Avaliação da pegada hídrica de um fotobioreator para produção de microalgas

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DOCUMENTO CONFIDENCIAL. UTILIZAR APENAS PARA PROPÓSITOS DA AVALIAÇÃO

Mestrado Integrado em Engenharia Química

Avaliação da pegada hídrica de um

fotobioreator para produção de microalgas

Dissertação de Mestrado

de

Francisca Seabra Marques

Desenvolvida no âmbito da unidade curricular de Dissertação realizado em

A4F – Algae For Future, SA

Orientadores na FEUP: Doutora Teresa Margarida Correia de Poço Mata Doutor António Augusto Areosa Martins Orientador na A4F: Engenheiro Edgar Tavares dos Santos

Departamento de Engenharia Química

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Avaliação da pegada hídrica de um fotobioreator para produção de microalgas

Agradecimentos

A realização desta dissertação de mestrado contou com vários apoios que se revelaram fundamentais para conclusão deste meu ciclo de estudos.

Primeiramente gostaria de agradecer ao Dr. Vitor Verdelho por me oferecer esta oportunidade de desenvolver um tema de grande interesse pessoal na empresa A4F – Algae For Future, SA. De seguida, gostaria de agradecer aos meus orientadores, Doutora Teresa Mata e Doutor António Martins, por todo o apoio incondicional, profissionalismo e disponibilidade total durante a realização da dissertação.

Agradeço também toda a disponibilidade dos orientadores da A4F, Engenheiro Edgar Santos, Engenheira Sara Badenes e Engenheiro Luís Costa, em fornecer as informações necessárias para a concretização do trabalho desenvolvido.

Por último, queria agradecer à minha família por todo o apoio e energia positiva transmitida no decorrer da dissertação.

A Prof. Teresa Mata, orientadora desta dissertação, é membro integrado do LEPABE – Laboratório de Engenharia de Processos, Ambiente, Biotecnologia e Energia, financiado pelos Projetos (i) POCI-01-0145-FEDER-006939 (Laboratório de Engenharia de Processos, Ambiente, Biotecnologia e Energia, UID/EQU/00511/2013) financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER), através do COMPETE2020 – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI) e por fundos nacionais através da Fundação para a Ciência e a Tecnologia I.P., (ii) NORTE‐01‐0145‐FEDER‐000005 – LEPABE-2-ECO-INNOVATION, financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER), através do COMPETE2020 – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI) e Programa Operacional Regional do Norte (NORTE2020)

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Resumo

Nas últimas décadas, a produção de biomassa a partir de microalgas tornou-se alvo de pesquisas intensivas devido à sua capacidade de acumular uma quantidade significativa de lípidos, absorver CO2 e apresentar uma elevada qualidade e versatilidade nos seus subprodutos, como

produzir biocombustíveis, fertilizantes para solos e extrair componentes, como pigmentos fotossintéticos e antioxidantes.

A produção destes microrganismos não necessita de terrenos com elevadas dimensões. Crescem em solos por vezes não-aráveis e podem ser também cultivados em águas residuais, contribuindo para o tratamento destas uma vez que podem utilizar os poluentes da água como nutrientes para o seu rápido crescimento.

Os sistemas normalmente utilizados para o cultivo de microalgas são fotobioreatores fechados ou lagoas abertas, também conhecidas como “open ponds”. O primeiro, por ser um sistema fechado, permite um maior controlo de parâmetros operatórios que é a condição essencial para a produção de compostos de elevado valor comercial. No entanto, os sistemas fechados são sinónimo de maior investimento financeiro, pelo que a avaliação da sustentabilidade de um fotobioreator é imprescindível.

O presente trabalho foca-se essencialmente na sustentabilidade ambiental através da avaliação da pegada hídrica de um sistema fechado da empresa A4F – Algae For Future. O principal objetivo é desenvolver uma ferramenta que permita contabilizar os consumos de água relativos à construção e operação de um fotobioreator fechado tubular horizontal à escala piloto para o cultivo de biomassa microalgal, para uma futura implementação à escala comercial na cidade do Porto. Adicionalmente, estendeu-se o estudo à avaliação da pegada hídrica de microalgas, que inclui, para além da etapa de cultivo, a etapa de colheita e secagem para obtenção de biomassa seca.

Os resultados indicam que a etapa de operação e cultivo das microalgas no fotobioreator deve-se esdeve-sencialmente ao consumo de água para produzir os nutrientes usados no meio de cultura, pelo que realizou-se uma análise de sensibilidade para estudar outros compostos que possam substituir os atuais e que reduzam a pegada hídrica desta etapa do processo.

Assim, o valor obtido para a pegada hídrica do fotobioreator foi de 35,05 m3_{/kg biomassa seca,}

conseguindo reduzir a pegada hídrica da etapa de operação e cultivo das microalgas em 51 %, obtendo-se assim uma pegada hídrica do fotobioreator final de 28,34 m3_{/kg biomassa seca.}

Palavras Chave: biomassa microalgal, fotobioreator multitubular horizontal, avaliação da pegada hídrica.

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Abstract

In the past few decades, the production of biomass from microalgae has become the subject of intensive research due to its ability to accumulate a significant amount of lipids, absorb CO2

and present high quality and versatility in its subproducts, such as the production of biofuels, fertilizers for soils and the extraction of components like photosynthetic pigments and antioxidants.

The production of these microorganisms does not require land with large areas. They can grow on non-arable soils and can also grow in wastewater, contributing to their treatment, as they can use water pollutants as nutrients for their fast growth.

The systems normally used for the cultivation of microalgae can be closed photobioreactors or open systems, also known as “open ponds”. The first one, because it is a closed system, allows for a greater control of operative parameters, which is the essential condition for the production of compounds of high commercial value. However, closed systems require a greater financial investment, so the assessment of the sustainability of a photobioreactor is imperative. This work focuses essentially on the environmental sustainability through the evaluation of the water footprint of a closed system of the company A4F – Algae For Future. The main objective is to develop a tool that allows accounting for the water consumption relative to the construction and operation of a pilot-scale horizontal multitubular photobioreactor for microalgal biomass cultivation, for future commercial scale implementation in the city of Porto. Additionally, the study has been extended to the evaluation of the microalgae water footprint, which, apart from the cultivation stage, also includes the harvesting and drying stage to obtain dry biomass.

The results indicate that the water footprint of the photobioreactor is essentially due to the cultivation of microalgae, more precisely to the water consumption to produce the nutrients used in the growth medium. Therefore, a sensitivity analysis has been made to study other compounds that might replace current ones and reduce the water footprint of this stage of the process.

Therefore, the result obtained for the water footprint of the photobioreator was 35,05 m3_{/kg dry biomass, managing to reduce the water footprint of operation and cultivation}

of microalgae step by 51 % through the sensitivity obtaining a final water footprint of the photobioreator of 28,34 m3_{/kg dry biomass.}

Keywords: microalgal biomass, horizontal multitubular photobioreactor, evaluation of the water footprint

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Declaração

Declaro, sob compromisso de honra, que este trabalho é original e que todas as contribuições não originais foram devidamente referenciadas com identificação da fonte.

