Mestrado Integrado em Engenharia Química
Avaliação da pegada de carbono de um fotobioreator
para a produção de microalgas
Dissertação de Mestrado
de
Madalena Maria de Couto Cameira Coelho e Sousa
Desenvolvida no âmbito da unidade curricular de Dissertação
realizado em
A4F - Algae for future, S.A.
Orientadores na FEUP: Doutora Teresa Margarida Correia de Poço Mata
Doutor António Augusto Areosa Martins
Orientador na A4F, S.A.: Eng. Edgar Tavares dos Santos
Departamento de Engenharia Química
Agradecimentos
Ao Dr. Vítor Verdelho, pela oportunidade de realizar a dissertação de conclusão de curso sobre um tema de grande interesse pessoal.
Em especial aos orientadores académicos, Doutora Teresa Mata e Doutor António Martins, por todo o apoio e disponibilidade, conhecimentos transmitidos, simpatia e orientação.
À empresa A4F, S.A., pela oportunidade de realizar este projeto, especialmente ao Eng. Edgar Tavares dos Santos pela orientação e transmissão de conhecimentos, e à Engenheira Sara Badenes pela sua disponibilidade em fornecer dados e conhecimentos indispensáveis para a realização do trabalho. Ao Eng. Luís Costa e todos os colaboradores da A4F, S.A. com quem não contactei diretamente, mas que contribuíram com informações e dados sem os quais não seria possível a concretização do trabalho.
À minha família e amigos pelo apoio, em especial à Cristina por me ter acompanhado sempre seja a nível académico seja como grande amiga.
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).
Resumo
A pegada de carbono serve como um indicador de aquecimento global e traduz-se numa medida das emissões e remoções de gases com efeito de estufa (GEE) associadas a um produto ao longo do seu ciclo de vida, em termos de kg CO2-eq/unidade funcional.
O presente trabalho consistiu no desenvolvimento de um modelo que permite avaliar a pegada de carbono de reatores de produção de microalgas, e a aplicação deste a um fotobioreator (FBR) à escala piloto da empresa A4F – Algae for future, S.A. Para o cálculo da pegada de carbono recorreu-se ao software SimaProTM 7.3 para consulta dos inventários de ciclo de vida
de bases de dados e à ferramenta Excel desenvolvida consoante o modelo. A metodologia utilizada tem como base a norma PAS 2050:2011, que fornece orientação e requisitos específicos para a avaliação das emissões de GEE ao longo do ciclo de vida de produtos ou serviços.
A análise da pegada de carbono global relativa à produção de 1 kg de biomassa seca (unidade funcional) teve o seu início na construção da infraestrutura do FBR e incluiu ainda a etapa de cultivo/operação do mesmo, obtendo-se um valor de 68,34 kg CO2-eq/kg biomassa seca, numa
base anual.
Na etapa de construção da infraestrutura do FBR considerou-se apenas as emissões provenientes da produção dos materiais utilizados, tendo em conta o tempo de vida útil do FBR, 20 anos, e estimando que nesse período se gera cerca de 1,5 toneladas de biomassa seca, o que resultou numa pegada de carbono de 1,722 kg CO2-eq/kg biomassa seca, contribuindo apenas em 2,5 %
da global. Na etapa de cultivo/operação do FBR consideraram-se a eletricidade consumida, as emissões associadas à produção dos compostos necessários à preparação do meio de cultura e do agente de descontaminação, e ainda a quantidade de CO2 removido através da fixação
biológica pelas microalgas. Sendo a produção anual média de 74 kg de biomassa seca/ano, obteve-se uma pegada de carbono de 66,62 kg CO2-eq/kg biomassa seca para esta etapa,
correspondendo praticamente à totalidade da pegada de carbono global. Neste estudo, o consumo de eletricidade é o que mais contribui para a pegada global, aproximadamente 79 %. A fixação de CO2 pelas microalgas permitiu a sua redução em 3 %.
Foi feita uma análise de sensibilidade considerando alternativas para as fontes de nutrientes que permitiu avaliar o impacto na pegada de carbono aquando da variação do input que mais a influencia. Apenas num dos cenários não se obteve uma diminuição da pegada de carbono. No entanto, pela combinação dos melhores cenários foi possível alcançar uma redução da pegada em 20 %.
Abstract
The carbon footprint serves as an indicator of global warming and translates into a measure of greenhouse gas (GHG) emissions and gas removals associated with a product throughout its life cycle in terms of kg CO2-eq/functional unit.
The following work consisted in the development of a model that allows the evaluation of the carbon footprint of microalgae production reactors and the application of the same to a pilot scale of A4F - Algae for future, SA. Carbon footprint was calculated based on SimaProTM software
7.3 ording for querying the database life cycle inventories and the Excel tool developed according to the model. The methodology used is based on PAS 2050: 2011, which provides guidance and specific requirements for assessing GHG emissions throughout the life cycle of products or services.
The carbon footprint for the production of 1 kg of dry biomass (functional unit) began in the construction of the FBR infrastructure and included the cultivation/operation stage of the FBR, obtaining a global carbon footprint of 68.34 kg CO2-eq/kg dry biomass on an annual basis. In the construction phase of the FBR infrastructure, only the emissions from the production of the materials used were considered, taking into account the lifetime of the FBR, 20 years, and estimating that it generates about 1.5 tons of dry biomass in that period, which resulted in a carbon footprint of 1.722 kg CO2-eq/kg dry biomass, contributing only 2.5 % of the overall. In the FBR cultivation/operation stage, the electricity consumed, the emissions associated with the production of the compounds necessary for the preparation of the culture medium and the decontamination agent, and the amount removed through the biological fixation of CO2 by the
microalgae were considered. Since the average annual production was 74 kg of dry biomass/year, the carbon footprint for this stage was 66.62 kg CO2-eq/kg dry biomass, corresponding practically to the total global carbon footprint.
In this study, the production of the nutrients needed to prepare the culture medium is the major contributor to the overall footprint, approximately 79 %. The fixing of CO2 by microalgae
allowed its reduction by 3 %.
A sensitivity analysis was performed considering alternatives to the nutrient sources that allowed to evaluate the impact on the carbon footprint when the input variation influences the most. Only one scenario did not achieve a reduction in the carbon footprint. However, by combining the best scenarios it was possible to achieve a reduction in footprint by 20 %.
Declaração
Declara, sob compromisso de honra, que este trabalho é original e que todas as contribuições não originais foram devidamente referenciadas com identificação da fonte.
