodiesel e bioetanol. O teor de óleo nalgumas espécies do género Chlorella pode variar de cerca
de 14 a 63 % do peso seco. Estima-se que aproximadamente entre 46,760 - 140,290 L ha-1 de
etanol podem ser produzidos a partir de microalgas. Adicionalmente, a biomassa microalgal pode ser submetida a um processo de digestão anaeróbio, fazendo, desta forma, com que possa ser usada para a produção de biometano. A produção de hidrogénio também é possível graças à produtividade fotossintética reconhecida nestes microrganismos.
xx
O conteúdo em lípidos e hidratos de carbono pode aumentar nalgumas espécies de microalgas, se algumas condições do cultivo forem alteradas, como por exemplo, reduzindo a composição de elementos químicos necessários ao crescimento e divisão das células. Para além disso é possível aumentar o conteúdo destas macromoléculas no interior das células, otimizando alguns fatores determinantes como é o caso da intensidade da luz, da temperatura, salinidade e
da concentração de CO2 no meio de crescimento.
Desta forma, o principal objetivo da presente dissertação foi avaliar o potencial de produção de biocombustíveis de três espécies diferentes de Chlorella – C. emersonii, C. vulgaris e C. saccharophila. Para isso, estas espécies foram colocadas a crescer em diferentes meios de cultura, em condições específicas. A concentração celular e a quantidade de biomassa produzida foram analisadas ao longo do tempo. No final de cada crescimento, procedeu-se à extração de lípidos, amido e proteínas presentes nas células. Para além disso, metade da biomassa obtida no final do crescimento em condições normais foi transferida para meios desprovidos de azoto, com o objetivo de aumentar a concentração de lípidos e/ou amido nas células.
A presente dissertação está organizada em cinco capítulos. O capítulo 1 apresenta uma breve revisão das bases teóricas associadas a este trabalho, incluindo as questões ambientais salientes; o desenvolvimento de recursos de biocombustíveis; características das microalgas e as vantagens do seu uso para a produção de biocombustíveis. O capítulo 2 inclui os materiais e métodos utilizados no trabalho experimental. No capítulo 3, todos os resultados obtidos são apresentados. O capítulo 4 apresenta a discussão dos resultados obtidos. Finalmente, o capítulo 5 destaca as principais conclusões obtidas a partir do trabalho realizado e apresenta algumas sugestões para trabalho futuro.
1.
CAPÍTULO I
INTRODUÇÃO | 3
1.1. Questões ambientais salientes
O rápido crescimento da população mundial e a ascensão de países em desenvolvimento tem levado ao aumento das necessidades energéticas (Harun, Danquah, et al. 2010). Por isso, hoje em dia, a escassez dos recursos da petroquímica e o problema de poluição ambiental são dois desafios críticos, que precisam de ser abordados pela nossa sociedade.
Segundo a revisão estatística da energia mundial referente ao ano de 2013, da British
Petroleum (BP), o petróleo continua líder do combustível no mundo, com 32,9 % do consumo mundial de energia. Globalmente, o gás natural representa 23,7 % do consumo de energia primária. A participação do carvão no consumo global de energia primária atingiu 30,1 %, enquanto a energia nuclear e a hidroeletricidade contam com 4,4 % e 6,7 % do consumo total de energia primária, respetivamente (BP 2014).
No Reference case do International Energy Outlook 2014 (IEO2014), prevê-se que o
consumo de combustíveis líquidos no mundo aumente por mais de um terço (33 milhões de barris
de petróleo por dia (MMbbl d-1), de 87 MMbbl d-1 registados em 2010 para 119 MMbbl d-1 em 2040
(EIA-DOE 2014).
Todas as fontes de energia não-renováveis que existem para além do petróleo, como é o caso do gás natural, da energia nuclear (proveniente do urânio, por exemplo) e do carvão mineral são limitadas e inevitavelmente a sua disponibilidade também diminuirá. O carvão é o candidato imediato provável para substituir o petróleo como fonte de energia quando este se esgotar de forma definitiva. É rico em energia, pode ser convertido em combustível líquido, e ainda é muito abundante. No entanto, como o uso de carvão, em relação ao petróleo produz ainda maior
quantidade de emissões de CO2, o esgotamento do petróleo não irá ajudar na diminuição dos
níveis de CO2 na atmosfera (Campbell 2008).
De acordo com os resultados da literatura científica, a poluição ambiental é causada principalmente pela utilização de enormes quantidades de combustíveis fósseis, e o impacto dos seus co - produtos causa a poluição do ar, o aquecimento global, poluição da água e dos solos, derramamentos de óleo e efeitos na saúde adversos (Arora 2012).
Os principais produtos provenientes da combustão dos combustíveis fósseis são o dióxido
de carbono (CO2), óxidos de azoto e hidrocarbonetos, incluindo uma mistura de gases comumente
denominados por gases do efeito de estufa, que provocam desequilíbrio ambiental e alterações
4 | INTRODUÇÃO
significantes, tendo aumentado a sua percentagem na atmosfera 25 % desde que se iniciou a combustão dos combustíveis fósseis e prevê-se que aumente 1,9 % cada ano (Arora 2012).
Desta forma, a emissão de CO2 deve ser consideravelmente alta num futuro próximo.