____________________________________

Francisca Seabra Marques

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Índice

Índice de Figuras ... iii

Índice de Tabelas ... iv

1 Introdução ... 1

1.1 Enquadramento e Apresentação do Projeto ... 1

1.2 Apresentação da Empresa A4F – Algae For Future, SA ... 2

1.3 Contributos do Trabalho ... 3

1.4 Organização da Tese ... 3

2 Contexto e Estado da Arte ... 5

2.1 Introdução ... 5

2.2 Microalgas e modos de cultura ... 6

2.2.1 Curva de crescimento das microalgas ...7

2.3 Sistemas de cultivo para a produção de microalgas ... 8

2.4 Métodos de colheita de microalgas ... 10

2.4.1 Processos de separação da biomassa da suspensão ... 11

2.4.2 Processos de concentração da biomassa ... 11

2.5 Métodos de secagem da biomassa microalgal ... 12

2.6 Análise de Ciclo de Vida ... 13

2.6.1 Etapas da metodologia de ACV ... 13

2.6.2 Limitações da ACV ... 13

2.6.3 Normas para a ACV ... 14

2.6.4 Aplicações da ACV associada à produção de microalgas ... 14

2.7 Pegada Hídrica ... 14

2.7.1 Pegada hídrica de um produto ... 15

2.7.2 Pegada hídrica de uma empresa ... 15

3 Materiais e Métodos ... 17

3.1 Metodologia para avaliação e quantificação da pegada hídrica ... 17

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Avaliação da pegada hídrica de um fotobioreator para produção de microalgas ii 3.1.2 Objetivo do estudo ... 19 3.1.3 Âmbito do estudo ... 20 3.1.4 Unidade funcional ... 21 3.1.5 Fronteira do sistema... 21 3.1.6 Cobertura temporal ... 23 3.1.7 Cobertura geográfica ... 23 3.1.8 Cobertura tecnológica... 24

3.1.9 Análise de inventário de ciclo de vida ... 24

4 Resultados e Discussão ... 29

4.1 Cálculo da pegada hídrica do FBR ... 29

4.1.1 Cálculo da pegada hídrica da construção do FBR ... 30

4.1.2 Cálculo da pegada hídrica da operação e cultivo do FBR ... 30

4.2 Pegada hídrica das microalgas ... 35

4.2.1 Pegada hídrica da colheita de biomassa microalgal ... 35

4.2.2 Pegada hídrica da secagem de biomassa microalgal ... 36

4.3 Análise de sensibilidade ... 39

4.4 Análise da literatura ... 42

5 Conclusões ... 47

6 Avaliação do trabalho realizado... 49

6.1 Objetivos Realizados ... 49

6.2 Outros Trabalhos Realizados ... 49

6.3 Limitações e Trabalho Futuro ... 49

Referências ... 51

Anexo 1 ... 55

Considerações sobre os dados de inventário do Ecoinvent 2.1 ... 55

Anexo 2 ... 57

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Índice de Figuras

Figura 1 - Representação esquemática da taxa de crescimento das microalgas numa cultura batch (linha contínua) e a concentração de nutrientes (linha a tracejado). ... 7 Figura 2 - "Raceways pond" para produção de microalgas. ... 8 Figura 3 - Fotobioreatores fechados para produção de microalgas. Da esquerda para a direita: multitubular horizontal; “Green walls”; “Flat panel”. ... 8 Figura 4 - Etapas do ciclo de vida do FBR (vertical) e da produção de microalgas (horizontal) e fronteira do sistema em estudo (linha tracejada). ... 21 Figura 5 - Inputs e outputs considerados para a avaliação da pegada hídrica do fotobioreator multitubular horizontal. ... 22 Figura 6 – Instalação do FBR na empresa A4F. ... 23 Figura 7 – Contributo relativo de cada etapa, contrução (a azul) e operação e cultivo das microalgas (a vermelho), para a pegada hídrica do FBR. ... 34 Figura 8 - Etapas do processo de produção de biomassa microalgal seca e respetivos “inputs” e “outputs” considerados. ... 35 Figura 9 – Consumos de água para a produção de energia elétrica usada em cada equipamento das diferentes etapas de produção de biomassa microalgal. ... 38 Figura 10 - Pegada hídrica azul da produção de biomassa microalgal de cada localização, do estudo da literatura. ... 44

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iv

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Principais vantagens e desvantagens de um sistema de produção aberto . ... 9

Tabela 2 - Principais vantagens e desvantagens de um sistema de produção fechado . ... 10

Tabela 3 - Componentes da pegada hídrica operacional e da cadeia de um produto. ... 16

Tabela 4 - Objetivos da avaliação da pegada hídrica do fotobioreactor. ... 20

Tabela 5 - Principais caraterísticas do FBR da A4F. ... 25

Tabela 6 – Funcionalidades dos materiais usados na contrução do reator e origem dos nutrientes e composto químico usados no cultivo das microalgas. ... 26

Tabela 7 – Consumos de água dos materiais utilizados na construção do reator. ... 27

Tabela 8 – Consumos de água dos nutrientes usados na preparação do meio de cultura. ... 28

Tabela 9 – Consumo de água do composto químico usado na descontaminação da água do processo. ... 28

Tabela 10 - Consumos de água para a etapa de construção do reator e respetiva pegada hídrica. ... 30

Tabela 11 - Consumos de água e pegada hídrica da produção de energia elétrica necessária para operar o FBR no cultivo de microalgas. ... 30

Tabela 12 - Pegada hídrica média associada às tecnologias de produção de eletricidade. ... 31

Tabela 13 - Origem da energia elétrica. ... 32

Tabela 14 - Consumos diretos de água para etapa de cultivo das microalgas e respetiva pegada hídrica. ... 33

Tabela 15 - Consumos indiretos de água para a etapa de cultivo das microalgas e respetiva pegada hídrica. ... 33

Tabela 16 - Pegada hídrica da etapa de colheita. ... 36

Tabela 17 - Consumos de água e pegada hídrica para a etapa de secagem. ... 37

Tabela 18 - Tabela síntese das pegadas hídricas obtidas em cada etapa da produção de biomassa microalgal. ... 38

Tabela 19 - Análise de sensibilidade variando a produção anual de biomassa seca. ... 39

Tabela 20 - Análise de sensibilidade variando as fontes dos nutrientes utilizados no meio de cultura. ... 40

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Tabela 22 - Caraterísticas de cada localização do estudo da literatura para a produção de biomassa. ... 42 Tabela 23 - Condições de operação do FBR da A4F e de um “open pond” na Austrália. ... 45 Tabela 24 - Comparação da produção anual e pegada hídrica da produção de microalgas no FBR da A4F com um “open pond” na Austrália. ... 45

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vi

Notação e Glossário

Cmáx Concentração máxima do padrão ambiental de qualidade da água definido para um determinado poluente

Cnat Concentração natural no corpo de água recetor admitida

i Produto

L Carga de um determinado poluente

n Tecnologia de produção

PHazul Pegada hídrica azul

PHcinza Pegada hídrica cinza

PHFBR,const Pegada hídrica da construção do fotobioreator

PHFBR,oper/cult Pegada hídrica do fotobioreator para a operação e cultivo das microalgas

PHverde Pegada hídrica verde

P[p] Volume do produto final

x Fornecedor Lista de unidades o_C _{Graus Celsius} GJ Gigajoule g Grama h Horas kg Quilograma kWh Quilowatt-hora L Litro m Metro MJ Megajoule MWh Megawatt-hora L Litro ton Tonelada Lista de Siglas

A4F Algae For Future

ACV Análise de Ciclo de Vida

AIE Agência Internacional de Energia

CO2 Dióxido de carbono

DAP Declarações Ambientais de Produto

EOI Energia Ouput-Input

FBR Fotobioreator

GEE Gases com Efeito de Estufa I&D Investigação e Desenvolvimento

IGCC Integrated Gasification Combined Cycle - Ciclo Combinado com Gaseificação Integrada

O2 Oxigénio

PH Pegada Hídrica

PS Peso seco

RCP Regras de Categoria de Produto RSU Resíduos Sólidos Urbanos

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1 Introdução

1.1 Enquadramento e Apresentação do Projeto

As microalgas são definidas como organismos microscópicos fotossintetizantes que usam a luz solar e dióxido de carbono (CO2) para produzir biomassa. Devido à sua estrutura celular simples

estas crescem rapidamente em diferentes condições ambientais, sendo possível obter-se inúmeros subprodutos com vastas aplicações em diferentes indústrias (Pohndorf et al., 2016). Por exemplo, as microalgas podem ser usadas para a produção de biocombustíveis e fertilizantes e para a extração de componentes, tais como pigmentos, antioxidantes para aumentar o valor nutricional dos alimentos para humanos e animais, ou para incorporação em produtos cosméticos (Spolaore et al., 2006; Pohndorf et al., 2016).