Índice
1 Introdução ... 1
1.1 Enquadramento e Apresentação do Projeto ... 1
1.2 Apresentação da Empresa A4F,S.A. ... 4
1.3 Contributos do Trabalho ... 4
1.4 Organização da Tese ... 5
2 Contexto e Estado da Arte ... 6
2.1 Microalgas ... 6
2.1.1 Métodos de cultivo ...9
2.1.2 Curva de crescimento ... 11
2.1.3 Métodos de colheita/desidratação ... 12
2.1.4 Métodos de secagem ... 13
2.2 Sistemas de produção de microalgas ... 14
2.3 Análise de ciclo de vida (ACV) ... 17
2.3.1 Aplicações da ACV ... 17
2.3.2 Etapas da metodologia de ACV ... 18
2.4 Pegada de Carbono ... 19
2.4.1 Benefícios e limitações da aplicação da pegada de carbono ... 20
2.4.2 Normas para avaliação da pegada de carbono de um produto ... 21
3 Materiais e Métodos ... 23
3.1 Metodologia para avaliação da pegada de carbono ... 23
3.2 Objetivo do estudo ... 24
3.3 Descrição do âmbito do estudo ... 24
3.3.1 Unidade funcional ... 27
3.3.2 Fronteira do sistema... 27
3.3.3 Cobertura temporal ... 28
3.3.4 Cobertura geográfica ... 28
3.3.6 Origem dos dados ... 28
4 Resultados e Discussão ... 32
4.1 Materiais para construção do fotobioreator ... 32
4.2 Cultivo/operação do fotobioreator ... 33
4.2.1 Eletricidade consumida ... 33
4.2.2 Nutrientes para preparação do meio de cultura ... 34
4.2.3 Fixação biológica de CO2 pela biomassa ... 36
4.2.4 Descontaminação ... 36
4.3 Pegada de carbono global ... 37
4.3.1 Análise de sensibilidade das fontes dos nutrientes ... 41
4.4 Estudo ACV da pegada de carbono de microalgas... 45
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
7 Referências ... 50
Anexo 1 Potenciais de Aquecimento Global ... 57
Anexo 2 Fatores de emissão ... 59
Anexo 3 Cálculos para pegada de carbono ... 62
Anexo 4 Cálculos para comparação com estudos ... 65
Índice de Figuras
Figura 1. Etapas da cadeia de valor de biomassa seca. ...8 Figura 2. Metabolismos possíveis das microalgas segundo a fonte de energia e fonte de carbono que utilizam. ...9 Figura 3. Fases de crescimento do cultivo de microalgas em modo batch. ... 11 Figura 4. Sistemas de produção de microalgas, à esquerda uma raceway em cascata (A4F, 2017) e à direita uma open pound (Ylem Energy, 2017). ... 15 Figura 5. Fotobioreatores 1) tubulares horizontais (A4F, 2017), 2) tubulares verticais (SCHOTT, 2017), 3) de placas planas (AquaFeed, 2014). ... 16 Figura 6. Fases da análise de ciclo de vida (ISO 14040, 2008)... 18 Figura 7. Fotobioreator multitubular à escala piloto da A4F. ... 25 Figura 8. Débitos de entrada e de saída das etapas consideradas na fronteira do sistema (linha a tracejado). ... 26 Figura 9. Fronteira do sistema em estudo e etapas do ciclo de vida das microalgas e do FBR. ... 27 Figura 10. Origem da energia (“mix” energético) de Portugal (adaptado de EDP, 2017). ... 30 Figura 11. Contributo relativo das operações de termorregulação e funcionamento da bomba
hidropressora para o consumo de energia no cultivo/operação do FBR em estudo. ... 34 Figura 12. Esquematização de uma unidade de produção de amónia (adaptado de NETL, 2013). ... 35 Figura 13. Diagrama processual da produção de biodiesel por extração via húmida, seca e solar
(adaptado de Azadi et al., 2013). ... 38 Figura 15. Pegadas de carbono obtidas para cada cenário e comparação com o estudo base que
corresponde ao FBR da A4F. ... 42 Figura 16. Fronteira do sistema considerada (linha a tracejado) para o estudo de ACV da pegada de carbono de microalgas. ... 45
Índice de Tabelas
Tabela 1. Fatores de emissão de alguns GEE (adaptado de IPCC, 2007). ... 20
Tabela 2. Principais parâmetros da etapa de cultivo. ... 25
Tabela 3. Cobertura tecnológica associada à etapa de cultivo/operação do FBR. ... 28
Tabela 4. Materiais para construção da infraestrutura do FBR. ... 29
Tabela 5. Nutrientes utilizados na preparação do meio de cultura. ... 29
Tabela 6. Fatores de emissão consultados para cálculo da pegada de carbono. ... 31
Tabela 7. Emissões de GEE dos materiais utilizados na construção do FBR. ... 32
Tabela 8. Resultados indicadores da pegada de carbono da energia elétrica consumida na operação do FBR. ... 34
Tabela 9. Emissão de GEE provenientes das fontes de nutrientes necessárias à preparação do meio de cultivo. ... 35
Tabela 10. Emissões de GEE e pegada de carbono global. ... 37
Tabela 11. Pegadas de carbono das vias consideras no estudo de Azadi et al. (2013). ... 38
Tabela 12. Comparação entre as pegadas de carbono em FBRs tubulares. ... 40
Tabela 13. Fontes alternativas de nutrientes consideradas na análise se sensibilidade. ... 42
Tabela 14. Análise de sensibilidade relativa à fonte de carbono. ... 43
Tabela 15. Análise de sensibilidade relativa à fonte de nitrogénio. ... 44
Tabela 16. Análise de sensibilidade relativa à fonte de fósforo. ... 45
Notação e Glossário
Lista de Unidades ºC grau Celsius g grama h hora kg kilograma kWh kilowatthora L litro m2 metro quadrado m3 metro cúbicoppm partes por milhão Lista de Siglas
A4F Algae for Future
ACV Análise de Ciclo de Vida
APA Agência Portuguesa do Ambiente BSI British Standards Institute
C Carbono
CaCO3 Carbonato de cálcio
CO2 Dióxido de carbono
CO2-eq Equivalentes de dióxido de carbono
CH4 Metano
Cu Cobre
FBR Fotobioreator
FDA Food and Drug Administration
Fe Ferro
GEE Gases com efeito de estufa GRAS Generally Recognized as Safe HFCs Hidrofluorcarbonetos
ICV Inventário de Ciclo de Vida I&D Investigação e Desenvolvimento IEA International Energy Agency
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change ISO International Organization for Standardization KH2PO4 Hidrogenofosfato de potássio
KNO3 Nitrato de potássio
Mg Magnésio N Nitrogénio NH4+ Amónia N2O Óxido nitroso NO3- Nitrato NOx Óxidos de nitrogénio O2 Oxigénio P Fósforo PC Pegada de Carbono
PAG Potencial de Aquecimento Global PFCs Perfluorcarbonos
PO43- Fosfato
SOx Óxidos de enxofre
UF Unidade Funcional
1 Introdução
1.1 Enquadramento e Apresentação do Projeto
Segundo a agência de energia internacional (IEA), o consumo mundial de energia duplicou nos últimos 40 anos, alcançando 8 000 milhões de toneladas de petróleo equivalente, 80 % das quais obtidas de combustíveis fósseis (Formighieri, 2015; IPCC, 2013). A economia global é baseada em combustíveis fósseis tais como petróleo e seus derivados, carvão e gás natural, sendo que o petróleo alimenta grande parte do setor dos transportes enquanto os restantes são utilizados essencialmente para a produção de eletricidade. À medida que os países vão aumentando o seu produto interno bruto, tornando-se mais desenvolvidos, também os seus habitantes beneficiam desse aumento, resultando em estilos de vida com nível mais elevado, pelo que se espera um aumento do consumo de combustíveis fósseis (Hannon et al., 2010). A crescente utilização destes recursos é mais rápida do que os milhões de anos que foram necessários para a sua formação, fazendo deste um recurso finito. Aliado a este consumo e ao aumento da competição por este recurso limitado, aumentaram as emissões de gases com efeito de estufa (GEE) que contribuem para o aquecimento global. A queima de combustíveis fósseis é uma das principais atividades responsáveis pela libertação de GEE que afetam o clima e contribuem para o aquecimento global. A sua queima liberta cerca de 7,8 mil milhões de toneladas de carbono anualmente, equivalente a 29 mil milhões de toneladas de dióxido de carbono (CO2) por ano
(IPCC, 2007).
Os GEE têm a capacidade de reter o calor nos limites internos da atmosfera e é graças à existência de uma camada destes gases que a Terra é um lugar habitável, pois é constituída maioritariamente por vapor de água mas também por quantidades reduzidas de CO2, metano
(CH4), óxido nitroso (N2O) e outros, que atuam como um “cobertor térmico”, mantendo a
superfície terrestre a uma temperatura de aproximadamente 15 °C (NASA, 2017). No entanto, a intensiva atividade antropológica está a contribuir para um excesso de GEE, prejudicando o equilíbrio natural do planeta. Além do impacto no aquecimento global, os GEE contribuem para outros impactos, não só no ambiente como também na vida humana.