Assim há uma necessidade urgente de neutralizar o efeito do CO2 na atmosfera para continuar o
crescimento económico e manter os padrões de vida. Nesta perspetiva, várias técnicas podem ser aplicadas. Uma técnica óbvia é reduzir o consumo de energia, no entanto, o aumento da população e o estilo de vida humana são os principais obstáculos para implementar isso. O
armazenamento do CO2 libertado pode ser outra solução (Chiu et al. 2008; Abbas et al. 2014). No
entanto, tanto barreiras técnicas como económicas limitam esta aplicação.
Devido à preocupação com o aquecimento global, que pode ser atribuído, principalmente,
ao elevado nível de CO2 na atmosfera (Kondili & Kaldellis 2007; Román-Leshkov et al. 2007), a
Organização das Nações Unidas promoveu o Protocolo de Quioto (1997), com o objetivo de reduzir os gases de efeito estufa 5,2 % com base na emissão de 1990, e mais de 170 países ratificaram o protocolo (Gutiérrez et al. 2008).
Vários investigadores começaram a procurar alternativas de energias renováveis que podem substituir parcialmente os recursos dos combustíveis fósseis para o estabelecimento de uma sociedade mais sustentável e promover a recuperação económica no mundo.
A biomassa é uma das mais importantes fontes de energia renováveis. Esta faz uso do ar, água, solo e da fotossíntese para produzir bioenergia. Pode ser extraída a partir de cultivos alimentares, resíduos de cultivos, madeira, lixo, excremento de animais e algas marinhas, etc. As principais vantagens da utilização de biomassa são o facto de ser renovável e menos poluidora. Biocombustíveis e biogases são produzidos a partir de biomassa como uma alternativa aos combustíveis provenientes do petróleo. Atualmente, a nível mundial, o desenvolvimento da biomassa tornou-se um caminho importante para ajustar a estrutura de energia e reduzir as emissões dos gases com efeito de estufa a fim de encontrar a sustentabilidade ambiental e económica (Berndes et al. 2003).
Consequentemente, muitos países estabeleceram metas nacionais de produção de biocombustíveis e proporcionam incentivos e apoios para acelerar o crescimento da indústria de
bioenergia. Por exemplo, nos EUA a Renewable Fuels Standard (RFS), parte da Energy
Independence and Security Act (EISA) de 2007, estabeleceu a meta de produção anual de ≈ 136 mil milhões de litros de biocombustíveis até 2022 (U.S. Congress 2007).
INTRODUÇÃO | 5 Para evitar impactos adversos sobre a oferta de alimentos para consumo do Homem, a EISA especifica ainda que 60 dos 136 mil milhões de litros de combustíveis renováveis produzidos em 2022 devem ser biocombustíveis avançados produzidos a partir de biomassa algal, por exemplo. No entanto, a capacidade de produção atual de biocombustíveis avançados é inferior a 37 mil milhões de litros em todo o mundo (Yue et al. 2014).
1.2. Desenvolvimento de recursos de biocombustíveis
A biomassa é a fonte de energia renovável mais promissora porque está naturalmente disponível, pode ser produzida em grandes quantidades e permite a produção de combustíveis líquidos, gasosos ou sólidos com potencial em diferentes sectores. Além disso, é um recurso capaz de ser totalmente renovável e ambientalmente, socialmente e economicamente sustentável (Demirbas 2008).
Os cultivos alimentares têm sido amplamente utilizados na produção industrial de biocombustíveis, como os principais representantes da primeira geração de biocombustíveis. As matérias-primas podem ser divididas em três categorias, culturas de açúcar (cana-de-açúcar e beterraba), culturas de amido (milho, trigo e sorgo) e oleaginosas (colza, soja e girassol). Todas estas matérias-primas podem ser convertidas para biocombustíveis por meio de técnicas diferentes. Mas o desenvolvimento da primeira geração de biocombustíveis apresenta alguns problemas. As culturas alimentícias não só têm um ciclo mais longo de crescimento, como também exigem grandes áreas de terra arável. À medida que a primeira geração de biocombustíveis foi alargando a escala de produção, um grande lote de terra arável foi ocupada, o que conduziu, por um lado, à desflorestação, degradação dos solos e erosão (impactos causados pela aplicação de fertilizantes, pesticidas e herbicidas) e à devastação da biodiversidade (Puppán 2002; Escobar et al. 2009); por outro lado, ao agravamento da fome e da pobreza nos países em desenvolvimento, uma vez que, os terrenos aráveis antes dedicados ao cultivo de bens alimentares estão destinados à produção de matéria-prima para a produção de biocombustíveis para alimentar os mercados dos países desenvolvidos (C. Ford & Senauer 2007).
Portanto, utilizar culturas alimentares para resolver a crise energética aumenta a crise alimentar.
A produção de biocombustíveis a partir de Jatropha, mandioca, Miscanthus, materiais
6 | INTRODUÇÃO
madeira), bem como os componentes não comestíveis do milho ou da cana-de-açúcar são exemplos de biocombustíveis de segunda geração (Dragone et al. 2010; de Vries et al. 2010).
Uma vez testada a viabilidade de produção dos biocombustíveis de segunda geração, espera-se que estas matérias-primas possam desacelerar a escassez de alimentos e os problemas de recuperação de terras. Mas, mesmo que o preço das matérias-primas dos biocombustíveis de segunda geração sejam inferiores e que essas matérias-primas apresentem grandes quantidades de celulose, o custo de produção é muito mais elevado em relação à primeira geração de biocombustíveis, porque a conversão da biomassa em açúcares fermentáveis envolve um pré-tratamento com enzimas especiais (Sims & Taylor 2008; Brennan & Owende 2010).