Uma vez que é possível obter energia a partir da biomassa, as microalgas poderão contribuir para diminuir a dependência dos combustíveis fósseis. Durante a queima de biomassa para produção de energia há libertação de CO2, o qual pode ser posteriormente aproveitado pelas

microalgas no seu crescimento pelo que o balanço de emissões deste gás será minimizado. Deste modo, encontrou-se outra forma de se produzir biomassa, considerado como um recurso natural e renovável, que é capaz de satisfazer as necessidades energéticas de uma unidade industrial a partir de uma matéria-prima que possui as taxas mais elevadas de conversão de energia solar em biomassa (Mata et al., 2010).

As microalgas são consideradas um produto com inúmeras vantagens não só por conseguirem produzir elevadas quantidades de biomassa, mas também porque o seu cultivo pode ser feito ao longo de todo o ano. Estas podem ser cultivadas em tanques abertos, também conhecidos como “open ponds” ou “raceways”, ou em fotobioreatores fechados com diferentes formatos e desenhos e não requerem grandes áreas de terreno para a sua produção. Crescem em meio aquoso e podem ser cultivadas em água doce, salina e até mesmo em águas residuais, que após o seu tratamento possuem os nutrientes necessários, como azoto e fósforo, para o seu crescimento acelerado, reduzindo assim alguns custos de fornecimento de nutrientes.

Contudo, apesar das microalgas não necessitarem de elevadas quantidades de água em comparação com as culturas terrestres, é necessário ter em conta todo o seu percurso desde a sua origem até ao produto final, uma vez que os recursos hídricos não são ilimitados e a sustentabilidade de um sistema pode ser melhorada se for feita uma avaliação minuciosa da pegada hídrica.

A ideia de considerar o uso da água ao longo das cadeias produtivas ganhou interesse após a introdução do conceito de “pegada hídrica” por Hoekstra, em 2002. A pegada hídrica de um

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Introdução 2

produto é o volume de água utilizado para produzi-lo, medida ao longo de toda cadeia produtiva, sendo que este indicador subdivide-se em três tipos de pegadas distintas:

- pegada hídrica azul, referente ao consumo de água superficial ou subterrânea, nos casos em que a água é evaporada, incorporada no produto ou quando não retorna à mesma bacia hidrográfica;

- a pegada hídrica verde, referente ao volume de água da chuva consumido durante o processo de produção e por último

- a pegada hídrica cinza, referente à poluição sendo definida como o volume de água necessário para diluir os poluentes de modo a tornarem-se inócuos.

Para determinar estes indicadores é necessário conhecer alguns dados relativos ao processo, tais como por exemplo o tipo de recurso de água usado e as suas caraterísticas químicas e físicas, a quantidade de água usada em todo o processo e sob que formas esta é perdida, entre outros parâmetros (Hoekstra et al., 2011).

Assim, o objetivo deste trabalho é avaliar a pegada hídrica de um fotobioreator de escala piloto para a produção de microalgas tendo em vista a utilização do modelo desenvolvido para o estudo preliminar de uma futura implementação à escala comercial.

1.2 Apresentação da Empresa A4F – Algae For Future, SA

A A4F é uma empresa portuguesa de Biotecnologia, que incorpora mais de 15 anos de experiência acumulada na Investigação & Desenvolvimento e Produção (até à escala industrial), na área das microalgas. A A4F é especialista no design, construção, operação e transferência para os clientes (DBOT), de unidades industriais de produção de microalgas, usando diferentes tecnologias que melhor se adaptem aos diferentes objetivos de cada cliente.

Integrando a sua longa experiência, a A4F diferencia-se pela sua metodologia, que inclui a transposição da escala protótipo, nomeadamente utilizando a sua unidade experimental em Lisboa, para a escala comercial. Adicionalmente, a A4F dedica-se ao desenvolvimento de procedimentos operacionais normalizados destinados a garantir uma produção de microalgas otimizada, de acordo com os objetivos de produção de cada cliente, e de acordo com as melhores práticas de qualidade.

Enquanto empresa envolvida em projetos europeus de Investigação & Desenvolvimento, a A4F tem desenvolvido ao longo dos anos uma relação estreita com os melhores cientistas e investigadores internacionais, na área da biotecnologia de microalgas, assim como com os maiores produtores e distribuidores mundiais. Esta rede internacional posiciona a A4F como uma primeira escolha em contratos para a implementação de unidades industriais de produção,

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assim como uma empresa de referência respondendo com soluções aos desafios da produção e comercialização de microalgas.

Dos projetos cliente à escala industrial, destaca-se o projeto com a cimenteira Secil para o desenvolvimento e produção de microalgas para mitigar as emissões de CO2 na fábrica Cibra em

Pataias, na região de Leiria. A unidade, que produz biomassa microalgal para aplicações alimentares, tem um volume total de 1300 m3_{instalado numa área total de 1 hectare.}

1.3 Contributos do Trabalho

O presente trabalho contribui para o Estado da Arte na medida em que pela primeira vez é determinada a pegada hídrica de um fotobioreator multitubular horizontal à escala piloto para a produção de microalgas, instalado na empresa A4F.

Este estudo foca-se principalmente nas etapas de construção e operação do fotobioreactor e adicionalmente, nas etapas de colheita e secagem de microalgas, pelo que o maior contributo deste trabalho para a empresa é identificar as etapas onde a pegada hídrica é mais significativa e, através de uma análise de sensibilidade, sugerir à empresa alternativas possíveis para a redução da pegada hídrica do sistema em análise.

1.4 Organização da Tese

O conteúdo do presente trabalho está dividido em seis principais capítulos.

No capítulo 1 encontra-se o enquadramento e apresentação do projeto, uma breve descrição da empresa e dos objetivos pretendidos.

No capítulo 2 incidiu-se na contextualização do tema e na descrição de todos os aspetos relacionados com o trabalho, nomeadamente o tipo de microalgas existentes, os modos e sistemas de cultura para a produção destas, descrevendo também as etapas da análise do ciclo de vida das microalgas, terminando por referir a importância da avaliação e determinação da pegada hídrica ao longo de todo o processo de produção destes microrganismos.

No capítulo 3 encontra-se a descrição do processo assim como a metodologia usada para a determinação da pegada hídrica.

No capítulo 4 expõe-se os resultados obtidos e a discussão dos mesmos, seguindo uma análise de sensibilidade e por último é feita uma referência de um estudo da literatura.

No capítulo 5 apresentam-se as conclusões que podem ser retiradas após a execução do trabalho e por último, no capítulo 6 faz-se uma reflexão sobre o cumprimento dos objetivos propostos e quais foram as principais limitações. São também indicadas algumas propostas para trabalhos futuros.

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2 Contexto e Estado da Arte

2.1 Introdução

Nas últimas décadas os combustíveis fósseis têm feito parte da vida do quotidiano do ser humano pois a sua queima é essencialmente usada para produzir energia para os transportes e para gerar eletricidade, sendo dois setores que desempenham um papel fundamental na melhoria da qualidade de vida das pessoas e no desenvolvimento tecnológico. Contudo, os combustíveis fósseis são recursos não renováveis e portanto limitados. Por outro lado, estes levantam inúmeras preocupações ambientais devido às consequências dos gases de efeito de estufa (GEE) em particular o caso do dióxido de carbono (CO2), que são libertados na sua

combustão para a atmosfera e contribuem significativamente para as alterações climáticas. Além disso, com o crescimento rápido da população e das indústrias antecipa-se uma crise energética pelo que existe uma preocupação com a procura de recursos que sejam renováveis e satisfaçam as necessidades energéticas a fim de gerar um desenvolvimento sustentável de energia para o futuro (Lam e Lee, 2012).