A sustentabilidade tem como principal objetivo alcançar um equilíbrio entre o progresso humano e o sistema ecológico do planeta, para um desenvolvimento conjunto e em harmonia, de uma forma sinergética que não deteriore ou destrua o outro. Nos dias de hoje, a sociedade assenta numa dependência energética que não é possível satisfazer a longo prazo, pelo menos de um ponto de vista sustentável, sendo que uma das maiores incompatibilidades entre o progresso antropológico e o sistema ecológico da Terra é o impacto que a humanidade tem no clima. A utilização excessiva de recursos naturais bem como o consumismo exagerado, aliado
a uma grande produção de resíduos, contribuem significativamente para a degradação ambiental das sociedades humanas atuais, que ainda não se identificam como parte integrante da Biosfera. Apesar de existirem outras problemáticas ambientais, as mudanças climáticas e as suas implicações associadas ao aumento de temperatura do planeta é o desafio de sustentabilidade mais premente da nossa geração (Franchetti et al., 2013).
Um dos grandes desafios é o desenvolvimento de indústrias de energia renovável que operem de um modo sustentável e que sejam competitivas em termos económicos com opções já existentes. A consciencialização global tornou-se um imperativo de negócios, e diversos mecanismos para redução das emissões de GEE têm vindo a ser desenvolvidos por organizações e até mesmo países.
A energia solar é uma das energias renováveis mais apelativa e alvo de estudo para a produção de combustíveis limpos. Cerca de ¼ da radiação que atinge a atmosfera terrestre é fotossinteticamente ativa, podendo por isso ser utilizada por organismos fotossintéticos que têm a capacidade de utilizar este recurso abundante para a produção de oxigénio, contribuindo não só para o sustento de vida no planeta como também a sua biomassa pode ser utilizada para uma grande variedade de sectores (Oey et al., 2016). Deste modo, temos a combinação de duas energias renováveis, a solar e a de biomassa, que pode ainda ser transformada noutras, nomeadamente biocombustíveis como biodiesel e etanol, contribuindo para o aumento da diversificação da origem da energia primária (DEMA, 2017).
Cada vez mais se procuram soluções para a constante procura de combustíveis, principalmente por parte dos setores energético e dos transportes, que sejam renováveis e consequentemente se insiram na categoria de energias “verdes” e sustentáveis. Assim se começou a recorrer à utilização de espécies de microalgas para diversas aplicações, seja para a produção de biodiesel, como também para a produção de co-produtos de elevado valor acrescentado. A capacidade de utilizarem o dióxido de carbono, retirando-o da atmosfera, fez com que as microalgas ganhassem especial interesse em certas indústrias, numa tentativa de reduzir as emissões GEE. A biomassa proveniente das microalgas é amplamente utilizada e rica em compostos, podendo ser aproveitada para extração de óleos, alimento para aquacultura e avicultura, biofertilizantes, entre outros. Algumas espécies são utilizadas para bioremediação de efluentes e fixação de metais pesados como cobre, chumbo, zinco, mercúrio, urânio, entre outros, reduzindo a acidez do efluente e consequentemente tornando-o mais limpo (Alga2O, Lda., 2016; Brennan et al., 2009; Heimann et al., 2016; Schmitz et al., 2012).
As microalgas são seres fotossintéticos que utilizam luz solar para transformar o CO2, um dos
gases de efeito de estufa mais abundante na atmosfera, em energia química sob a forma de biomassa rica em carbono. A libertação de O2, resultante da fotossíntese, contribui em grande
primária da Terra é proveniente do metabolismo de microalgas (Derwenskus et al., 2016). Estima-se que processos naturais são capazes de remover parte dos GEE provenientes da queima de combustíveis fósseis, no entanto, não o suficiente, sendo que é necessário compatibilizar com estratégias de mitigação para neutralizar o excesso de CO2 (Brennan et al., 2009).
Para avaliar os impactos ambientais diretos e indiretos da atividade humana, recorre-se a avaliações de pegadas, por exemplo, ecológica, hídrica e de carbono. Existem diversos indicadores de impactos ambientais, que se referem a diversas categorias de impacto ambiental, nomeadamente aquecimento global, eutrofização, potencial de oxidação fotoquímico/smog, depleção da camada de ozono, acidificação/chuva ácida, ecotoxicidade ambiental, toxicidade humana e resíduos sólidos (Mata, 2015). Estes indicadores complementam-se na avaliação da pressão humana sobre o planeta.
Com base na metodologia de análise de ciclo de vida (ACV), é possível quantificar os impactos ambientais diretos e indiretos de um produto ou serviço durante as etapas do seu ciclo de vida, desde a extração dos materiais, à produção e utilização final. Esta metodologia permite identificar mais facilmente os processos e os débitos de entrada e saída responsáveis pelo maior peso ambiental e ainda identificar oportunidades de melhoria.
Dos gases considerados pelo protocolo de Quioto causadores do efeito de estufa destaca-se o CO2, que apesar de não ser o mais abundante na atmosfera, é aquele que é mais produzido pela
atividade antropológica e por isso o que deve ser alvo de maior redução. Os GEE não influenciam o aquecimento global da mesma forma, não só por serem removidos por diferentes mecanismos, mas também por terem tempos de permanência na atmosfera diferentes. Para que possa existir um termo de comparação entre as emissões de diversos GEE, convencionou-se o CO2 como gás
de referência, atribuindo-se a este um fator de potencial de aquecimento global (PAG) unitário (IPCC, 2007). A pegada de carbono (PC) é calculada somando as emissões de GEE após conversão para equivalentes de dióxido de carbono (CO2-eq). Para converter as emissões de GEE que não
o CO2 em CO2-eq, utilizam-se os PAG, que são indicadores da capacidade de um gás contribuir
para o aquecimento global. Apesar do nome, o termo “pegada de carbono” não é expresso em termos de área, mas em unidades de massa de CO2 no caso de emissões unicamente deste gás,
ou em equivalentes de CO2 se incluir outros GEE. Esta é uma medida do impacto das atividades
antropológicas sobre o meio ambiente, nomeadamente da contribuição para o aquecimento global e consequentemente alterações climatéricas.
Com a crescente preocupação e consciencialização das alterações climáticas devido a gases com efeito de estufa, cada vez mais se procura maior transparência por parte de empresas, seus produtos e serviços. Algumas empresas têm vindo a sofrer exigências dos seus stakeholders quanto ao relato e elaboração de inventários das suas emissões de GEE, traduzindo-se então na pegada de carbono.
1.2 Apresentação da Empresa A4F,S.A.
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 especializada no design, construção, operação e transferência (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 I&D, 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, assim como também se trata de 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 1 300 m3 instalado numa área total de 1 hectare.
Teve também um papel importante no projeto BIOFAT (http://www.biofat-project.eu/), que teve como objetivo valorizar os biocombustíveis derivados de microalgas, incluindo a construção de um sistema de cultivo aberto, do tipo raceway em cascata, para produção de microalgas em Pataias, Portugal.
1.3 Contributos do Trabalho
O presente estudo pretende desenvolver e esclarecer uma metodologia para o cálculo da pegada de carbono de um fotobioreator na obtenção de 1 kg de biomassa seca. Este deve fornecer informação necessária para determinar a importância relativa das contribuições das diferentes atividades consideradas para a pegada de carbono de forma a poder equacionar alternativas que possam melhorar os impactos ambientais associados.
Por outro lado, o presente estudo contribui para o estado de arte do tema, cobrindo uma falha na literatura acerca de estudos da pegada de carbono de fotobioreatores multitubulares fechados. Assim, serve este estudo como suporte à investigação acerca dos impactos ambientais associados a um sistema de produção de microalgas como o referido.
O objetivo do estudo pode ser dividido em dois pontos fundamentais:
I. Desenvolvimento de um modelo que permita avaliar a pegada de carbono de reatores de produção de microalgas;
II. Aplicação do modelo desenvolvido a um fotobioreator à escala piloto. Validação e otimização do modelo consoante esta aplicação. Recurso às diversas bases de dados integradas no software SimaProTM 7.3 e ferramenta Excel para cálculo da
pegada de carbono.
