Rbinson Gerardo Trindade Portilla Erazo

Aspectos sobre a produo, colheita e utilizaode microalgas para produo de biodiesel

Ilha Solteira (SP)

Agosto de 2015

Rbinson Gerardo Trindade Portilla Erazo

Aspectos sobre a produo, colheita e utilizao demicroalgas para produo de biodiesel

Texto apresentado ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica comorequisito para composio do conceito da dis-ciplina de Estudos Especiais.

Universidade Estadual Paulista Jlio de Mesquita Filho UNESP

Faculdade de Engenharia Cmpus de Ilha Solteira

Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

Orientador: Prof. Dr Ricardo Alan Verd Ramos

Ilha Solteira (SP)Agosto de 2015

Dedicado a todos que buscam fazer deste pequeno planeta um lugar melhor.

Agradecimentos

A CAPES (Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Ensino Superior) peloapoio financeiro, ao meu orientador pelo apoio intelectual e ensinamentos, aos amigos efamiliares pelo incentivo.

De uma coisa sabemos. A terra no pertence ao homem: o homem que pertence terra, disso temos certeza. Todas as coisas esto interligadas, como o sangue que une umafamlia. Tudo est relacionado entre si. Tudo quanto agride a terra, agride os filhos daterra. No foi o homem quem teceu a trama da vida: ele meramente um fio da mesma.Tudo o que ele fizer trama, a si prprio far.

Pronunciamento do Grande Cacique Seattle, Estados Unidos, 1854

Resumo imperativo, face aos grandes desafios ecolgico, que eliminemos a dependncia de petrleo.Nesse contexto a produo de microalgas para combustvel, especialmente o biodiesel,surgem como uma grande promessa. As microalgas apresentam uma produtividade quepotencialmente poderia substituir nossa demanda por petrleo. Entretanto, o leo demicroalgas ainda se apresenta economicamente no competitivo. Neste estudo abordaremostoda a cadeia produtiva de biodiesel de microalgas desde a seleo de espcies, cultivo,colheita, extrao de leo e produo de biodiesel, suas tecnologias e desafios. Serevidenciado que para tornar economicamente vivel o biodiesel de microalgas dever haveraprimoramentos em todas as etapas da cadeia produtiva.

Palavras-chave: microalga. biodiesel. processo produtivo.

Lista de ilustraes

Figura 1 Evoluo do nmero de publicaes anuais relacionadas a bioenergia demicroalgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Figura 2 Micrografias de microalgas do tipo azul, verde, dourada e vermelha . . 18Figura 3 Representao esquemtica de taxa de crescimento das algas e a con-

centrao de nutrientes em um cultivo por batelada . . . . . . . . . . . 19Figura 4 Comparao entre a produtividade anual de culturas oleaginosas e as

microalgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 5 Rotas de biocombustveis a partir de microalgas . . . . . . . . . . . . . 21Figura 6 Processo integral de produo de biodiesel de microalgas . . . . . . . . 26Figura 7 Paramtros que afetam o ciclo produtivo de produo de biodiesel de

microalgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 8 Caractersticas ideais de uma clula fotossinttica produtora de biocom-

bustveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 9 Sistema aberto para cultivo de microalgas . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 10 Sistema fechado para cultivo de microalgas . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 11 Reao completa de transesterificao de triacigliceris. . . . . . . . . . 38Figura 12 Fotobiorreator de coluna do IPBEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Lista de tabelas

Tabela 1 Comparao da microalga com outras fontes de leo para biodiesel . . 20Tabela 2 Comparao entre sistemas abertos e sistemas fechados para cultivo de

microalgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Sumrio

1 INTRODUO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 DEFINIO E CARACTERSTICAS DAS MICROALGAS . . . . . 18

3 BIOCOMBUSTVEIS DE MICROALGAS . . . . . . . . . . . . . . . 213.1 Biodiesel e Diesel Verde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Bio-hidrognio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.3 Bioetanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4 Biometano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 PROCESSO PRODUTIVO DE BIODIESEL A PARTIR DE MICRO-ALGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.1 Isolamento e seleo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.2 Cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.2.1 Sistemas de Cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.1.1 Tanques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.1.2 Fotobiorreatores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2.2 Limitaes e desafios na seleo de espcies e cultivo . . . . . . . . . . . . 304.3 Colheita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.1 Centrifugao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.2 Filtrao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334.3.3 Flotao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3.4 Floculao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.3.5 Ultrassom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.3.6 Limitaes e desafios na colheita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.4 Extrao do leo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.4.1 Mecnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.4.2 Qumico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.4.3 Outros mtodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.4.4 Limitaes e desafios da extrao de leo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.5 Produo de biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5 ASPECTOS ECONMICOS E TICOS . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6 CONSIDERAES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Referncias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