Deste modo, encontrar fontes de energia que sejam limpas e renováveis é um dos desafios que a humanidade enfrenta a médio e longo prazo. Atualmente, fontes de energia renováveis tais como a solar, hídrica, eólica e a biomassa têm vindo a ser desenvolvidas para substituírem os combustíveis fósseis. No entanto, segundo um estudo recente da Agência Internacional de Energia (AIE), a energia renovável a partir de fontes combustíveis, como o biodiesel, irá desempenhar um papel crucial como energia renovável alternativa no futuro (Mata et al., 2010; Lam e Lee, 2012).

Os biocombustíveis que derivam de microalgas estão entre os biocombustíveis de terceira geração que despertam maior interesse na indústria de energias renováveis por apresentarem inúmeras vantagens em termos de sustentabilidade em relação às matérias-primas convencionais e aos biocombustíveis de segunda geração (materiais lenhocelulósicos). Entre elas, a sua capacidade de acumular uma quantidade significativa de lípidos, utilizar carbono na forma inorgânica, apresentarem uma elevada qualidade e versatilidade nos seus subprodutos e crescerem rapidamente em condições ambientais por vezes difíceis (Pawar, 2016).

As microalgas são uma fonte natural de compostos biologicamente ativos com elevado interesse industrial e científico devido às suas variadíssimas aplicações, nomeadamente na medicina e farmacêutica. Para além disso, a produção destes microrganismos não necessita de terrenos com elevadas dimensões, crescem em solos por vezes não-aráveis e podem ser também cultivados em águas residuais, contribuindo para o seu tratamento, uma vez que podem utilizar os poluentes da água como nutrientes para o seu rápido crescimento.

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Contexto e Estado da Arte 6

2.2 Microalgas e modos de cultura

As microalgas são microrganismos fotossintéticos com uma estrutura celular simples que crescem em meio aquático ou solos e que podem ser cultivadas em água doce, salina e até mesmo em águas residuais. Os biólogos categorizam as microalgas consoante a sua pigmentação, ciclo de vida e estrutura celular, sendo as classes mais importantes em termos de abundância as seguintes (Demirbas, 2010):

- Bacillariophyceae, diatomáceas, que são a forma de vida dominante no fitoplâncton e as maiores produtoras de biomassa;

- as Rhodophyta, que representam as microalgas vermelhas; - as Chlorophyceae, que representam as microalgas verdes;

- as Chrysophyceae, que representam as microalgas douradas e por último

- as Cyanophyceae, cianobactérias, da qual faz parte, por exemplo, a espécie Arthrospira (Spirulina).

Quanto ao modo de cultura, as microalgas podem ser cultivadas em modo autotrófico, heterotrófico e mixotrófico, sendo as suas exigências nutricionais e a presença ou ausência de luz os fatores que determinam a forma de cultivo das mesmas (Pawar, 2016; Mata et al., 2010): - No cultivo autotrófico as microalgas usam o CO2 como fonte de carbono inorgânico e a luz

solar como fonte de energia para crescerem e sintetizarem as suas biomoléculas.

- No cultivo heterotrófico, ao contrário do autotrófico, as microalgas conseguem crescer na ausência de luz solar e utilizam como fonte de carbono e de energia compostos orgânicos, tais como glucose, acetato e etanol.

- No cultivo mixotrófico atuam tanto o metabolismo autotrófico como heterotrófico, dependendo da concentração de compostos orgânicos e da intensidade de luz solar disponível. O crescimento das microalgas depende não só da disponibilidade da fonte de carbono, mas também do equilíbrio entre os parâmetros de operação tais como o pH, intensidade da luz solar, temperatura, oxigénio, entre outros. Por exemplo, o controlo do pH é essencial para uma absorção efetiva dos componentes do meio de cultura; a intensidade da luz é um fator indispensável para a fotossíntese, reprodução e aumento da concentração das células e também influencia a composição bioquímica da biomassa, pois a exposição excessiva das microalgas à luz pode, por exemplo, originar a morte celular (fotoinibição); a temperatura é um dos parâmetros mais importantes para o crescimento destes microrganismos com influência na taxa de produção de biomassa num intervalo de temperatura determinada, acima do qual a microalga não consegue sobreviver. A taxa de crescimentos das microalgas está diretamente

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correlacionada com a taxa bruta de fixação de CO2/ produção de O2 (fotossíntese) e a taxa de

respiração, sendo que ambas são dependentes da temperatura; o controlo de oxigénio também é fundamental pois quando em excesso inibe o crescimento das microalgas (Morais et al., 2015). Atualmente, o cultivo autotrófico de algumas microalgas para produtos de médio-alto valor acrescentado é tecnica e economicamente viável numa escala comercial. As microalgas são fotossintéticas e a fonte de energia a que recorrem, a luz solar, é abundante, permitindo o seu crescimento num ambiente externo. Além disso, são capazes de absorver o CO2 que provem de

gases de combustão. A sua dependência da luz solar poderia ser uma desvantagem especialmente para os países em que esta fonte de energia nem sempre está disponível durante todo o ano, porém estas também crescem recorrendo a luz artificial (Lam e Lee, 2012; Perez-Garcia et al., 2011). A viabilidade económica de um cultivo com recurso a luz artificial depende de parâmetros específicos a cada localização, por exemplo, o custo da energia.

2.2.1 Curva de crescimento das microalgas

O cultivo das microalgas pode ainda ser efetuado em dois modos de operação: batch ou contínuo. No entanto, o cultivo em modo batch consegue ser mais eficiente do que o modo contínuo uma vez que há um maior controlo do crescimento das microalgas num longo período de tempo e os resultados obtidos são mais fiáveis e facilmente reprodutíveis.

Na Figura 1 encontra-se uma representação esquemática da taxa de crescimento das microalgas em cultura batch (linha contínua) e a concentração de nutrientes (linha a tracejado), em função do tempo.

Figura 1 - Representação esquemática da taxa de crescimento das microalgas numa cultura batch (linha contínua) e a concentração de nutrientes (linha a tracejado) (Mata et al., 2010). Com base na Figura 1 é possível identificar cinco fases distintas do crescimento das microalgas: 1 - Fase de indução (“lag phase”), em que se inicia a inoculação da cultura e não há aumento da biomassa uma vez que a cultura ainda se encontra numa fase de se adaptar a um novo meio;

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2 - Fase de crescimento exponencial, em que a velocidade de replicação das microalgas aumenta e a concentração de biomassa duplica. Além disso, é nesta fase que as microalgas contém maior teor em proteínas;

3 - Fase de crescimento linear, em que o crescimento das microalgas mantem-se constante devido à falta de nutrientes no meio que foram consumidos na fase exponencial;

4 - Fase de crescimento estacionário, em que a velocidade de crescimento das microalgas contrabalança a velocidade da morte destas e como tal não há aumento da densidade da cultura. No entanto, nesta fase as microalgas contém maior teor em hidratos de carbono e glicogénio;

5 - Fase de declínio ou fase de morte, em que devido à falta de nutrientes e de energia luminosa que conseguem alcançar a cultura e ainda o aumento de resíduos tóxicos resultantes da atividade metabólica das microalgas, resultam na morte da cultura e consequentemente na diminuição da biomassa.

2.3 Sistemas de cultivo para a produção de microalgas

A produção de microalgas pode ser realizada em tanques abertos, também conhecidos como “open ponds” ou “raceways” (Figura 2), ou em fotobioreatores fechados (Figura 3), i.e. tubulares, “green walls”, “flat panel”, entre outros, com diferentes geometrias e configurações.

Figura 2 - "Raceways pond" para produção de microalgas (Meristem Journeys, 2015).

Figura 3 - Fotobioreatores fechados para produção de microalgas.