1.4 Organização da Tese
O presente trabalho divide-se em 5 capítulos principais.
O capítulo 1 refere-se ao enquadramento e apresentação do projeto, além de incluir uma breve apresentação da empresa que contribuiu para a realização deste trabalho.
O capítulo 2 incide na contextualização do tema da tese, incluindo uma revisão de literatura que abrange uma parte acerca das microalgas, incluindo métodos de cultivo, de colheita e de secagem, bem como os sistemas de produção, uma parte acerca da análise de ciclo de vida (ACV), nomeadamente as suas aplicações e etapas, e finalmente conhecimento teórico sobre a pegada de carbono, descrevendo-se os seus benefícios e limitações e ainda normas existentes O capítulo 3 destina-se aos materiais e métodos utilizados, bem como algumas fórmulas matemáticas e descrição do âmbito do estudo.
O capítulo 4 apresenta os resultados obtidos bem como a discussão dos mesmos e comparação com resultados de outros estudos de ACV. Inclui uma análise de sensibilidade quanto à variação de fontes de nutrientes e ainda um estudo ACV em paralelo da pegada de carbono de microalgas.
2 Contexto e Estado da Arte
2.1 Microalgas
As microalgas fazem parte do fitoplâncton, conjunto de organismos primordiais produtores de diversos compostos de alto valor nutricional (Derwenskus et al., 2016). São microrganismos que habitam predominantemente em meios aquáticos, embora estejam também presentes em ambientes terrestres que exibem uma ampla variedade de taxas de crescimento e produtividades específicas (Mata et al., 2010). Pertencem a um grupo de microrganismos diversificado, sendo que atualmente se estima que existam cerca de 300 000 espécies diferentes de microalgas, em que apenas cerca de 40 000 foram descritas e só algumas dessas minuciosamente estudadas e avaliadas (Derwenskus et al., 2016). A classificação e diferenciação de microalgas é complexa, podendo ser baseada em tamanho, aparência visual, entre outros. As principais linhagens de microalgas são distinguidas tendo em conta a sua pigmentação, ciclo de vida e estrutura celular, nomeadamente procariotas ou eucariotas. Tipicamente também se distinguem em diatomáceas, algas verdes, algas azuis, algas vermelhas ou algas douradas (Schmitz et al., 2012; Brennan et al., 2009)
Apesar das semelhanças com plantas superiores, as microalgas são mais eficientes na conversão de luz solar em energia bioquímica por via fotossintética e têm maior produtividade areal, uma vez que se tratam de microrganismos unicelulares ou multicelulares simples pelo que o seu crescimento é facilitado (Mata et al., 2010). Além de menor variabilidade sazonal, o cultivo de microalgas requer menor quantidade de água, podendo ser cultivadas sem recurso a herbicidas e pesticidas, e são capazes de crescer em condições adversas como águas marinhas (Heimann et al., 2016). Em contraste com plantas terrestes, a produção de microalgas pode ocorrer em reatores controlados ou em terrenos que não são adequados para a agricultura convencional (Derwenskus et al., 2016).
As microalgas produzem diversos compostos bioativos que podem ser aproveitados para usos comerciais, assim como a sua biomassa, tendo uma vasta aplicabilidade biotecnológica na indústria alimentar e farmacêutica e nas áreas da biomedicina, ambiental e cosmética. As microalgas mais produzidas comercialmente são a cianobactéria Spirulina e as microalgas verdes como a Chlorella, Dunaliella e Haematococcus, com um volume de produção global de 10 000, 4 000, 1 000 e 200 ton/ano respetivamente (Heimann et al., 2016).
Por possuírem um elevado conteúdo proteico, além de ácidos gordos polinsaturados (PUFAs) e sais minerais, cada vez mais as microalgas são utilizadas em dieta humana, animal e em aquacultura, para aumentar o valor nutricional dos alimentos e rações devido à sua composição química. Tornaram-se numa fonte alternativa na obtenção de ácidos gordos essenciais, que por
sua vez são precursores de uma grande variedade de metabolitos bioativos envolvidos em diversas funções fisiológicas no organismo humano (Ferreira et al., 2013). Em alimentação animal e aquacultura, as microalgas funcionam como aditivos e enriquecem as rações, contribuindo para a melhoria do sistema imunitário dos animais, podendo ainda ser utilizadas como pigmentos, isto é, corantes naturais, por exemplo na coloração de peixes ornamentais e na alimentação. Na indústria dos cosméticos, destaca-se a utilização de pigmentos antioxidantes obtidos de algumas microalgas, que podem ser utilizados em protetores solares, além de protegerem e rejuvenescerem a pele. As potenciais aplicações na indústria farmacêutica devem-se aos efeitos antioxidantes, antivirais, helmínticos, anticancerígenos, anticoagulantes e imunológicos que algumas microalgas possuem (Alga2O, Lda., 2016). Neste setor e também no alimentar, destaca-se a microalga Spirulina que possui o certificado GRAS (Generally Recognized As Safe) da FDA (Food and Drug Administration), o que garante a sua utilização segura como alimento e fármaco (Andrade et al., 2008).
As microalgas destacam-se pela sua capacidade de biofixação de CO2 através da fotossíntese,
que permite não só a produção de biomassa como contribui para a mitigação deste GEE (Mata et al., 2010). Por serem capazes de utilizar uma variedade de compostos nitrogenados e outros compostos que estão tipicamente presentes em águas residuais, tais como NH4+, NO3- e PO43-,
as microalgas são uma boa estratégia de bioremediação, podendo ser utilizadas numa etapa de tratamento de resíduos pois promovem um tratamento terciário acoplado com a produção de biomassa potencialmente com valor (Heimann et al., 2016; Mata et al., 2010).
As microalgas permitem a obtenção de matérias-primas necessárias à produçao de diversos biocombustíveis renováveis, incluindo protões e eletrões para obtenção de biohidrogénio, conteúdo lipídico intracelular (óleos) para biodiesel, açúcares e amido para o bioetanol e a biomassa para produçao de biohidrogénio e biometano através de digestão anaeróbia (Chisti, 2007). A biomassa resultante após a etapa de extração de óleos pode ser processada de forma a produzir etanol, metano, alimentação para animais, ou como fertilizante orgânico devido ao seu elevado rácio N:P, ou pode ainda simplesmente ser queimada para cogeração de energia, isto é, produção simultânea de eletricidade e energia térmica (Mata et al., 2010).
Tendo como objetivo a obtenção de biomassa microalgal, a cadeia de valor inclui as etapas necessárias, iniciando-se na seleção e passando pelas etapas de cultivo, colheita/desidratação ou concentração de biomassa e finalmente secagem (Figura 1). Dependendo da aplicabilidade, podem ainda existir outras etapas adicionais, tais como a extração de óleos para a produção de biodiesel por exemplo.
Figura 1. Etapas da cadeia de valor de biomassa seca.
A seleção da espécie de microalga depende essencialmente do objetivo da produção, por exemplo, para bio-mitigação do CO2 exige-se que a espécie tenha uma elevada taxa de fixação
deste gás, o que inclui atributos como elevada taxa de crescimento e taxa de utilização do CO2,
elevada tolerância a constituintes de efluentes como SOx e NOx, possibilidade para formação
de subprodutos de valor e co-produtos, facilidade na etapa de colheita p.ex. características como bio-floculaçao ou sedimentação espontânea, elevada tolerância à temperatura da água de modo a minimizar custos de arrefecimento, entre outros (Brennan et al., 2009). A localização da instalação tem um elevado impacto na produção de biomassa devido a diferenças na incidência da radiação solar, temperatura e precipitação de um dado local (Mayer et al., 2016).