As matérias-primas para os biocombustíveis de terceira geração são os microrganismos aquáticos. As microalgas estão a liderar o desenvolvimento da terceira geração de biocombustíveis. As principais vantagens da sua utilização são a alta capacidade de adsorção de carbono; alto teor de lípidos; meio de crescimento simples e tempo de crescimento curto. O seu ciclo de colheita varia aproximadamente de entre 1 a 10 dias, dependendo do processo, permitindo colheitas múltiplas ou contínuas com aumento significativo no rendimento (Schenk et al. 2008). E, em comparação com a soja, por exemplo, o teor de lípidos de microalgas pode ser 25 a 200 vezes superior. O óleo extraído das microalgas pode ser transformado em biodiesel; os seus hidratos de carbono podem ser fermentados para álcool, e o azoto e o fósforo podem ser reciclados e usados como fertilizantes (Maity et al. 2014).
Desta forma, para que os recursos de biocombustíveis sejam tecnicamente e economicamente viáveis devem cumprir alguns requisitos, tais como (Himmel et al. 2007): ser competitivos ou custar menos do que os combustíveis de petróleo; exigir baixo ou nenhum uso adicional de terras; permitir a melhoria da qualidade do ar e exigir o uso mínimo de água. Utilizar microalgas como fonte de biocombustíveis pode atender a estas condições e, portanto, fazer uma contribuição significativa para responder à demanda de energia primária, proporcionando simultaneamente benefícios ambientais (Bai et al. 2008).
1.3. Características das microalgas
Ao contrário das plantas, as microalgas não possuem raízes, caules, folhas e vasos condutores (xilema/floema) (Croft et al. 2006). O termo microalga é normalmente uma referência
INTRODUÇÃO | 7 a formas eucariotas mas muitas vezes é estendido na literatura para incluir cianobactérias (Mutanda et al. 2011).
As microalgas caracterizam um incrível e diversificado grupo polifilético de organismos com representantes procariotas e eucariotas (Croft et al. 2006). Acredita-se que existam entre 200 a 800 mil espécies (Ratha & Prasanna 2012), no entanto, apenas alguns milhares são mantidos em coleções e apenas algumas são cultivadas em escala industrial (Parmar et al. 2011).
De acordo com Tomaselli (2004), as microalgas têm sido tradicionalmente classificadas por vários critérios, tais como o tipo de pigmentos, a natureza química dos produtos de reserva e pelos constituintes da parede celular. Também tem sido tomado em conta aspetos morfológicos e citológicos, tais como a ocorrência de células flageladas, a estrutura dos flagelos, os processos de formação do núcleo e a divisão celular, a presença de um envelope no retículo endoplasmático em torno do cloroplasto e a conexão entre o retículo endoplasmático e a membrana nuclear (Tomaselli 2004; Dragone et al. 2010). Muitas espécies são altamente adaptáveis na sua morfologia, facto que pode tornar duvidosa a sua classificação (Surek 2008).
As três classes mais importantes em termos de abundância são as diatomáceas (Bacillariophyceae), as algas castanhas (Chrysophyceae), e as algas verdes (Chlorophyceae). O grupo maior de Chlorophyceae é constituído por várias formas marinhas e de água doce, unicelulares e filamentosas, com uma área geográfica ampla e taxas de crescimento rápido. Este
grupo inclui as espécies mais estudadas, tais como Chlorella spp., Chlamydomonas spp.,
Dunaliella spp. e Haematococcus spp. (Pulz & Gross 2004).
As cianobactérias também são referidas como microalgas, que no fitoplâncton, representam a forma dominante de vida e provavelmente o maior grupo produtor de biomassa na Terra.
Todas elas são capazes de produzir O2, aumentando a sua concentração na atmosfera,
através do uso de pigmentos fotossintéticos; têm gamas de tamanhos celulares que podem variar
entre 2 a 200 μm e várias estratégias de alimentação, das autotróficas às heterotróficas (Barsanti
& Gualtieri 2006). A grande maioria das microalgas apresenta um metabolismo autotrófico fotossintético que se caracteriza pela sua capacidade de sintetizar matéria orgânica de reserva a
partir de carbono inorgânico (nomeadamente CO2 atmosférico), através do processo de
fotossíntese (Richmond 2004; Sukahara & Awayama 2005; Eshaq et al. 2010). Dentro das autotróficas, podem ser fotoautotróficas, usando a luz como fonte de energia, ou quimioautotróficas, oxidando compostos inorgânicos para obtenção de energia (Dragone et al.