Da esquerda para a direita: multitubular horizontal (Meristem Journeys, 2015); “Green walls” (Wijffels et Barbosa, 2010); “Flat panel” (Bitog et al., 2011).

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A escolha de um sistema de cultivo eficaz deve consistir nos seguintes critérios (Lam e Lee, 2012):

- área de iluminação eficaz;

- transferência de gás-líquido ótima; - operação fácil;

- níveis de contaminação baixos;

- custos de instalação e operação baixos e por último; - uma área de cultivo o mais pequena possível.

Como tal, é necessário averiguar os dois modelos, as suas vantagens e desvantagens, de modo a selecionar o sistema mais adequado para a produção de microalgas.

Os tanques abertos (“open ponds” ou “raceways”) são dos sistemas industriais mais antigos desde a década de 1950, que têm vindo a ser substituídos por fotobioreatores fechados para diminuir os custos de produção de biomassa (Perez-Garcia et al., 2011). Nas tabelas 1 e 2 encontram-se descritas as vantagens e desvantagens de um sistema aberto e fechado, respetivamente.

Tabela 1 - Principais vantagens e desvantagens de um sistema de produção aberto (Pawar, 2016; Carvalho et al., 2006; Lam e Lee, 2012).

Vantagens Desvantagens

Fácil construção e operação Elevado grau de contaminação

Económico Taxa de crescimento das microalgas baixa

Podem ser construídos em áreas degradadas e em terrenos não agrícolas

Concentrações de biomassa baixas Fácil remoção de O2 em excesso por estar em

contacto direto com o ambiente

Impossibilidade de controlo de vários parâmetros de operação

Não necessita de constantes limpezas e esterilizações

Perda de água por evaporação elevada Consumos energéticos baixos Requer grandes áreas de terreno

(23)

Tabela 2 - Principais vantagens e desvantagens de um sistema de produção fechado (Pawar, 2016; Carvalho et al., 2006; Lam e Lee, 2012).

Vantagens Desvantagens

Possível controlo de todos os parâmetros de operação

Custos de instalação e operação muito elevados

Baixo grau de contaminação Modo de operação complexo

Cultivo de várias espécies de microalgas devido à manipulação dos parâmetros

Consumos energéticos elevados Taxa de crescimento das microalgas elevada

Concentrações de biomassa elevadas

Perda de água por evaporação e de CO2

introduzido baixos

Cultivo durante todo o ano

Num fotobioreator fechado a fonte de energia utilizada tanto pode ser por iluminação natural como artificial, pelo que as microalgas não necessitam de estar em contato com o meio ambiente, evitando contaminações e permitindo um controlo mais preciso dos parâmetros de operação (pH, temperatura, O2, CO2, nutrientes), ao invés de um sistema aberto que expõe

estes microrganismos em contato direto com o ambiente. Além disso, devido à facilidade em controlar o meio, acelerando o crescimento das microalgas e produção de biomassa, os fotobioreatores necessitam de uma menor área de implantação para cultivo do que os sistemas abertos quando se recorre a iluminação artificial.

Assim, comparando as principais vantagens e desvantagens dos dois sistemas em questão, pode-se concluir que o fotobioreator fechado aprepode-senta melhores condições de operação e consequentemente melhores resultados do que um sistema aberto, apesar de ser mais dispendioso, pelo que será a opção mais indicada para cultivar microalgas.

2.4 Métodos de colheita de microalgas

Quando a cultura de microalgas atinge a fase estacionária, segue-se a etapa de colheita em que se separa as microalgas do meio de cultura líquido para posterior recuperação da biomassa (Lam e Lee, 2012). A biomassa microalgal que advém dos métodos de cultivo é constituída por uma solução diluída com uma percentagem muito pequena de sólidos que varia entre os 0,05 % e 0,5 %. Portanto, uma vez que se tratam de organismos microscópicos, a colheita destes é um processo que exige um enorme consumo de energia, representando normalmente 20 a 30 % dos custos de produção total da biomassa microalgal (Abdelaziz et al., 2013).

(24)

A colheita de microalgas é um processo que normalmente engloba duas etapas. Numa primeira fase separa-se a biomassa da suspensão por processos de sedimentação por gravidade, floculação ou flotação, com o objetivo de concentrar a solução de modo a obter-se um teor de sólidos entre 2 a 7 %, e numa segunda fase de desidratação concentra-se mais a biomassa por processos de centrifugação ou filtração de modo a adquirir uma biomassa com um teor de sólidos entre 95 a 99 %. A escolha das técnicas depende principalmente das propriedades das microalgas, tais como o tamanho da cultura e a densidade celular, e também do valor comercial do produto final (Abdelaziz et al., 2013).

2.4.1 Processos de separação da biomassa da suspensão

O processo de sedimentação é um método simples que por ação da gravidade separa as partículas do meio por apresentarem densidades diferentes. No entanto, no caso particular das microalgas, por vezes a sua densidade é muito próxima à do próprio meio, acabando por se tornar num processo demorado e consequentemente uma técnica pouco utilizada (Abdelaziz et al., 2013).

O processo de floculação é um método utilizado para aumentar o tamanho dos agregados de células que posteriormente depositam por gravidade, de modo a facilitar a sua separação do meio onde se encontram. Para tal, é adicionado um agente químico floculante que provoca a estabilidade das partículas em suspensão, levando à sua agregação. Contudo, esta técnica também não é a mais indicada uma vez que a adição de uma espécie floculante pode contaminar a biomassa/ produto final, reduzindo a sua usabilidade (Abdelaziz et al., 2013).

O processo de flotação consiste em introduzir bolhas de ar através da suspensão de microalgas, levando a que estas se aglomerem à superfície sob a forma de uma espuma, para facilitar a sua recolha. Esta técnica depende de fatores como pH e força iónica que devem ser otimizados antes de esta ser aplicada e a adição de sais de alumínio ou ferro podem melhorar a sua eficiência. A flotação torna-se, assim, um método mais benéfico e eficaz do que, por exemplo, a sedimentação por gravidade (Abdelaziz et al., 2013).

2.4.2 Processos de concentração da biomassa

A centrifugação é um processo de separação entre sólidos e líquidos que usa a ação da força centrífuga para promover a sedimentação das partículas suspensas num líquido e é uma técnica usada na colheita de microalgas uma vez que processa rapidamente grandes volumes de biomassa. Contudo, apresenta algumas desvantagens como o elevado consumo energético durante a sua operação e quando as células são expostas às forças gravitacionais e de corte podem sofrer danificações na sua estrutura celular. Assim, a centrifugação é um processo mais adequado para produtos de elevado valor comercial, pois é um método com elevados consumos de energia e por isso dispendioso (Pires et al.,2012).

(25)

A microfiltração é um processo físico de separação de partículas sólidas em suspensão num fluido recorrendo a um filtro ou membrana onde os sólidos ficam retidos. As membranas caraterizam-se por serem eficientes e seguras neste processo, no entanto para a recuperação de biomassa podem revelar-se insatisfatórias por ser um método demorado. A principal limitação é o entupimento progressivo dos poros, provocado pela adsorção ou pelo aumento da concentração de compostos na superfície, que leva a uma diminuição da permeação ao longo do processo de separação. Para evitar que isso aconteça, é possível utilizar fluxos cruzados em vez de filtração frontal, trabalhar com velocidades elevadas e escolher um sistema que induza instabilidade perto da superfície da membrana (Pires et al., 2012).

2.5 Métodos de secagem da biomassa microalgal

Depois da colheita da biomassa microalgal e primeira desidratação, segue-se a etapa de secagem. É um processo bastante comum pois aumenta a vida útil da própria biomassa, além de que é necessário remover a água ainda existente uma vez que esta pode inibir os processos a jusante, tais como a extração de lípidos ou a transesterificação (Mata et al., 2010; Lam e Lee, 2012).