O cultivo de microalgas pode ser em condições de autotrofia, heterotrofia ou mixotrofia. Após o seu cultivo, a biomassa colhida é perecível e deve ser rapidamente processada. Tanto as etapas de desidratação como secagem permitem estender a viabilidade da biomassa dependendo do produto final pretendido. A etapa de colheita ou desidratação permite a concentração da biomassa, que pode ser alcançada por diversos métodos e técnicas como centrifugação, floculação, flotação, sedimentação, filtração ou eletrocoagulação/eletrofloculação. Por fim, a biomassa pode ser sujeita a uma etapa de
secagem, que é facultativa dependendo do que se pretende do produto, em termos de
aplicações e forma, p.ex. em pó.
A biomassa seca de microalgas contém cerca de 50 % de carbono em peso seco, e geralmente este é obtido a partir do CO2 atmosférico (Chisti, 2007; Mata et al., 2010). A composição lipídica
da biomassa algal inclui glicerol, açúcares ou bases esterificadas e ácidos gordos contendo entre 12 a 22 carbonos, que tanto podem ser saturados, como mono ou polinsaturados. A maior fração
dos lípidos nas microalgas corresponde a ácidos gordos, sendo que em algumas espécies atingem cerca de 25 a 60 % dos lípidos totais (Schmitz et al., 2012).
2.1.1 Métodos de cultivo
Apesar das diferentes vias metabólicas possíveis para as microalgas, todas têm em comum a formação de metabolitos centrais que dão origem a diferentes produtos de interesse, podendo abranger vários sectores de mercado e áreas. Os fatores abióticos representativos do ambiente e aos quais diversas microalgas se conseguem adaptar, assim como as exigências nutricionais de cada tipo de microalga determinam a forma de cultivo das mesmas, podendo ser cultivadas em cultura autotrófica, heterotrófica ou mixotrófica (Figura 2).
Figura 2. Metabolismos possíveis das microalgas segundo a fonte de energia e fonte de carbono que utilizam.
Tipicamente, por serem fotossintéticas, as microalgas obtêm energia e sintetizam matéria em regime de fotoautotrofia. Neste, as microalgas utilizam como fonte de energia a luz solar, por meio de um processo denominado por fotossíntese, e como fonte de carbono uma via de fixação de CO2. Em heterotrofia é necessária uma fonte externa de compostos orgânicos como fonte de
carbono, podendo a fonte de energia ser luz solar (fotoheterotrofia) ou ainda os próprios compostos orgânicos, sendo os mais utilizados a glucose, o acetato e o glicerol (organoheterotrofia, frequentemente referido apenas como heterotrofia).
Em sistema de cultivo mixotrófico, disponibiliza-se simultaneamente luz solar e substrato orgânico como fonte de energia, assim como para fonte de carbono utiliza-se tanto CO2 como
substrato orgânico (Ferreira et al., 2013). Nestas condições, as microalgas mixotróficas como por exemplo a cianobactéria Spirulina platensis e a Chlamydomonas reinhardtii, podem optar pelo metabolismo autotrófico ou heterotrófico para o seu crescimento, consoante a disponibilidade do substrato e interesse por parte do organismo em sintetizar diferentes compostos (Brennan et al., 2009).
Comparativamente com o cultivo fotoautotrófico convencional, o heterotrófico e mixotrófico oferecem mais vantagens a nível industrial, sendo frequentemente utilizados em biorefinaria. Ao suplementar a cultura com compostos orgânicos proporciona-se maior produtividade de biomassa e rendimento de produtos como biodiesel, bioetanol e outros (Perez-Garcia et al., 2015).
O cultivo de microalgas é um dos passos decisivos da produção de microalgas por requerer a maioria dos inputs de todo o processo. O crescimento microalgal é influenciado por diversos fatores, incluindo fatores abióticos tais como luz, temperatura, concentração dos nutrientes presentes no meio de cultura, taxa de O2, disponibilidade de CO2, pH, salinidade e químicos
tóxicos; fatores bióticos como a densidade inicial, microrganismos patogénicos e competição por outras algas; e ainda fatores operacionais como a tensão originária da agitação, taxa de diluição, profundidade, frequência da colheita e adição de bicarbonato (Mata et al., 2010). Quanto maior a densidade de microalgas, mais facilitado é o crescimento e mais eficiente será a recuperação de nutrientes. Por outro lado, quanto mais densa a cultura, mais dificulta a entrada de luz solar, promovendo a acumulação de auto-inibidores e redução de eficiência fotossintética (Abdel-Raouf et al., 2012).
O pH do meio de cultivo influencia o crescimento e o metabolismo pois determina a solubilidade do CO2 e minerais no meio. A variação deste fator deve-se essencialmente ao consumo de
substratos, solubilização e consumo do CO2 e à degradação de metabolitos produzidos pelas
próprias células. Quando as microalgas conseguem metabolizar o carbono inorgânico do CO2 há
uma tendência para aumentar o pH do meio (Santos, 2013).
Para que não sejam insuficientes ou mesmo limitantes, o cultivo de microalgas requer provisão de nutrientes, sejam macronutrientes como carbono (C), nitrogénio (N) e fósforo (P), como também minerais como Fe, Mn, Zn, Cu, entre outros, que atuam como cofatores em diversas enzimas ou que fazem parte de outros compostos (Heimann et al., 2016). A assimilação de nitrogénio permite a formação de material genético, bem como de moléculas capazes de transferir energia, proteínas, enzimas, clorofilas e péptidos. A maioria das microalgas obtém o nitrogénio inorgânico a partir de amónia (NH4+), sendo que à falta desta ou impossibilidade de
a utilizar, são capazes de utilizar outras espécies nitrogenadas como nitrato, nitrito ou ureia. Geralmente o nitrogénio é suplementado à cultura por fertilizantes produzidos via processo de
Haber-Bosch, sendo que também pode ser obtido de águas residuais industriais ou mesmo
domésticas (Usher et al., 2014). O nutriente fundamental para a produção de biomassa microalgal é o carbono, frequentemente adquirido sob a forma de CO2. Apesar do CO2 poder
ser adquirido diretamente da atmosfera, por ser pouco solúvel em água e ter baixa concentração no ar (405,75 ppm) (Dlugokencky et al., 2017) torna-o insuficiente para efeitos de cultivo em grande escala, sendo que são necessárias fontes de carbono concentradas como por exemplo bicarbonato ou até mesmo CO2 puro industrial. O fornecimento de CO2 tanto é
uma questão de recursos, pois é necessária uma fonte adequada e preferencialmente a uma concentração igual ou superior a 10%, como também é uma questão económica pois a sua distribuição e transferência constituem dos maiores custos de inputs no cultivo de microalgas (Benemann, 2016). A atmosfera normal contém cerca de 0,039 % de CO2 por volume. Se esta
fonte de carbono fosse viável, o recurso a este nutriente por meio do CO2 fóssil seria
dispensável, além de que a utilização de CO2 atmosférico iria diminuir significativamente a
pegada de carbono relativa à produção de microalgas. No entanto, a baixa concentração de dióxido de carbono presente na atmosfera torna-o pouco atraente para produção de microalgas, além de que até à data não há relato de algum método que seja capaz de tornar o CO2
atmosférico uma fonte de carbono suficiente ao crescimento microalgal (Chisti, 2013).
2.1.2 Curva de crescimento
O modo de operação mais comum nos sistemas de produção de microalgas é em batch, no qual se observa uma curva de crescimento das microalgas particular, na qual se distinguem 5 fases (Figura 3). Após inoculação, a curva inicia-se com uma fase de latência, que se traduz num pequeno atraso durante o qual as células se adaptam às condições do meio de cultura. Em seguida, há um aumento do número das células à sua taxa de crescimento específico máxima na chamada fase exponencial. A biomassa celular aumenta até uma dada concentração, nomeadamente até um dos nutrientes se tornar limitante ao crescimento ou porque os produtos excretados pelas células podem tornar-se inibitórios, fazendo com que ocorra um declínio no crescimento da cultura. Segue-se uma fase estacionária, caracterizada pela ausência de crescimento em que a concentração de células permanece constante no seu valor máximo até se esgotarem os nutrientes, e finalmente dá-se a fase de morte, no caso de não se adicionar meio de cultivo fresco. Nesta última fase, a taxa de crescimento é negativa e a qualidade do meio é significativamente diminuída principalmente pela presença dos produtos excretados pelas células e a ausência de nutrientes (Lavens et al., 1996; Mata et al., 2010; Clifford, 2017).