8 | INTRODUÇÃO
2010). Para as algas autotróficas, a fotossíntese é um componente chave na sua sobrevivência,
através do qual convertem radiação solar e CO2, absorvido pelos cloroplastos, em adenosina
trifosfato (ATP) e O2, a energia utilizável a nível celular, que é depois usada na respiração para
produzir energia e apoiar o crescimento celular (Brennan & Owende 2010; Dragone et al. 2010). Muitas outras espécies apresentam outros tipos de metabolismo, nomeadamente as microalgas heterotróficas que utilizam somente compostos orgânicos como fonte de carbono e de energia. Dentro desta classe, podem ser fotoheterotróficas, usando a luz como fonte de energia, ou quimioheterotróficas, oxidando compostos orgânicos para receber energia. O meio de cultura heterotrófico é bastante similar ao meio de cultura autotrófico com a exceção de que é adicionado um composto de carbono orgânico, normalmente glucose, acetato ou glicerol e crescem na ausência de luz. Por norma, estas culturas heterotróficas apresentam algumas desvantagens, nomeadamente na limitação de espécies de microalgas que conseguem crescer desta forma; no aumento dos custos devido à adição de mais um composto no meio, o carbono orgânico; na contaminação e competição por outros microrganismos e inibição por excesso de substrato orgânico (Lee Y.K. 2004; Perez-Garcia et al. 2011). Algumas microalgas fotossintéticas são mixotróficas, ou seja, são capazes de viver de modo autotrófico ou heterotrófico, dependendo da concentração de compostos orgânicos e da intensidade de luz disponível, podendo também ser designadas por autotróficas facultativas (Ferreira & Sousa 1998; Lee 2008).
As respostas aos estímulos ou às mudanças ambientais são inerentes a todos os organismos vivos. Nas microalgas, as condições ambientais afetam o crescimento celular, podendo reduzir a sua taxa de crescimento ou alterar alguma reação bioquímica. Pode também provocar um desequilíbrio metabólico, desencadeando ajustes bioquímicos, induzindo as células a estabelecer um novo estado de crescimento e biossíntese (Vonshak & Torzillo 2004).
O crescimento de uma população de microalgas é resultado da interação entre fatores biológicos, físicos e químicos. Os fatores biológicos estão relacionados com as taxas metabólicas da espécie cultivada. Os fatores físico-químicos são principalmente a luz, a temperatura, a salinidade e a disponibilidade de nutrientes (Lourenço 2006).
O tempo de exposição à luz, conhecido como fotoperíodo, a intensidade e o comprimento de onda da fonte luminosa é de importância fundamental para as microalgas, porque o aumento da luz proporcional ao nível de saturação ou de máxima produção celular pode causar inibição da atividade fotossintética (Boney 1989)
INTRODUÇÃO | 9 Em relação à nutrição, para um crescimento ótimo, as microalgas têm necessidade de uma série de nutrientes (Lourenço 2006). O meio de crescimento deve fornecer os elementos inorgânicos que constituem a célula das algas. Elementos essenciais incluem azoto (N) e fósforo (P). Requisitos nutricionais mínimos podem ser estimados usando a fórmula molecular
aproximada da biomassa microalgal, que é CO0.48H1.83N0.11P0.01 (Chisti 2007; Dragone et al. 2010;
Grobbelaar 2007). O azoto é muitas vezes fornecido na forma de nitrato (NO3-), mas também
frequentemente através da amónia (NH4+) e da ureia. A ureia é mais favorável como fonte de azoto
porque, para uma concentração equivalente de azoto, proporciona rendimentos mais elevados e provoca variações de pH inferiores no meio, durante o crescimento celular (Shi et al. 2000; Dragone et al. 2010). Por outro lado, nutrientes como o fósforo (P) devem ser fornecidos em excesso significativo porque os fosfatos adicionados ligam-se aos iões metálicos, por isso nem todos os P ficam disponíveis para consumo (Chisti 2007). Além disso, o crescimento das microalgas depende não só de um fornecimento adequado de macronutrientes essenciais como
carbono, azoto, fósforo e silício e iões maiores como Mg2+, Ca2+, Cl-, e SO42- mas também de um
número de micronutrientes como ferro, manganésio, zinco, cobalto, cobre e molibdénio (Sunda et al. 2005; Dragone et al. 2010). Algumas microalgas também necessitam de baixas concentrações de vitaminas no meio de cultura (Robert R. L. Guillard 1975).
Além dos fatores anteriormente descritos, outros podem influenciar o desenvolvimento das culturas, como o local onde as microalgas são cultivadas, o arejamento das culturas e as variações de pH (Richmond 1990).
Sob todas as condições favoráveis, as microalgas podem apresentar elevadas velocidades de crescimento. Em geral, a maioria das microalgas tem um tempo de duplicação da biomassa de cerca de 24 h mas, em casos muito favoráveis, poderá atingir 3,5 h durante a fase exponencial de crescimento (Chisti 2007).