A secagem recorrendo à energia solar seria a hipótese mais viável do ponto de vista ambiental, energético e até económico. No entanto, nos países em que a exposição solar é reduzida este método deixaria de ser viável e ter-se-ia que recorrer à energia proveniente da queima de combustíveis fósseis para garantir que a desidratação da biomassa fosse um processo contínuo. Um estudo de Análise de Ciclo de Vida (ACV) utilizou gás natural para desidratar a biomassa e revelou que o uso deste combustivel consumiu quase 69 % da energia total do processo produtivo (Sander e Murthy, 2010). Por outras palavras, a dependência de combustíveis fósseis para a secagem da biomassa compromete seriamente a viabilidade dos produtos obtidos a partir das microalgas, sendo urgente o desenvolvimento de tecnologias mais eficientes para garantir a sustentabilidade desta indústria (Lam e Lee, 2012).

A secagem por nebulização (“spray-dryer”) é um processo de secagem que consiste em pulverizar um líquido que contém sólidos em solução, suspensão ou emulsão, dentro de uma câmara submetida a uma corrente controlada de ar quente. As gotículas atomizadas imediatamente entram em contato com um fluxo de ar quente, e dessa maneira se consegue uma evaporação da água, obtendo-se uma separação ultra-rápida dos sólidos e solúveis contidos, com a mínima degradação do produto a secar, terminando esse processo com a recuperação do produto já em pó. A rápida evaporação da água permite manter baixa a temperatura das partículas, de maneira que a alta temperatura do ar de secagem não afete demasiadamente o produto (de Souza et al., 2013). Contudo, este processo é demasiado dispendioso, não sendo economicamente viável para produtos de baixo valor comercial.

(26)

2.6 Análise de Ciclo de Vida

A sustentabilidade, principalmente a sustentabilidade ambiental, tem despertado algum interesse entre políticos, investigadores e até no público em geral. Por isso, têm sido realizados vários estudos relativamente aos impactos ambientais de processos, produtos ou serviços, recorrendo à Análise de Ciclo de Vida (ACV).

A ACV é uma ferramenta normalmente usada para analisar produtos ou processos, ao longo do seu ciclo de vida, i.e, “cradle-to-grave”. Esta permite avaliar os impactos ambientais, através, por exemplo, da identificação e quantificação de emissões gasosas e consumo de recursos associados a um produto ou processo, desde a extração de matérias-primas, produção, uso e manutenção do produto (“cradle”), até à reciclagem, recuperação, reutilização e/ou deposição final (“grave”).

2.6.1 Etapas da metodologia de ACV

A metodologia de ACV está dividida em quatro etapas (van der Hulst, 2012):

- definição do objetivo e âmbito do estudo, que consiste em definir os limites da análise, o seu nível de detalhe e a unidade funcional;

- análise de inventário, que inclui a recolha de dados de emissões, energia e matérias-primas de cada processo, representado sob a forma de um fluxograma;

- avaliação do impacto ambiental do ciclo de vida, de modo a quantificar e agrupar os efeitos do uso de recursos e das emissões nas diferentes categorias de impacto ambiental, e por último

- interpretação, em que os resultados são relatados alocando os efeitos ambientais e avaliando possíveis oportunidades para reduzir o impacto ambiental causado pelo produto em questão.

2.6.2 Limitações da ACV

A ACV apresenta alguns pontos fracos uma vez que envolve uma elevada quantidade de dados e a disponibilidade dos mesmos origina um elevado grau de incerteza relativamente ao inventário do ciclo de vida, causando variabilidade dos resultados. Outra limitação é a falta de um método sistemático para identificar e criar soluções sustentáveis. Logo, é fundamental definir os limites do sistema e a unidade funcional em estudo para que a recolha dos dados seja a mais precisa e detalhada possível (Cucek et al., 2012).

(27)

2.6.3 Normas para a ACV

A ACV baseia-se nas normas ISO 14040:2006 que considera os princípios da ACV e a ISO 14044:2006 que especifica os requisitos e diretrizes para realizar o estudo. A ISO 14040/44 apresenta dois conceitos: Regras de categoria de produto (RCP) e Declarações ambientais de produto (DAP). As RCPs são diretrizes específicas para o cálculo do impacto ambiental de produtos dentro da mesma categoria de produto, isto é, um grupo de produtos com características semelhantes. Por exemplo, uma RCP pode especificar a unidade funcional que deve ser usada, ou as bases de dados que devem ser usadas, ou as categorias de impacto que devem ser incluídas no estudo. Uma vez que uma RCP é encontrada, o ACV é realizado de acordo com a especificação da DAP. A declaração geralmente consiste numa série de resultados de indicadores de categoria de impacto. Exemplos de categorias são recursos renováveis e não renováveis, com ou sem conteúdo energético, aquecimento global, acidificação, diminuição da camada de ozono, eutrofização, entre outros (Goedkoop et al., 2016).

2.6.4 Aplicações da ACV associada à produção de microalgas

Relativamente à ACV associada à produção de microalgas existem inúmeros parâmetros que podem ser avaliados, tais como, a conversão de energia na produção das microalgas, a extração de lípidos, a mitigação de CO2, a produtividade areal, o uso de água no processo, a recolha de

biomassa, entre outros, sendo o tratamento de águas residuais e a produção de biogás a partir da biomassa as atividades que melhoram a sustentabilidade de um sistema, permitindo atingir um excedente energético de 13,2% (Pawar, 2016). O uso dos recursos hídricos merece um destaque maior nas indústrias que utilizam a água sob a forma de vapor para produzir energia, sendo importante minimizar a pegada hídrica em aplicações energéticas (You e Garcia, 2015).

2.7 Pegada Hídrica

As atividades humanas consomem e poluem uma grande quantidade de água, principalmente na área da produção agrícola, nos setores industriais e no uso doméstico.

A produção de biomassa microalgal tornou-se num produto de elevado interesse para várias indústrias devido às inúmeras aplicações que se podem obter a partir desta, como por exemplo biocombustíveis e fertilizantes que são úteis para as indústrias petrolífera e agrícola. Por isso, é importante conhecer o ciclo de vida deste produto, avaliando mais precisamente a componente ambiental associada à pegada hídrica.

Segundo Hoekstra et al. (2011), a pegada hídrica é um indicador do uso da água ao longo de toda a cadeia de produção, que considera não apenas o seu uso direto pelo produtor ou consumidor, mas também o seu uso indireto. Trata-se de um indicador multidimensional que

(28)

categoriza os volumes de consumo de água por fonte e os volumes de poluição por tipo. Além disso, as componentes da pegada hídrica total são especificadas geográfica e temporalmente. 2.7.1 Pegada hídrica de um produto

A pegada hídrica associada a um produto é definida como o volume total de água doce que é utilizado direta ou indiretamente no seu processo produtivo. A estimativa desse volume é feita com base no consumo e na poluição da água em todas as etapas do processo, mas para isso é necessário subdividir a pegada hídrica em diferentes componentes: azul, verde e cinza.

Pegada hídrica azul

, referente ao consumo de água azul, ou seja, de

água doce proveniente da superfície ou do subsolo;

Pegada hídrica verde

, referente ao volume de água da chuva

consumido durante o processo de produção que não contribui para a

reposição das águas subterrâneas, podendo no entanto armazenar-se

no solo, à superfície ou na vegetação;

Pegada hídrica cinza

, referente à poluição, sendo definida como o

volume de água doce necessário para diluir os poluentes de modo a

tornarem-se inócuos.

2.7.2 Pegada hídrica de uma empresa

Além das pegadas azul, verde e cinza, também existe a pegada hídrica associada à empresa que é definida como o volume total de água doce utilizado direta ou indiretamente para o seu funcionamento e manutenção (Hoekstra et al., 2011). Esta possui duas componentes:

- a pegada hídrica operacional que corresponde ao volume de água doce consumida ou poluída diretamente no decorrer das operações realizadas pela empresa;

- a pegada hídrica da cadeia produtiva que consiste no volume de água doce consumida ou poluída que a empresa utiliza para produzir todos os bens e serviços.