ANEXOS 43

ANEXO A RESUMO DO PROJETO DE PESQUISA . . . . . . . 44A.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44A.2 Materiais e mtodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45A.2.1 Variedade de Microalga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45A.2.2 Cultivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45A.2.3 Mtodos Analticos e Estatsticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45A.3 Resultados Esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45A.4 Etapas Cumpridas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

15

1 Introduo

Estamos em um ponto em que no h solues fceis e rpidas para a questoecolgica. Somos desafiados a escolher entre dois caminhos: continuar o vasto consumode recursos naturais e aumentar o problema ou mudar velhos hbitos e focar em umestilo de vida sustentvel a comear pelo consumo de energia (ONCEL, 2013, p. 260).Nesse desafio fundamental diminuir as emisses de CO2 do setor de transporte pelasubstituio de combustveis fsseis por fontes renovveis de energia. Dentre estas fontes, osbiocombustveis so uma importante contribuio, particularmente no curto prazo, sendoque os mais comuns so o biodiesel e o bioetanol que podem substituir, respectivamente,o diesel e a gasolina, com pouca ou nenhuma alterao dos motores dos veculos atuais(MATA; MARTINS; CAETANO, 2010, p. 218).

Os biocombustveis apresentam amplas vantagens sobre os combustveis tradicionaisporque so sustentveis e ecologicamente menos impactantes. Os biocombustveis soderivados de recursos naturais renovveis e podem ser classificados em primeira gerao,segunda gerao, terceira gerao e uma nascente quarta gerao. Os biocombustveis deprimeira gerao so originados de culturas oleaginosas como a palma, coco, canola,girassol, soja, entre outras. Essas matrias-primas apresentam o dilema de alimento versuscombustvel. As gorduras animais e os leos descartados de cozinha so conhecidos comomatrias-primas de segunda gerao. Entretanto, essas fontes no so estveis parasuprir a futura demanda energtica. Os micro-organismos so usados para produzir asmatrias-primas de terceira gerao. Foram identificadas vrias espcies que produzembiocombustveis como metano, bio-hidrognio, biodiesel e bioetanol por meio da fixaode gs carbnico atmosfrico. Por fim, vislumbra-se uma nova gerao de insumos biocombustveis de quarta gerao que foca-se no aperfeioamento de organismos viaengenharia gentica para incrementar a produtividade, robustez e outras caractersticasdesejveis (ONCEL, 2013, p. 260) (RASHID et al., 2014, p. 761)

Na atualidade o potencial de produo de bioenergia a partir de microalgas amplamente reconhecido e tem encorajado pesquisadores e universidades em desenvolversistemas de produo de energia microalgal. Uma indicao desse interesse o nmero cres-cente de publicaes anuais referenciadas no Science Citation Index desde 1990 (Figura 1)(ONCEL, 2013, p. 242). Alm do mais, Chisti (2007) um dos principais autores nestarea de conhecimento demonstrou que o biodiesel de microalgas tecnicamente vivele potencialmente a nica cultura capaz de substituir completamente os combustveisoriginados do petrleo.