2.1.3 Métodos de colheita/desidratação
Após a fase de crescimento, o passo que se segue é a colheita das microalgas, que consiste na separação dos sólidos (biomassa) do meio líquido (cultura) e posteriormente concentração da biomassa. Sendo as microalgas organismos de tamanho muito reduzido e por se encontrarem em concentrações muito diluídas (concentração de biomassa entre 1-5 g de biomassa seca/L), a etapa de colheita e de desidratação é considerada das mais dispendiosas não só a nível económico como principalmente energético, constituindo um constrangimento à exploração em larga escala de culturas de biomassa microalgal. O custo desta etapa pode representar entre 20 a 30 % do custo total de produção (Mata et al., 2010).
A escolha da técnica de colheita depende da espécie de microalga e da sua dimensão, da densidade celular, da dimensão da cultura, do produto final que se pretende e do seu valor comercial. Tipicamente esta etapa dá-se em duas partes, iniciando-se com a aglutinação das microalgas em suspensão por processos como sedimentação natural, floculação ou flotação, e posteriormente concentração da biomassa recorrendo a filtração ou centrifugação.
A colheita por sedimentação por gravidade geralmente não é aplicável devido ao tamanho reduzido de células individuais e à semelhança da sua densidade com a do meio de cultura, contribuindo para que o tempo de processamento seja demasiado lento para a colheita de microalgas (Laamanen et al., 2016). Apesar de evitar a utilização de químicos, apenas colónias maiores ou agregados como flocos são capazes de sedimentar por gravidade, assim, para melhorar a sua eficiência, este processo requer frequentemente uma etapa de floculação. As células das microalgas possuem uma carga negativa que as impede de formar agregados quando em suspensão, no entanto, a carga superficial pode ser neutralizada ou reduzida recorrendo a floculantes tais como catiões multivalentes ou polímeros catiónicos (Hamed, 2016). A
floculação permite a formação de agregados microalgais, e pode ser química, adicionando
agentes coagulantes/floculantes, ou induzida através de variações do pH ou co-precipitação por magnésio ou cálcio (Benemann et al., 2016). A floculação tem como principal desvantagem a maior predisposição a contaminações, sendo que para aplicações alimentares e farmacêuticas de microalgas esta técnica não é viável.
No processo de flotação faz-se borbulhar ar através da suspensão de microalgas, levando-as até à superfície, concentrando-as, facilitando a sua colheita. É como uma sedimentação invertida e é vantajosa pois está em concordância com a tendência das microalgas flutuarem ao invés de sedimentarem. A eficiência da flotação depende do pH e da força iónica. A combinação de floculação com sedimentação ou flotação é uma das técnicas mais económicas para a etapa de colheita (Laamanen et al., 2016).
A eletrocoagulação ou eletrofloculação baseia-se no movimento de partículas eletricamente carregadas quando sujeitas a um campo elétrico. As microalgas são atraídas para o ânodo, e
alcançando-o perdem a sua carga tornando-se aptas para a formação de um agregado (Leitão, 2015). Neste processo ocorre a libertação de iões metálicos pela oxidação eletrolítica do material do ânodo que atuam como coagulantes. Com a eletrólise da água são geradas microbolhas de oxigénio e hidrogénio que sobem à superfície (flotação) arrastando os agregados de microalgas. Este método de separação tem como principais vantagens o seu reduzido consumo energético, baixo custo de investimento e reduzido risco de contaminações da biomassa, possibilitando a utilização desta para a área alimentar, além de que não requerer a adição de químicos.
A filtração consiste num processo físico de separação que recorre a um filtro ou membrana. Certos filtros são mais adequados a espécies de microalgas filamentosas, como por exemplo a
Spirulina (Arthospira), por terem os poros de maior diâmetro. A seleção de membrana para
micro, ultra ou nanofiltração depende do meio de cultura e do nível de contaminação com várias moléculas, sejam micro ou macro, elementos e componentes.
O processo mais comum é a centrifugação, que depende da diferença de densidades entre as partículas (biomassa) e o meio de cultura, e que utiliza a ação da força centrífuga para promover a deposição das partículas suspensas num líquido de forma acelerada. Não requer reagentes, mas tem como principal desvantagem o elevado dispêndio de energia. No entanto, se a microalga puder ser concentrada previamente à centrifugação em cerca de 30 a 50 vezes, ao consumo de energia seria amplamente reduzido (Santos, 2013). As centrífugas mais utilizadas na colheita de microalgas são as do tipo decantadores.
O objetivo desta etapa de colheita e desidratação é aumentar a concentração da biomassa em mais duas ordens de grandeza de modo a alcançar mais de 10% em sólidos suspensos totais, suficiente para processamento ou secagem subsequentes.
2.1.4 Métodos de secagem
Após a colheita e desidratação da biomassa, pode seguir-se uma etapa de secagem, dependendo do produto final pretendido e sua aplicação.
Num clima adequado, viável e com exposição solar suficiente, a secagem pode ser efetuada com recurso à energia solar, sendo que este método se destaca por ser o mais benéfico do ponto de vista ambiental, energético e económico. O secador solar tem como principais desvantagens tempos de secagem prolongados, requer extensas áreas e risco de perda de material (Brennan et al., 2009).
Em estufa, a biomassa é exposta a um fluxo contínuo de ar quente que promove a evaporação da água. À escala laboratorial a secagem em estufa é o método mais simples para obter biomassa seca.
Liofilização é também frequentemente utilizada e consiste em desidratar a biomassa após o
seu congelamento. O congelamento torna as paredes celulares porosas devido à formação de cristais no interior da célula, contribuindo também para a extração de produtos intracelulares, e posteriormente a biomassa é sujeita a baixas pressões promovendo a sua desidratação. Esta técnica tem custos muito elevados diretamente relacionados com o elevado consumo de energia.
Secagem por atomização com recurso a um spray dryer requer uma pasta concentrada e
permite a obtenção de biomassa num pó uniforme e de alta qualidade através do contacto contínuo com ar quente. Geralmente este método é utilizado na obtenção produtos de elevado valor comercial. Além do seu elevado custo de investimento, operação e manutenção, este método tem também como desvantagem o facto de o calor gerado poder causar deterioração significativa de alguns componentes tais como pigmentos ou vitaminas, o que pode ser remediado com a adição prévia de antioxidantes (Brennan et al., 2009).
2.2 Sistemas de produção de microalgas
As microalgas podem ser cultivadas em sistemas abertos, fechados ou híbridos. A escolha do sistema de cultivo deve ter em conta os requisitos de qualidade do produto final para o mercado em que se insere a espécie microalgal. O modo de operação pode ser em batch, contínuo ou semicontínuo, dependendo da produtividade da biomassa e capacidade de colheita das microalgas (Heimann et al., 2016).