É possível ainda distinguir uma terceira pegada hídrica que está relacionada diretamente com os bens produzidos pela empresa, a pegada hídrica adicional. Esta pegada é utilizada para identificar o consumo de água necessário para o funcionamento contínuo da empresa, mas que não está diretamente associada ao produto final em particular. Na Tabela 3 encontram-se alguns exemplos de componentes que são considerados na avaliação da pegada hídrica operacional e da cadeia de um produto.

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Tabela 3 - Componentes da pegada hídrica operacional e da cadeia de um produto (Hoekstra et al., 2011).

Pegada hídrica operacional Pegada hídrica da cadeia produtiva Pegada hídrica diretamente associada à elaboração dos produtos da empresa Pegada hídrica adicional Pegada hídrica diretamente associada à elaboração dos produtos da empresa Pegada hídrica adicional Água incorporada no produto; Água consumida ou poluída através de um processo de lavagem; Água poluída termicamente devido ao uso de refrigeração. Consumo ou poluição da água relacionados ao uso da água em limpeza ou jardinagem. Pegada hídrica de matérias-primas compradas pela empresa para processar os seus produtos. Pegada hídrica de infraestruturas (materiais de construção, etc); Pegada hídrica associada ao consumo de energia.

A pegada hídrica operacional de uma empresa pode ser definida pela “soma das pegadas hídricas dos produtos da empresa” e a pegada hídrica da cadeia produtiva pela “soma das pegadas hídricas dos inputs da empresa”. O cálculo da pegada hídrica dos principais produtos da empresa é semelhante ao cálculo da pegada hídrica de uma empresa, no entanto, para a empresa, é importante distinguir as pegadas hídricas operacional e a da cadeia produtiva, uma vez que tem um controlo direto sob a primeira e um controlo indireto sob a segunda.

(30)

3 Materiais e Métodos

3.1 Metodologia para avaliação e quantificação da pegada hídrica

A avaliação e quantificação da pegada hídrica tem como principais objetivos, por um lado analisar de que forma(s) as atividades humanas ou produtos se relacionam com a problemática da escassez e poluição da água e por outro lado, verificar de que modo as atividades e produtos se podem tornar mais sustentáveis do ponto de vista hídrico.

Trata-se de uma ferramenta analítica que visa quantificar a pegada hídrica de um processo e/ou produto, no espaço e no tempo de uma determinada área geográfica, avaliar a sustentabilidade ambiental dessa mesma pegada e formular estratégias de resposta.

Neste trabalho, a avaliação da pegada hídrica foi realizada de acordo com a Norma ISO 14046:2014 que se baseia numa avaliação do ciclo de vida. É modular, permitindo somar as pegadas de cada fase do ciclo de vida, identificando a quantidade de água utilizada e as alterações da sua qualidade, assim como potenciais impactos ambientais relacionados com a água nas suas dimensões geográficas e temporais relevantes. Além desta Norma, a avaliação da pegada hídrica neste trabalho também foi realizada de acordo com o Manual de Avaliação da Pegada Hídrica de Hoekstra et al. (2011), que se baseia na avaliação da pegada hídrica relativa aos consumos de água associados ao processo/produto, como por exemplo os consumos de água diretos necessários para o processo de cultivo das microalgas e limpeza do fotobioreator (FBR) e os consumos de água indiretos que são precisos para a produção dos materiais que constituem o FBR, para a produção dos nutrientes usados no meio de cultura das microalgas, para a produção do composto químico utilizado na descontaminação da água do processo e da água residual e ainda a água consumida para a produção de energia elétrica necessária para a operação do FBR. Para obter os factores de emissão de análises de inventário de materiais e energia associados ao fotobioreactor (FBR), recorreu-se ao software SimaProTM_{7.3 que tem por}

base a Norma ISO 14040:2006.

3.1.1 Metodologia de cálculo da pegada hídrica do FBR

A água é o elemento que fornece o ambiente físico para que as microalgas cresçam e se reproduzam. Para além disso, atua também como regulador térmico e é utilizada como meio para os nutrientes essenciais - dióxido de carbono, azoto, fósforo e outros - para a produção de biomassa microalgal.

A pegada hídrica da produção de biomassa microalgal seca é resultante da soma das pegadas hídricas das etapas do processo necessárias para elaborar o produto final pretendido, em que cada etapa ocorre num período específico do ano numa determinada bacia hidrográfica

(31)

Materiais e Métodos 18

(Hoekstra et al., 2011). Como foi referido anteriormente, esta pode ser subdividida em três de pegadas distintas:

- Pegada hídrica azul (PHazul): para o cálculo desta pegada deve-se ter em conta a água que é

evaporada, incorporada no produto, ou quando não retorna à mesma bacia hidrográfica. O primeiro componente é o mais importante, pois a evaporação é equiparada ao consumo de água, pelo que deve ser considerada ao longo do ciclo do produto (armazenamento, processamento e lançamento para efluentes ou reciclagem). Porém, não se pode descurar os restantes componentes pois são igualmente importantes. A PHazul de um determinado processo

produtivo é calculado pela Equação 1.

PHazul = Evaporação da água azul + Incorporação da água azul + Fluxo de retorno perdido, (1)

[Volume/Tempo]

A última parcela, fluxo de retorno perdido, refere-se ao retorno de água indisponível, ou seja, que não retorna à mesma bacia, ou quando retorna, retorna num período diferente.

A reutilização da água para o mesmo propósito, ou possivelmente para outros fins, pode ajudar na redução da pegada hídrica azul de um processo apenas se houver uma redução efetiva do consumo de água. Por exemplo, reutilizar o efluente gerado num dos processos não provoca uma diminuição da pegada hídrica azul, mas se se reutilizar o vapor de água emitido há uma redução desta pegada.

- Pegada hídrica verde (PHverde): esta pegada é calculada pela Equação 2.

PHverde = Evaporação da água verde + Incorporação da água verde, [Volume/Tempo] (2)

A PHverde é especialmente importante para a produção de produtos agrícolas, sendo que o

consumo da água verde na agricultura pode ser traduzido num modelo de evapotranspiração das culturas, com base nos dados do clima, características do solo e da cultura.

Para o presente estudo, esta pegada não é contabilizada uma vez que o fotobioreator se encontra dentro de uma estufa e como se trata de um sistema de cultivo fechado, não há consumo de água da chuva nem evapotranspiração das culturas. A PHverde é mais usualmente

considerada em “open ponds”, que são sistemas abertos que estão expostos ao meio ambiente. - Pegada hídrica cinza (PHcinza): esta pegada é calculada pela Equação 3.

PHcinza =

L

Cmáx‐Cnat

, [Volume/Tempo]

(3) Em que L (expresso em massa/tempo), representativo da carga de um determinado poluente, é dividido pela diferença entre a concentração do padrão ambiental de qualidade da água definidos para esse mesmo poluente (a concentração máxima admitida, Cmáx, em

(32)

admitida, Cnat, em massa/volume). Os cálculos da PHcinza são realizados usando padrões de

qualidade da água às concentrações máximas permitidas por lei.

Uma forma de reduzir esta pegada é através da reciclagem e da reutilização da água das diferentes etapas do processo. Contudo, quando a empresa A4F recicla 90 % da água da etapa de cultivo esta é considerada no cálculo da PHazul e dado que a água do processo é tratada com

hipoclorito de sódio, para o caso em estudo também não é contabilizada a PHcinza uma vez que

não utilizam água doce para diluir possíveis poluentes. Esta pegada pode estar presente na construção dos materiais utilizados no FBR, contudo estes dados não se encontram na base de dados do Ecoinvent devido à determinação da pegada hídrica, recorrendo a estudos de ACV, serem ainda recentes.