De acordo com Rodolfi et al. (2009, p. 100-101), podemos indicar como vantagens

16 Captulo 1. Introduo

Figura 1 Evoluo do nmero de publicaes anuais relacionadas a bioenergia de micro-algas. Fonte: Oncel (2013, p. 243).

dos biocombustveis de microalgas:

1. A produtividade de leo por rea muito maior que as melhores culturas oleaginosas;

2. Microalgas crescem em meios aquticos mas necessitam menos gua que as culturasterrestres;

3. Microalgas podem ser cultivadas com gua do mar ou gua salobra em solos no-arveis e no competem por recursos da agricultura tradicional;

4. A produo de biomassa microalgal pode ser combinada com a bio-fixao diretade gs carbnico rejeitado (1 kg de biomassa algal seca necessita cerca de 1,8 kg deCO2);

5. Fertilizantes para a cultura de microalgas (principalmente N e P) podem ser obtidosde guas residuais;

6. No necessrio herbicidas ou pesticidas;

7. A biomassa residual aps a extrao de leo pode ser utilizada como alimento,fertilizante ou como matria-prima para produo de biometano e bioetanol viafermentao

8. A composio qumica da biomassa algal pode ser modulada variando as condiesde cultura e o contedo de leo pode ser altamente incrementado.

H significativas limitaes associadas a essa tecnologia que, entretanto, sominimizveis:

1. Necessidade de selecionar e cultivar estirpes de alta produtividade lipdica;

17

2. Dificuldade de manter as espcies selecionadas em um cultivo aberto;

3. Pequeno nmero de plantas comerciais e limitada disponibilidade de dados sobreculturas em larga escala;

4. Energia consumida para bombeamento de gua, injeo de CO2, misturao, colheitae secagem da biomassa potencialmente resultam em balano negativo de energiapara o processo.

Apesar deste potencial, avanos no processo inteiro so necessrios para tornareconomicamente vivel a produo de biocombustveis de microalgas (RASHID et al.,2014).

O objetivo deste trabalho abarcar a cadeia produtiva integral do biodiesel demicroalgas em suas principais etapas: isolamento e seleo de espcies, cultivo, colheita,extrao do leo e produo do biodiesel. Alm do mais, abordaremos sobre outros tiposde biocombustveis de microalgas e aspectos econmicos e polticos da tecnologia.

2 Definio e caractersticas das microalgas

Microalgas so micro-organismos fotossintetizantes procariontes ou eucariontes.Procariontes no possuem cloroplastos, mitocndria e ncleo, no entanto apresentamclorofila A e altas concentraes de protenas. As microalgas crescem rapidamente e vivemem condies severas devido a sua estrutura unicelular ou multicelular simples. Estopresentes em todos os ecossistemas do planeta, seja terrestre ou aquticos (gua doce,salgada e residuais). Estima-se que existam mais de 50.000 espcies das quais 30.000foram estudadas. Microalgas podem ser classificadas segundo sua taxonomia, incluindoalgas azuis, verdes, vermelhas e douradas (ver Figura 2). So exemplos desses micro-organismos as algas azuis (Cyanophyceae), as algas verdes (Chlorophyta) e as diatomceas(Bacillariophyta) (MATA; MARTINS; CAETANO, 2010, p. 219) (RASHID et al., 2014,p. 762).

Figura 2 Micrografias de microalgas do tipo azul, verde, dourada e vermelha da Coleode Culturas de Algas da Universidade do Texas em Austin (www.utex.org).

As microalgas tambm podem ser classificadas segundo sua fonte de suprimento decarbono como sendo autotrficas, heterotrficas e mixotrficas. As autotrficas realizamfotossntese utilizando como fonte de energia a luz e como fonte de carbono o gs CO2.As heterotrficas utilizam como fonte de energia e carbono os compostos orgnicos taiscomo glicose, glicerol e cido actico. As espcies que utilizam ambas as fontes, orgnica einorgnicas, so conhecidas por mixotrficas (RASHID et al., 2014, p. 762).

As microalgas so capazes de converter por meio de atividades celulares tais fontesorgnicas e inorgnicas de nutrientes em compostos qumicos especiais como carboidratos,

19

Figura 3 Representao esquemtica de taxa de crescimento das algas (linha slida) ea concentrao de nutrientes (linha tracejada) em um cultivo por batelada.Fonte: adaptado de Mata, Martins e Caetano (2010, p. 223).

lipdios, protenas, vitaminas e pigmentos A moderna indstria de produo de microalgasse sustenta por meio desses compostos qumicos que tem aplicaes nas indstrias dacosmtica, alimento, farmacutica, suplementos alimentares e qumicos (ONCEL, 2013,p. 242)

No contexto de biocombustveis, o interesse pelas microalgas est na alta concen-trao de lipdios em certas espcies e, tambm, pelo fato que a sntese de triacilglicerisno-polares (TAG) pode ser modulada por meio de variaes nas condies de cultura. OsTAG no-polares so o melhor substrato para a produo de biodiesel. O contedo total delipdios pode variar de 1 a 85% em peso seco de biomassa, sendo que 40% um valor tpicosob limitaes de nutrientes. Fatores como temperatura, irradiao e, destacadamente,nutrientes disponveis influenciam a produtividade e composio de lipdios (RODOLFI etal., 2009, p. 101).