1.4. Vantagens de usar microalgas para a produção de biocombustíveis
As microalgas têm rendimentos elevados de energia solar; taxas rápidas de crescimento e tempos de geração curtos e são vulgarmente conhecidas por duplicarem a sua biomassa no período de 24 h, o que permite colheitas múltiplas e contínuas de biomassa durante todo o ano (Chisti 2007; Schenk et al. 2008). Algumas espécies têm tempos de duplicação tão curtos quanto 3,5 h, o que resulta em múltiplas divisões da sua biomassa por dia; necessitam de menos água
10 | INTRODUÇÃO
doce para cultivo, do que as plantas terrestres (Ahmad et al. 2011; Li, Horsman, Wu, Lan & Dubois-calero 2008); o cultivo de microalgas pode ocorrer em terrenos não aráveis e em águas salobres (Li, Horsman, Wu, Lan & Dubois-calero 2008), reduzindo a pressão sobre os recursos necessários para a produção de culturas alimentares, assim como, prevenindo efeitos ambientais adversos. Não têm necessidade de utilização de produtos químicos, como herbicidas ou pesticidas, diminuindo, por isso, os custos e os impactos ambientais (Rawat et al. 2011); adicionalmente, estes microrganismos requerem menor espaço terrestre para serem cultivados, cerca de 2 % da terra necessária para produzir a mesma quantidade de biodiesel a partir de culturas oleaginosas (Ahmad et al. 2011); durante o crescimento das microalgas, estas têm capacidade de remover fosfatos e nitratos de águas residuais, que usam como substrato para o seu crescimento, o que consequentemente favorece a produção de biocombustíveis e, ao mesmo tempo, faz com que estas contribuam para o tratamento terciário de águas residuais. Algumas microalgas produzem subprodutos valiosos na forma de proteínas, pigmentos, biopolímeros, incluindo substâncias antioxidantes para fins comerciais ou com propósito farmacêutico (Brennan & Owende 2010; Ahmad et al. 2011; Rawat et al. 2011; Kumar et al. 2014); o custo associado à colheita e ao transporte da biomassa é relativamente baixo quando comparado com o de culturas oleaginosas. A biomassa residual pode ser usada como fertilizante ou na produção de outros produtos de alta energia, podendo desta forma contribuir para melhoras na economia (Ahmad et al. 2011).
1.5. Biocombustíveis derivados de microalgas
A biomassa pode ser convertida em formas utilizáveis usando uma variedade de maneiras diferentes (Figura 1). As reações de conversão da biomassa em energia podem ser bioquímicas e termoquímicas. A conversão termoquímica é a decomposição térmica dos componentes orgânicos da biomassa para produzir produtos de combustão. Exemplos deste tipo de conversão são a gaseificação, a pirólise e a liquefação. Exemplos de conversões bioquímicas são a fermentação, a digestão anaeróbia, as células de combustível, e outros processos de produção de combustível utilizando o metabolismo dos organismos. As vias biológicas para conversão da biomassa são geralmente mais eficientes em termos de reciclagem de nutrientes e de matéria orgânica.
A produção fotobiológica de combustíveis e produtos químicos a partir de microalgas é, provavelmente, uma das iniciativas mais importantes no sentido de estabelecer uma importante
INTRODUÇÃO | 11 fonte de fornecimento de energia renovável. O conceito de bioconversão por microalgas é a utilização do processo fotossintético para a produção de biomassa para ser usada como uma fonte
de energia e de produtos químicos. Um rendimento de produção de microalgas de 15 - 25 tpeso-seco
ha-1 ano-1 foi alcançado ao longo de um período relativamente longo e algumas microalgas são
conhecidas como produtores naturais de ácidos gordos e hidratos de carbono (Du et al. 2008).
Figura 1 – Vias de produção de biocombustíveis a partir de microalgas (Mussatto et al. 2010).
1.5.1. Biodiesel
O conceito de utilização de combustível à base de óleos vegetais remonta a 1895, quando o Dr. Rudolf Diesel desenvolveu o primeiro motor de ignição por compressão especificamente para
funcionar com óleos vegetais. Uma vez que o biodiesel tem propriedades semelhantes ao diesel
convencional, pode ser misturado em qualquer proporção com o diesel proveniente do petróleo e
pode ser utilizado em motores diesel sem grandes modificações (Puppán 2002).
Trata-se de um combustível de queima limpa, oxigenado e à base de ésteres monoalquílicos, que pode ser feito a partir dos lípidos extraídos das microalgas. É renovável, simples de usar, apresenta características de alta combustão, biodegradável, não tóxico, e essencialmente livre de enxofre e compostos aromáticos (Puppán 2002).
12 | INTRODUÇÃO
A produção de biodiesel a partir de microalgas é um processo de quatro etapas: cultivo das microalgas, colheita, extração dos lípidos, e conversão em biodiesel. A extração dos lípidos exige rompimento celular por métodos que podem ser mecânicos, químicos, ou biológicos ou podem também ser extraídos com a utilização de solventes.
Para maior rendimento deste processo, já foram avaliadas técnicas que envolvem a utilização de enzimas, radiação micro-ondas, sonicação, água quente, e organoclorados (compostos orgânicos que contêm, pelo menos, um átomo de cloro ligado covalentemente) (Halim et al. 2012).
Pelo facto da parede celular das microalgas ser tipicamente espessa e forte, foram sugeridos métodos de rutura celular severos, que usam peróxido de hidrogénio como agente oxidante ou água quente contendo ácido sulfúrico, para obtenção de rendimentos de extração de lípidos superiores (Lee et al. 2013; Park et al. 2014). Os lípidos extraídos das microalgas podem ser de diversos tipos, tais como, lípidos neutros (triacilglicerídeos), glicolípidos, fosfolípidos e ácidos gordos livres (AGL) (Prabhakara Rao et al. 2013). Entre todos, os triacilglicerídeos e os AGL são os principais recursos para a conversão em biodiesel.
Muito do trabalho de investigação em curso foca-se num pequeno número de espécies de microalgas de rápido crescimento que tenham sido descritas como capazes de acumular quantidades substanciais de lípidos, embora sob condições específicas. Dentro das algas verdes,
espécies típicas incluem Chlamydomonas reinhardtii, Dunaliella salina, e várias espécies de
Chlorella, bem como Botryococcus braunii, que apesar de crescimento lento podem acumular grandes quantidades de lípidos (Dragone et al. 2010).