O cálculo da pegada hídrica do fotobioreator (PHFBR) subdivide-se na pegada hídrica da

construção do FBR (PHFBR,const) e na pegada hídrica da operação e cultivo das microalgas

(PHFBR, oper/cult). Desta forma, o valor final desta pegada pode ser obtido pela Equação 4.

PHFBR = PHFBR,const + PHFBR, oper/cult, [Volume/Tempo] (4)

A pegada hídrica operacional do FBR (PHFBR,const) consiste no consumo de água para a produção

dos materiais usados na construção do FBR.

A pegada hídrica do FBR para a operação e cultivo das microalgas (PHFBR, oper/cult) é calculada

pela soma do consumo de água para produzir a energia elétrica necessária para operar o FBR, dos consumos diretos de água, que consistem na água introduzida no reator e a água usada para fazer a limpeza deste, e dos consumos indiretos de água, que consistem na água necessária para produzir o fertilizante, ou seja, os nutrientes usados no meio de cultura e o composto químico usado na descontaminação da água do processo.

3.1.2 Objetivo do estudo

O presente estudo tem como principal objetivo avaliar a pegada hídrica de um fotobioreator multitubular horizontal à escala piloto, instalado na empresa A4F. O estudo inclui as etapas de construção e operação do fotobioreactor, esta última coincidente com a etapa de cultivo de microalgas para a obtenção de biomassa microalgal. Portanto, a energia elétrica necessária para a recirculação e termorregulação da cultura também foi incluída no estudo da pegada hídrica. Na Tabela 4 encontram-se descritos os objetivos específicos da avaliação da pegada hídrica do fotobioreactor.

(33)

Tabela 4 - Objetivos da avaliação da pegada hídrica do fotobioreactor.

Av ali ação d a p egad a h íd ri ca

Geral Identificar pontos críticos que permitam localizar exatamente onde a pegada hídrica tem maiores impactos ambientais; Estabelecer metas de redução quantitativa da pegada hídrica. Processo Considerar as etapas de construção e operação do

fotobioreator, sendo a etapa de operação coincidente com a etapa de cultivo de microalgas.

Produto Avaliar a pegada hídrica do fotobioreator à escala piloto instalado na empresa A4F.

3.1.3 Âmbito do estudo

O planeamento da contabilização da pegada hídrica deve ser claro e explícito em relação aos limites do sistema em estudo e como tal é importante considerar os seguintes aspetos:

- identificação da unidade funcional e da fronteira do sistema em estudo; - identificação da cobertura temporal e geográfica;

- identificação da(s) tecnologia(s) usada(s) ao longo do processo produtivo; - identificação da origem dos dados;

- descrição da metodologia de cálculo usada para a pegada hídrica do produto e da empresa. Relativamente ao modo de operação do FBR tubular horizontal em estudo, o período de cultivo das microalgas neste equipamento é de 330 dias por ano, 24 horas por dia, o que equivale a 7 920 horas por ano. O sistema opera em modo batch e a cada 30 dias é realizada uma colheita, sendo realizadas onze colheitas no decurso de um ano. A água do processo necessária para o cultivo das microalgas é renovada na sua totalidade de quatro em quatro meses, ou seja, três vezes durante um ano e nos restantes meses esta é reutilizada em 90 % após cada colheita por centrifugação. O processo de limpeza do reator ocorre sempre que há renovação total da água. Por último, este reator apresenta, em média, uma produção anual de biomassa seca de 73,92 kg/ano. Para este estudo de ACV, recorreu-se ao software SimaProTM_{7.3 para obter um}

conjunto de fatores de emissão baseado em dados de inventário dos materiais e energia utilizados na construção e operação do FBR, o mais completo possível e a avaliação do impacto foi realizada usando uma ferramenta de Excel.

(34)

3.1.4 Unidade funcional

Neste trabalho foi selecionada como unidade funcional (UF) um quilograma de biomassa seca produzida – 1 kg biomassa seca. Esta será a unidade funcional considerada na análise de inventário, para o cálculo de todos os dados de entrada e saída do sistema em estudo, permitindo comparar entre etapas do processo e resultados de outros estudos publicados na literatura.

3.1.5 Fronteira do sistema

As etapas do ciclo de vida da produção de microalgas estão representadas na Figura 4. Na horizontal encontram-se as etapas do ciclo de vida para se obter a biomassa microalgal, incluíndo a preparação do inóculo, cultivo, colheita e secagem da biomassa. Na vertical estão representadas as fases do ciclo de vida do fotobioreactor, das quais as consideradas na fronteira deste estudo são as etapas de construção e operação do fotobioreactor. A linha a tracejado representa a fronteira do sistema em estudo neste trabalho.

A fronteira do sistema, representado pela linha a tracejado, apenas inclui as etapas de construção e operação do fotobioreator à escala piloto uma vez que são as fases relevantes para o principal objectivo deste estudo, determinar a pegada hídrica do fotobioreactor. Na Figura 5 encontra-se um esquema mais pormenorizado dos processos unitários incluídos na fronteira do sistema em estudo, com as respetivas entradas (“inputs”) e saídas (“outputs”).

Figura 4 - Etapas do ciclo de vida do FBR (vertical) e da produção de microalgas (horizontal) e fronteira do sistema em estudo (linha tracejada).

(35)

Figura 5 - Inputs e outputs considerados para a avaliação da pegada hídrica do fotobioreator multitubular horizontal.

Destacados a cor encontram-se os “inputs” e “outputs” de cada etapa do processo que foram considerados para avaliar a pegada hídrica do fotobioreator (FBR) fechado.

Para a etapa “Construção e implementação do FBR” consideraram-se todos os materiais envolvidos na construção da estrutura do reator, não incluindo o seu transporte.

O “input” considerado na etapa de operação do FBR é a energia elétrica necessária para operar o reator. Como tal, foi necessário contabilizar a energia consumida pela bomba hidropressora, responsável pela circulação do meio de cultivo, e a energia consumida na termorregulação da água do processo.

Para o cultivo das microalgas, os “inputs” considerados são:

- os consumos de água diretos, ou seja, a água introduzida no reator para o crescimento da cultura de microalgas,

- água consumida para a limpeza do mesmo e os

- consumos de água indiretos que envolvem a produção do fertilizante usado na preparação do meio de cultura, constituído pelos nutrientes fósforo, azoto, ferro e magnésio,

- água de preparação do hipoclorito de sódio usado como composto químico para a descontaminação da água do processo uma vez que esta advém da rede pública, e

- água do processo de produção do CO2 puro industrial de origem fóssil usado como fonte de

(36)

A evaporação da água do meio de cultura e a evapotranspiração das microalgas são dois termos considerados com valor nulo uma vez que se trata de um reactor fechado.

Da etapa de operação do FBR e cultivo de microalgas resulta o produto pretendido, a biomassa microalgal e uma pequena quantidade de água residual.

3.1.6 Cobertura temporal

A avaliação da pegada hídrica ao longo do tempo deve ser feita com cuidado, pois a utilização dos recursos hídricos podem variar ao longo de um ano e entre anos diferentes. Como tal, os anos de referência usados neste estudo, em relação aos quais foram recolhidos os dados primários da empresa A4F para a análise de inventário e efetuada uma média são: 2014, 2015 e 2016. Deste modo atenuam-se eventuais efeitos sazonais.

3.1.7 Cobertura geográfica

As instalações onde está localizado o FBR à escala piloto em estudo encontram-se na empresa A4F, situada no Campus do Lumiar em Lisboa (Figura 6).

A cidade de Lisboa é conhecida como uma das cidades com o clima mais ameno da Europa, cuja sua latitude a sul fornece um clima semelhante ao dos países mediterrânicos, enquanto o efeito moderador do Oceano Atlântico impede esta cidade de ser excessivamente quente no Verão e demasiado fria no Inverno. É também uma localidade bastante ensolarada, com cerca de 260 dias de sol por ano.