Os sistemas abertos podem ser lagos naturais ou artificiais, sendo que industrialmente os mais utilizados são do tipo raceways, onde a biomassa é mantida em suspensão tipicamente por pás e mais raramente por air lift, propulsores ou bombas (Heimann et al., 2016). São considerados os sistemas mais adequados quando se pretende um elevado volume de commodities de baixo valor como biocombustíveis, devido não só ao baixo investimento de capital mas também à fácil operação e manutenção e possibilidade de utilização de recursos hídricos não potáveis tais como águas residuais (Heimann et al., 2016). No entanto, por estarem em contacto direto com o ambiente acarretam mais desvantagens quanto ao controlo do processo e produtividade de biomassa, tais como taxa de perda de água por evaporação elevada, temperatura variável dependendo da localização geográfica, necessidade de uma área considerável, dificuldade na disponibilização de CO2, bem como maior risco de contaminação por outros microrganismos
(Derwenskus et al., 2016). Se as condições de mistura não forem corretamente ajustadas pode levar a luz insuficiente, que tem influencia direta na produtividade de biomassa podendo ocorrer fotolimitação devido ao sombreamento das próprias células (Derwenskus et al., 2016). Os raceway ponds são os sistemas artificiais mais utilizados à escala industrial (Brennan et al., 2009) e tipicamente consistem numa espécie de loop fechado pouco profundo (normalmente
com menos de 15 cm de altura de líquido), com canais de recirculação. Estes sistemas destacam-se por terem uma elevada relação superfície-volume que permite maximizar a captura de luz solar e consequentemente a sua transmissão à cultura microalgal. Especialmente as microalgas termófilas são cultivadas comercialmente em sistemas abertos, por terem a capacidade de se adaptarem a condições extremas, por exemplo a Spirulina, que tolera elevada alcalinidade, a Dunaliella salina, que tem a capacidade de sustentar elevadas concentrações de sal (Derwenskus et al., 2016) e a Chorella que é adaptável a meios ricos em nutrientes (Brennan et al., 2009). O maior raceway pond da Earthrise Nutritionals ocupa uma área de 440 000 m2 (Chisti, 2007) e utiliza a biomassa derivada de cianobactérias para obtenção de
pigmento azul para aplicações na área alimentar.
Apesar da maior dificuldade relativamente a outros, o cultivo de monocultura em sistemas abertos é possível promovendo condições extremas, embora apenas algumas espécies de microalgas conseguem crescer nestes ambientes. Um exemplo é a produção de D. salina para a obtenção de β-caroteno em águas extremamente halofílicas da Hutt-Lagoon na Austrália ocidental (Brennan et al., 2009).
Figura 4. Sistemas de produção de microalgas, à esquerda uma raceway em cascata (A4F, 2017) e à direita uma open pound (Ylem Energy, 2017).
No caso da produção de seres fototróficos, os reatores fechados são geralmente designados por fotobioreatores (FBRs) e permitem o cultivo de monocultura de microalgas por duração prolongada (Chisti, 2007). Devido ao elevado risco de contaminação, os sistemas abertos não são atrativos para a produção de produtos de valor acrescentado principalmente nas indústrias farmacêutica e de cosméticos (Brennan et al., 2009). Assim, os sistemas fechados são os mais adequados não só para o cultivo de monocultura como também para espécies de microalgas sensíveis pois sendo fechados o controlo de potencial contaminação é facilitado.
Os dois tipos de fotobioreatores mais utilizados são os tubulares e os de placas planas (Figura 5). Os FBRs são os sistemas de produção de microalgas que têm o maior custo de investimento associado, sendo que em troca se obtém um ambiente altamente controlado em comparação com os sistemas abertos (Heimann et al., 2016). Os fotobioreatores tubulares são frequentemente utilizados à escala piloto, já que têm a vantagem do seu scale-up ser o mais linear comparativamente com outro tipo de sistemas (Abdel-Raouf et al., 2012).
Figura 5. Fotobioreatores 1) tubulares horizontais (A4F, 2017), 2) tubulares verticais (SCHOTT, 2017), 3) de placas planas (AquaFeed, 2014).
Tipicamente os fotobioreatores tubulares consistem em dois compartimentos, uma matriz de tubos frequentemente designada de coletor solar, isto é, tubos de vidro ou plástico onde se dá a captura de luz que promove o crescimento de microalgas e condições para a fotossíntese e um tanque de mistura adjacente aos tubos. A biomassa é re-circulada entre os dois, com o auxílio de uma bomba e o sistema inclui uma unidade de permuta de gás onde o CO2 é injetado
e o O2 produzido fotossinteticamente é retirado da cultura. A matriz de tubos pode estar
alinhada na posição vertical, horizontal ou inclinada, ou ainda em forma de hélix. Este tipo de sistemas acarreta limitações quanto ao design no comprimento dos tubos, que é dependente do potencial de acumulação de O2, depleção de CO2 e variações de pH do sistema (Brennan et
al., 2009).
Alguns dos maiores fotobioreatores tubulares pertencem à Mera Pharmaceuticals, ocupando, no Havai, um volume de 25 m3, ALGOHUB com 700 m3 em Klötze, na Alemanha (Brennan et al.,
2009) e com 1 300 m3 da cimenteira Secil em parceria com a A4F (a4f algae for future, 2017).
Os reatores de placas planas, flat-panel, receberam muita atenção e pesquisa devido à grande área de superfície exposta a iluminação e altas densidades observadas de células autotróficas (Brennan et al., 2009). Para maximizar a captação de luz solar (fonte de energia), estes reatores são feitos de materiais transparentes e uma fina camada de cultura densa flui entre as placas permitindo a absorção de radiação. A mistura é feita através da injeção de gás na base por borbulhamento geralmente com recurso a um aerificador (blower). Devido ao elevado caudal de gás, não há acumulação de O2 e a disponibilidade de luz solar leva a elevada produtividade
e elevada concentração de biomassa, cerca de 10x mais comparativamente aos sistemas abertos (Derwenskus et al., 2016).
Os sistemas híbridos tanto podem ser uma combinação em série de sistemas fechados e abertos, como um só sistema que reúne as vantagens de ambos, mas até à data poucas são as publicações de projetos à escala piloto (Heimann et al., 2016). O cultivo híbrido em dois estágios inicia-se num fotobioreator onde condições controláveis minimizam a contaminação por outros organismos e favorecem a divisão celular contínua. O segundo estágio de produção destina-se a expor as células a stress nutricional que favorece a síntese de lípidos, sendo um sistema de interesse para obtenção de biocombustíveis (Brennan et al., 2009).
2.3 Análise de ciclo de vida (ACV)
A análise de ciclo de vida (ACV) é uma metodologia sistemática que analisa os impactos ambientais associados a um produto, processo, serviço ou atividade humana ao longo do seu ciclo de vida. Quando se destina a um produto, a ACV é feita de uma forma holística, considerando todas as etapas do ciclo de vida desde o início, isto é, desde a extração das matérias-primas, até ao final da sua vida, altura em que o produto se torna resíduo, passando por todas as fases intermédias, seja de produção, distribuição e utilização. Os impactos ambientais são avaliados ao longo de todo o ciclo de vida do produto, incluindo os processos
upstream e downstream associados à sua produção como também à sua eliminação (p.ex.
reciclagem ou deposição final). Os impactos ambientais referem-se a todas as extrações relevantes do ambiente, bem como às emissões para o mesmo.
Esta ferramenta foi internacionalmente padronizada pela International Organization for
Standardization (ISO) aquando da publicação das normas 14040/44, que define a ACV como
uma compilação dos fluxos de entradas e saídas e avaliação dos impactos ambientais associados a um produto ao longo do seu ciclo de vida (ISO 14040, 2008).
2.3.1 Aplicações da ACV
São diversas as aplicações associadas à análise de ciclo de vida. Esta permite o projeto, estudo e melhoria de produtos ou processos (Mata, 2015), sendo útil na identificação de oportunidades de melhoria do desempenho ambiental dos produtos em vários pontos do seu ciclo de vida (ISO 14040, 2008), traduzindo-se tanto na prevenção ou minimização de resíduos associados como na melhoria e como termo de comparação, podendo ser utilizado no marketing do produto (Mata, 2015).
É uma ferramenta que auxilia as organizações na tomada de decisões e é útil na informação aos decisores da indústria, em organizações governamentais e não-governamentais, podendo ser utilizada como um fator de pressão na cadeia de valor, exigindo que os stakeholders e fornecedores cumpram os requisitos legais e ambientais nos seus produtos e processos, bem como no planeamento estratégico, definição de prioridades e projeto ou reformulação de produtos ou processos (Mata, 2015; ISO 14040, 2008). Assim, a ACV prepara os produtos para posterior certificação e/ou atribuição de rótulo ecológico, além de que permite a avaliação de sustentabilidade de produtos.