O rendimento de óleo das microalgas e o perfil dos ácidos gordos pode variar de acordo com as espécies e com as condições do cultivo. O teor de óleo nalgumas espécies do género Chlorella (Chlorophyta) pode variar de cerca de 14 a 63 % do peso seco, e a composição de ácidos gordos foi relatada como podendo variar de C-14:0 a C-20:0 (Tang et al. 2011).
O conteúdo lipídico pode aumentar nalgumas espécies de microalgas, se algumas condições do cultivo forem alteradas, como por exemplo, reduzindo a composição de elementos químicos necessários ao crescimento e divisão das células (Sheehan et al. 1998). Nesta situação,
as células param de proliferar, mas é mantida a fixação de CO2, que é então convertido em
glucose, em seguida em ácidos gordos e, finalmente, em triacilglicerídeos (TAG) (Hu et al. 2008). Isto pode ser explicado pelo facto de, por exemplo, o azoto ser essencial para a síntese de proteínas e ácidos nucleicos e a sua privação faz com que a célula deixe de ter substrato para se
INTRODUÇÃO | 13 multiplicar, continuando a contar, no entanto, com o mecanismo desenvolvido para a fixação de
CO2 (Xin et al. 2010). Desta forma, o conteúdo lipídico pode aumentar até 2 vezes (Illman et al.
2000; Fidalgo et al. 1998).
De forma a aumentar a concentração de lípidos no interior das células de microalgas, é possível otimizar alguns fatores de crescimento determinantes, como a intensidade da luz, os
níveis de azoto, a temperatura, a salinidade, a concentração de CO2 e os procedimentos de
colheita (Dragone et al. 2010).
No entanto, aumentar a acumulação de lípidos não resultará no aumento da produtividade de lípidos, uma vez que a produtividade da biomassa e a acumulação de lípidos não estão necessariamente correlacionados (Rodolfi et al. 2009; Sheehan et al. 1998). A acumulação de lípidos refere-se ao aumento da concentração de lípidos no interior das células de microalgas sem ter em conta a produção total de biomassa. A produtividade de lípidos leva em conta tanto a concentração de lípidos no interior das células, como a biomassa produzida por estas células e é, portanto, um indicador mais útil dos potenciais custos de produção de biocombustíveis líquidos (Brennan & Owende 2010; Dragone et al. 2010).
A adaptação das microalgas a mudanças ambientais é normalmente resultado de uma mudança no padrão dos lípidos e na síntese de vários compostos incomuns (Guschina & Harwood 2006). Esta é provavelmente a razão pela qual as microalgas têm uma superprodução de ácidos gordos quando sujeitas a condições de stresse.
A caracterização dos lípidos é um requisito, uma vez que, espécies diferentes de microalgas produzem diferentes tipos de ácidos gordos. Alguns ácidos gordos são mais adequados para a transesterificação em biodiesel do que outros. A maior parte dos óleos das microalgas são ricos em ácidos gordos polinsaturados com quatro ou mais ligações duplas. O problema associado a este grau de polinsaturação é, estes ácidos gordos e os ésteres metílicos de ácidos gordos são suscetíveis à oxidação durante o armazenamento, reduzindo assim a sua aceitabilidade para utilização no biodiesel (Chisti 2007).
Para a produção de biodiesel, três moléculas de ácidos gordos são esterificadas com uma molécula de glicerol (Chisti 2007). Os TAG são colocados a reagir com metanol numa reação conhecida como transesterificação ou alcoólise. A transesterificação produz ésteres metílicos de ácidos gordos, que são biodiesel, e glicerol (Figura 2). A reação ocorre por etapas: inicialmente, os TAG são convertidos para diglicerídeos, depois para monoglicerídeos e, em seguida, para gliceróis. A transesterificação requer 3 mol de álcool por cada mol de TAG, para produzir 1 mol de glicerol e
14 | INTRODUÇÃO
3 mol de ésteres metílicos (Figura 2). A reação é um equilíbrio. Os processos industriais usam 6 mol de metanol por cada mol de TAG (Fukuda et al. 2001). Este excesso de metanol garante que a reação é conduzida na direção dos ésteres metílicos, ou seja, no sentido do biodiesel. A transesterificação é catalisada por ácidos, bases (Fukuda et al. 2001; Meher et al. 2006) ou por lipases (Sharma et al. 2001). Quando catalisada por uma base é cerca de 4000 vezes mais rápida do que quando catalisada por um ácido (Fukuda et al. 2001). O uso de lipases oferece vantagens importantes, mas não é atualmente possível por causa do custo relativamente alto deste catalisador (Fukuda et al. 2001).
Figura 2 - Transesterificação do óleo para biodiesel. R1-3 são grupos hidrocarboneto (Chisti 2007).
Outros álcoois, em vez do metanol, podem ser usados, mas o metanol é o menos caro. Para evitar a perda de rendimento devido a reações de saponificação (ou seja, formação de sabão), o óleo e o álcool devem estar secos e o óleo deve ter um mínimo de AGL. O biodiesel é recuperado por lavagens repetidas com água para remover o glicerol e o metanol (Chisti 2007).