As microalgas tm crescimento prodigioso sob condies ambientais adequadas ecom nutrientes suficientes. Normalmente elas dobram sua biomassa em 24 horas ou em 3,5horas, quando esto na fase de crescimento exponencial (CHISTI, 2007, p. 296). Como seobserva na Figura 3, h cinco fases distintas no crescimento das microalgas:

1. fase de latncia;

2. fase de crescimento exponencial;

3. fase de crescimento linear;

4. fase de crescimento estacionrio;

5. fase de declnio.

20 Captulo 2. Definio e caractersticas das microalgas

A curva tracejada indica um decaimento dos nutrientes durante a fase estacionriaem diante. Em geral, as algas na fase de crescimento exponencial apresentam maior teorde protenas, enquanto na fase estacionria apresentam mais carboidratos e glicognio(MATA; MARTINS; CAETANO, 2010, p. 223).

A notvel produtividade de leo de microalgas claramente superior s outrasculturas oleaginosas como indica a Figura 4 e a Tabela 1. A produtividade de microalga(a), considerando a hiptese mais conservadora, pelo menos 7 vezes maior que a culturaoleaginosa atual mais produtiva, que o leo de palma.

Figura 4 Comparao entre a produtividade anual de culturas oleaginosas e as microalgasconsiderando: (a) produtividade microalgal mais realista para estirpes e estado-da-arte atual segundo Rodolfi et al. (2009, p. 111); (b) considerando 30% de leo(por peso) na biomassa; (c) considerando 70% de leo (por peso) na biomassa.Fonte: adaptado de Mata, Martins e Caetano (2010, p. 223) .

Tabela 1 Comparao da microalga com outras fontes de leo para biodiesel, adaptadode Mata, Martins e Caetano (2010, p. 223)

21

3 Biocombustveis de microalgas

Quando processado por reaes qumicas ou biolgicas, as microalgas podem gerarvrios tipos de biocombustveis (Figura 5) entre os quais o biodiesel, bioetanol e biometano,sendo que neste trabalho o foco ser sobre biodiesel.

Figura 5 Rotas de biocombustveis a partir de microalgas. Fonte: traduzido de Oncel(2013, p. 244).

3.1 Biodiesel e Diesel VerdeTecnicamente o biodiesel um combustvel alternativo baseado em esteres mo-

noalqulicos de cidos graxos de cadeias longas comercialmente produzido de culturasoleaginosas como soja, palma, canola e girassol. O tamanho das cadeias de cidos graxos eseu grau de insaturao influenciam grandemente na qualidade do biodiesel. O perfil dacomposio dos cidos graxos de microalgas depende da espcie e condies de cultivo.As microalgas sob estresse podem mudar a rota metablica de sntese lipdica e produziracima de 50% de sua massa seca em lipdios neutros, principalmente os triacigliceris componente chave na produo de biodiesel (ONCEL, 2013, p. 242244).

22 Captulo 3. Biocombustveis de microalgas

Por meio de uma mudana na rota produtiva, os leos de microalga podem produziro diesel verde por um processo conhecido por hidrotratamento cataltico. Enquanto atransesterificao se utiliza do lcool para a quebra das cadeias de cidos graxos, esseprocesso utiliza o hidrognio. Como subprodutos tem-se o propano, gua e gs carbnico(enquanto a transesterificao resulta em glicerol). O diesel verde apresenta um nmerode cetano maior que o biodiesel e maior densidade de energia por massa. Utilizar o leode microalgas para o diesel verde apresenta vantagens de se aproveitar a estrutura pr-existente das refinarias de petrleo convencionais e os subprodutos do processo (CO2 eH2O) pode ser reciclados e incorporados ao ciclo produtivo de microalgas novamente. Almdo mais, as prprias microalgas podem produzir o hidrognio necessrio, como ser visto aseguir (ONCEL, 2013, p. 248).