As limitações da ACV estão relacionadas com a insuficiente transparência dos resultados, o que pode dificultar a utilização de estudos existentes como fonte de informação e comparação. A ACV não aborda os aspetos económicos ou sociais de um produto durante o seu ciclo de vida. Apesar de ser uma das várias técnicas de gestão ambiental, seja para avaliação de risco, de desempenho ambiental, auditoria ambiental e de impacto ambiental, pode não ser a mais
indicada a utilizar em todas as situações (ISO 14040, 2008). A ACV ainda tem diversos aspetos a serem melhorados, nomeadamente na avaliação de impactos ambientais, como cálculo dos efeitos e comparação entre impactos. Além disso, os estudos de ACV são demorados e a sua grande maioria termina na fase de inventário, não só por necessitarem de muita informação e dados, como também se por se tornarem dispendiosos. Para a implementação de um estudo deste tipo por parte de uma empresa, esta deve ter noção que nem sempre os resultados são satisfatórios, levando a que seja necessário implementar medidas e melhorias (Mata, 2015).
2.3.2 Etapas da metodologia de ACV
As normas ISO 14040/44 descrevem os princípios e estrutura para a elaboração de um estudo de ACV, que é estruturado em quatro fases.
Figura 6. Fases da análise de ciclo de vida (ISO 14040, 2008).
A primeira etapa consiste na definição do produto ou serviço que se pretende avaliar, incluindo a seleção de uma unidade funcional, que está intimamente relacionada à finalidade do produto e que deve ser traduzida em unidades que permitam a comparação com outros produtos semelhantes (CNI, 2014). A seleção da unidade funcional bem como amplitude, profundidade e nível de detalhe do estudo contribuem para a definição da fronteira do sistema, determinando também os processos unitários a incluir no sistema, entradas e saídas (Mata, 2015).
O inventário de gases de efeito de estufa (GEE) é o passo mais importante para o arranque de cálculo das emissões que contribuem para a pegada de carbono e é uma ferramenta indispensável para compreender o perfil das emissões de GEE bem como o volume dessas. O inventário permite o mapeamento das fontes de emissão de GEE de uma atividade, processo, organização, produto, ou outros, e possibilita a quantificação, controlo e registo dessas. Esta etapa refere-se à recolha de dados e estabelecimento dos procedimentos de cálculo, quantificando todas as interações entre o meio ambiente e o sistema do ciclo de vida, abrangendo extrações e emissões de GEE, e uma listagem de todos os inputs e outputs de energia e materiais (CNI, 2014). O inventário de emissões e sumidouros de carbono permite avaliar riscos e oportunidades de melhoria, melhorar relacionamento com stakeholders, promover reconhecimento de mercado e vantagem competitiva, diferenciar produtos,
possibilita a participação no mercado de carbono e o desenvolvimento de estratégias para políticas de redução de GEE (WayCarbon, 2016).
A etapa de avaliação dos impactos geralmente categoriza os diferentes efeitos e impactos associados ao ciclo de vida, que no seguimento do inventário de GEE se traduz na pegada de carbono. Além da correlação de dados de inventário por categorias de impacto (classificação), a avaliação dos impactos pode ainda incluir a modelagem dos dados de inventário dentro das categorias de impacto (caracterização) e possível agregação dos resultados em casos específicos e apenas quando significativos (ponderação) (ABNT, 2001). Esta etapa tem como objetivo fornecer informação adicional que auxilie na avaliação dos resultados do inventário de ciclo de vida, de modo a possibilitar a melhor compreensão da sua significância ambiental (ISO 14040, 2008). O resultado final desta fase é o perfil ambiental do produto em estudo (CNI, 2014).
A interpretação é a etapa na qual os resultados são reunidos e discutidos como base para conclusões, recomendações e tomada de decisões de acordo com a definição do objetivo e do âmbito. Os resultados são reportados da forma mais informativa possível e a necessidade de melhorias e oportunidades de redução do impacto do produto ou serviço no ambiente são sistematicamente avaliadas. Uma vez implementadas as etapas descritas, segue-se a aplicação direta da ACV, que dependendo do objetivo e razões do estudo, pode ser p.ex. o desenvolvimento e melhoria de produtos, planeamento estratégico, estabelecimento de políticas públicas, marketing, entre outras.
2.4 Pegada de Carbono
A pegada de carbono é parte integrante da pegada ecológica definida por Rees e Wackernagel (1996). Esta traduz-se como uma estimativa do impacto que o nosso estilo de vida tem sobre o planeta, permitindo avaliar se a nossa forma de viver está em concordância com a capacidade de regeneração da Terra, por via do ciclo de carbono, disponibilizar e renovar os seus recursos naturais, assim como absorver os resíduos e os poluentes gerados pela atividade antropológica ao longo dos anos.
A pegada de carbono é como um subconjunto da pegada ecológica, representando mais de metade desta, e surge como uma medida da quantidade total de emissões de GEE que são causados direta ou indiretamente por uma atividade, serviço ou produto durante o seu ciclo de vida. A pegada de carbono pode ser dividida em primária ou direta e em secundária ou indireta. A primeira é uma medida das emissões diretas de CO2, por exemplo resultantes da queima de
combustíveis fósseis, incluindo o consumo de energia doméstica e dos transportes, e é a fração da pegada de carbono que é possível a humanidade controlar e preferencialmente reduzir. A pegada secundária ou indireta mede as emissões associadas ao ciclo de vida dos produtos e
serviços que usamos e adquirimos, incluindo o seu fabrico, transporte, manutenção e disposição final.
A pegada de carbono é como uma versão simplificada da ACV, que em vez de considerar várias categorias de impacto ambiental, apenas se foca no aquecimento global. Assim, a pegada de carbono serve como um indicador de aquecimento global, traduzindo-se nas emissões e remoções de GEE associadas a um produto/sistema ao longo do seu ciclo de vida. A pegada de carbono deve ser considerada uma unidade de referência, pelo que tipicamente é expressa em unidades de massa de equivalentes de CO2 por unidade funcional, p.ex. ton ou kg CO2-eq/UF.
A pegada de carbono é normalizada em relação ao CO2 por ser o GEE predominantemente
emitido pela atividade antropológica e cujo potencial de impacto tem o valor de 1 de acordo com as tabelas do IPCC (2007). Outros GEE como metano (CH4), óxido nitroso (N2O),
hidrofluorcarbonetos (HFCs), perfluorcarbonos (PFCs), também são contabilizados, mas para serem normalizados na unidade padrão, é necessário multiplicar as emissões de cada um pelo seu fator/potencial de aquecimento global (PAG) que é uma medida relativa que permite a relação do gás em questão com o padrão (PAGco2=1) durante um tempo estabelecido de 100
anos. Os fatores de aquecimento global podem ser consultados no Anexo 1 (IPCC, 2007).
Tabela 1. Fatores de emissão de alguns GEE (adaptado de IPCC, 2007).
GEE PAG (horizonte de 100 anos)
CO2 1
CH4 25
N2O 298
A pegada de carbono pode ser calculada em termos de um produto ou atividade de um indivíduo, grupo ou organização, sendo que existem dois tipos, a organizacional e a de produto. A organizacional mede as emissões de GEE que resultam de todas as atividades ao longo da organização, incluindo a energia utilizada nos edifícios, processos industriais e veículos. A pegada de carbono de um produto mede as emissões ao longo do seu ciclo de vida (Carbon Trust, 2017).
2.4.1 Benefícios e limitações da aplicação da pegada de carbono
O cálculo da pegada de carbono aplicada a produtos ou serviços tem como principais benefícios: Gestão de emissões e avaliação de medidas de mitigação;
Reduzir a emissão de gases com efeito de estufa ao longo do ciclo de vida;
Identificar oportunidades de melhoria da eficiência energética, que consequentemente deverá reduzir diretamente os custos e as emissões de GEE, bem como permitir a poupança de recursos;