A colheita das microalgas é vista como um dos principais desafios da sua utilização para a produção de biodiesel. As microalgas que armazenam lípidos são geralmente unicelulares, têm baixas densidades e são encontradas em suspensão, tornando a separação difícil. Os procedimentos de extração em grande escala para os lípidos de microalgas são complexos e ainda estão em fase de desenvolvimento (Rawat et al. 2011). Outros desafios no que diz respeito à utilização do biodiesel como combustível são a sua suscetibilidade a oxidação bacteriana, podendo causar corrosão interna dos tanques de armazenamento (Antoni et al. 2007). No entanto, o biodiesel tem potencial para ser um combustível 100 % biológico no futuro (Antoni et al. 2007).
1.5.2. Bio-óleo e Gás de Síntese
Quando a biomassa é processada sob altas temperaturas (entre ≈ 400 °C e 800 °C) na
ausência de oxigénio, os produtos são produzidos em três fases: a fase de vapor (≈ 800 °C), a
INTRODUÇÃO | 15 Bridgwater 2003). A fase líquida é uma mistura complexa chamada bio-óleo, também conhecido como óleo de pirólise (Ringer et al. 2006). O gás de síntese, derivado da biomassa microalgal, a
partir do processo de gaseificação, é um gás de mistura composto principalmente por CO e H2.
O bio-óleo tem várias características indesejáveis, tais como, conteúdo de oxigénio (35 % – 40 % p/p) e água (15 % - 30 %) muito elevado, é altamente corrosivo e quimicamente instável devido ao elevado teor de sólidos (Czernik & Bridgwater 2004; Bridgwater et al. 1999; Chiaramonti et al. 2007; Bridgwater 2003). Além disso, o seu teor de metais alcalinos pode conduzir a incrustações e contribuir para o envenenamento do catalisador. A elevada viscosidade do óleo de pirólise em comparação com o petróleo bruto requer maior trabalho de bombeamento. A sua polaridade devido ao alto teor de oxigénio faz com que o óleo de pirólise seja mais propenso a agarrar-se às paredes dos tanques. Devido ao seu promissor potencial para substituir o petróleo bruto, há vários trabalhos de pesquisa sobre a estabilização e modernização dos óleos de pirólise (Bunting et al. 2010).
Recentemente, alguns estudos têm sido realizados sobre o potencial da biomassa de microalgas para a produção de bio-óleo (Demirbaş 2006; Miao & Wu 2004; Miao et al. 2004). Foi demonstrado que, em geral, os bio-óleos de microalgas são de melhor qualidade do que o bio-óleo da madeira, por exemplo (Demirbaş 2006).
1.5.3. 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).
16 | INTRODUÇÃO
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
INTRODUÇÃO | 17
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.
18 | INTRODUÇÃO
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).
1.5.4. Bio-hidrogénio
Relacionadas com a sua produtividade fotossintética e eficiência de utilização da luz, as microalgas podem realizar reações bioquímicas e fotoquímicas especiais com requisitos mínimos que tornam a produção de hidrogénio possível em ambientes aeróbios e anaeróbios (Das &
Veziroǧlu 2001; Benemann 2000).
Elas usam nitrogenases e hidrogenases, que estão intimamente relacionadas com o processo final de geração de hidrogénio na fotossíntese (Masukawa et al. 2002; Kosourov et al. 2005). A nitrogenase é uma enzima que participa na fixação biológica do azoto e a hidrogenase é capaz de catalisar as reações de consumo de hidrogénio. A produção de hidrogénio com base nestas enzimas difere no consumo de energia. Reações mediadas pela hidrogenase são cerca de três vezes mais eficientes do que as catalisadas pela nitrogenase, com base na energia despendida sob a forma de ATP. Por outro lado, as nitrogenases são relativamente menos sensíveis ao oxigénio em comparação com as hidrogenases (Miyake et al. 2004; Dasgupta et al. 2010), no entanto, ambas são sensíveis ao oxigénio. É importante controlar as condições de cultura para a produção ótima de hidrogénio.
As vias metabólicas para a produção de hidrogénio diferem de acordo com o microrganismo (Murugesan et al. 2009; Levin et al. 2004). No caso das microalgas, a produção de hidrogénio ocorre através da fotólise (neste processo, a energia luminosa é utilizada para separar os átomos que compõem a molécula de água, havendo libertação de eletrões, que são depois
usados para repor os perdidos pela clorofila na sua excitação. A molécula de oxigénio (O2)
resultante é libertada para a atmosfera, como resíduo da reação química) direta e indireta da água. A fotólise direta envolve a energia da luz e os sistemas fotossintéticos das microalgas para converter água em energia química. No entanto, durante a fotossíntese, o oxigénio produzido pode inibir a atividade da enzima hidrogenase. A fotólise indireta supera a limitação da inibição da
20 | INTRODUÇÃO
hidrogenase pelo oxigénio através da produção de oxigénio fotossintético e hidrogénio em duas fases separadas. O hidrogénio é produzido na segunda fase onde a anaerobiose é forçada pela privação de enxofre (González-Fernández et al. 2012):
(a) Fotólise direta: 2H2O Luz 2H2 + O2
(b) Fotólise indireta:
(1) 12H2O + 6CO2 Luz C6H12O6 + 6O2
(2) C6H12O6 + 12H2O 12H2 + 6CO2
Obviamente, a estratégia indireta confere uma complexidade adicional ao sistema. Neste ponto, deve-se ressaltar que de acordo com Benemann (2000) para a biofotólise ser uma fonte de energia competitiva, a eficiência da conversão de energia solar deve ser em torno dos 10 %. Os
valores mais elevados encontrados na literatura foram relatados por Kruse et al. (2005) que
alcançou 2 % de eficiência de conversão em escala laboratorial através da fotólise direta. Assim, a produção de hidrogénio por microalgas ainda tem de ser desenvolvida para que esta tecnologia possa desempenhar um papel importante no desenvolvimento da produção de biocombustíveis sustentáveis.
1.5.5. Biometano
O biometano é produzido a partir da digestão anaeróbia da matéria orgânica (neste caso, microalgas), por bactérias anaeróbias, ou seja, que se desenvolvem em ambientes sem oxigénio. Os principais produtos deste processo são os gases metano (55 - 75 %) e dióxido de carbono (25 – 45 %) (biogás), uma parte sólida que decanta no fundo do tanque (biofertilizante), e uma parte líquida que corresponde ao efluente mineralizado (tratado) (Pienkos & Darzins 2009; GOLUEKE et al. 1957; Mussgnug et al. 2010).
O metano é uma forma de energia renovável, enquanto os outros dois produtos (efluente mineralizado e o dióxido de carbono) podem ser reciclados para o sistema de cultivo de microalgas (GOLUEKE et al. 1957; Schenk et al. 2008).
A biomassa microalgal, tendo nas suas células quantidades altas de lípidos, amido e proteínas, baixa quantidade de celulose e, por outro lado, a ausência de lenhina, possibilita uma digestão anaeróbia fiável e eficaz. Estas especificações fazem das microalgas uma boa alternativa
INTRODUÇÃO | 21 para a produção eficaz de biometano em comparação com as outras (Pienkos & Darzins 2009; Mussgnug et al. 2010; Schenk et al. 2008). A biomassa de microalgas que resta após a digestão anaeróbia pode ainda ser processada para fabricar fertilizantes que podem acrescentar um valor adicional ao processo global (Mussgnug et al. 2010; Doušková et al. 2010).
1.6. Impacto da seleção da estirpe
Na produção de biocombustíveis, para se obter sucesso, é essencial escolher a estirpe de microalga apropriada. Geralmente, a microalga deve ser capaz de sobreviver a uma grande variedade de temperaturas de forma a sobreviver às variações sazonais; possuir alta eficiência fotossintética; não necessitar de muitos nutrientes; ser capaz de dominar estirpes selvagens em
sistemas de produção open pond; sobreviver às tensões de cisalhamento comuns nos
fotobiorreatores; elevada produção de lípidos, hidratos de carbono (especialmente amido); alta
capacidade de captação de CO2; características de autofloculação e produção de coprodutos
valiosos. No entanto, atualmente, nenhuma estirpe de microalgas possui todas estas características ao mesmo tempo (Brennan & Owende 2010).
1.7. Tecnologias de produção de microalgas
O princípio por trás do desenvolvimento e produção de microalgas é relativamente simples. Para responder aos requisitos biológicos destas culturas, foram desenvolvidos vários tipos de tecnologias. A tecnologia mais favorável à produção de microalgas depende do produto alvo, por isso, é necessário ter atenção cuidada na seleção da espécie e no conhecimento da sua fisiologia (Dimitrov 2007).
1.7.1. Sistemas de produção fotoautotróficos
Neste tipo de sistemas de produção, as microalgas usam luz como fonte de energia única
e CO2 como fonte de carbono. Foram os primeiros sistemas a ser criados, sendo atualmente os
mais difundidos. Os sistemas de produção fotoautotróficos podem ser abertos, fechados ou híbridos.
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1.7.1.1. Sistemas de cultura abertos
Os sistemas de cultura abertos são os mais baratos para produção de biomassa microalgal em grande escala porque, como podem ser implementados em áreas com potencial produtivo de cultura marginal, não competem forçosamente por terra com culturas agrícolas.
Quando comparados com os sistemas de cultura fechados, os sistemas de cultura abertos são menos dispendiosos para construir e operar, mais duráveis e com grande capacidade de produção. No entanto, geralmente são mais suscetíveis às condições meteorológicas, devido a ciclos diurnos e variações sazonais, não permitindo o controlo da temperatura da água, nem o
controlo dos níveis de CO2, devido à sua difusão na atmosfera. Para além disso, normalmente
possuem mecanismos de agitação ineficientes; apresentam riscos de contaminação elevados, nomeadamente por outras espécies de algas, protozoários, bactérias e outros contaminantes biológicos. Para as microalgas receberem energia solar suficiente para crescer, o nível de água não pode ser mantido muito mais alto do que 15 cm (Benemann & Oswald 1996; Carlsson et al. 2007). Todos estes fatores tornam estes sistemas menos eficientes, quando comparados com os sistemas fechados (Richmond 2004).
Normalmente, os sistemas de cultura abertos são projetos "raceway", nos quais as microalgas são cultivadas (Figura 4). Estes representam o design mais eficiente para a produção em larga escala (Spolaore et al. 2006). A água é normalmente mantida em movimento por rodas de pás ou estruturas rotativas (Mata et al. 2010). Os nutrientes podem ser fornecidos através de águas de escoamento de terras próximas, ou através da canalização da água das estações de tratamento de resíduos (Spolaore et al. 2006).