3.2 Bio-hidrognioUm dos mais promissores combustveis sustentveis do futuro o hidrognio.

Atualmente h vrias rotas convencionais e novas para obteno do gs a partir decombustveis fsseis (converso por vapor, converso por plasma, gaseificao, craqueamentotrmico); biomassa (pirlise, converso super-crtica, converso microbiana) e gua (fotlise,termlise e eletrlise). Apesar da maiorias dos processos ser de natureza qumica, processosbiolgicos tm sido estudados As rotas metablicas das microalgas para a produo debio-hidrognio so mostradas seguir. No caso de fotlise direta:

H2O + luz 2H2 +O2

Outra via a fotlise indireta:

12H2O + 6CO2 + luz C6H12O6

12H2O + C6H12O6 12H2 + 6CO2

O bio-hidrognio tem potencial de ser utilizado em clulas a combustvel e aprovei-tado no processo de produo do diesel verde (ONCEL, 2013, p. 248).

3.3 BioetanolO bioetanol um combustvel automotivo sustentvel e de baixo impacto ambiental

com tecnologia dominada e economicamente vivel. As principais matrias-primas dobioetanol so atualmente produtos agrcolas como cana-de-acar, sorgo, milho, beterrabae arroz que produzem o combustvel via fermentao. Sinteticamente, a rota de produo dobioetanol comea pela decomposio do biomaterial em acar simples que fermentado,

3.4. Biometano 23

posteriormente, por micro-organismos. Depois o etanol separado e concentrado emdestilarias. Devido a crescente concorrncia entre terra para alimentos e para energia,as microalgas tm sido estudadas como uma fonte alternativa de recursos. No caso, amicroalga pode produzir bioetanol por dois caminhos: via fermentao de sua biomassa oudiretamente de seu metabolismo celular.

Por meio da fermentao, o fator-chave o acmulo de amido que nas microalgaspode atingir at metade de sua biomassa seca. Por meios mecnicos ou enzimticos sesepara o amido que hidrolisado em glicose para o uso na fermentao.

Outro meio a excreo direta de etanol atravs das membranas celulares dasmicroalgas, processo intracelular que ocorre no escuro por certas espcies. Uma tendncia aumentar essa liberao de etanol por meio de modificao gentica. A grande inovaodesse processo reside na separao do bioetanol do meio de cultura. Assim, elimina-sea etapa de colheita e concentrao de biomassa, economizando uma grande parcela deenergia e de gua no ciclo produtivo como um todo.

Por fim, a biomassa residual de microalgas pode ser utilizada para alimentarbiodigestores e produzir o chamado biometano. Os co-produtos da fermentao (CO2,vinhaa, guas residuais) podem ser reutilizados no cultivo microalgal, sob um contextode biorrefinaria (ONCEL, 2013, p. 249).

3.4 BiometanoAtualmente cultivos agrcolas e seus subprodutos so utilizados para produzir

biogs por meio da digesto anaerbica. O biogs uma mistura de metano (55 a 75%)e dixido de carbono (25 a 45%) que purificado resulta no biometano, o qual pode serutilizado com combustvel para transporte, gerao de energia ou aquecimento. A energiaacumulada nas microalgas por meio da fotossntese pode ser convertida em biometano viadigesto anaerbica. A biomassa microalgal rica em amido, protenas e lipdios; apresentapouca celulose e ausncia de lignina, propiciando uma digesto anaerbica eficiente. Oprocesso de digesto feito em etapas por micro-organismos especializados:

Hidrolisao de biopolmeros em monossacardeos por bactrias hidrolticas;

Fermentao dos monossacardeos em cido carboxlicos e lcoois por bactriasfermentativas;

Converso dos cidos e alcois em acetato, hidrognio e dixido de carbono porbactrias acetognicas;

Converso desses produtos em metano e dixido de carbono por bactrias metanog-nicas.

24 Captulo 3. Biocombustveis de microalgas

A biomassa remanescente aps a digesto rica em nutrientes pode ser utilizadacomo fertilizantes. O gs carbnico produzido pode ser reincorporado ao ciclo produtivo demicroalgas. Estudos mostram que o cultivo de microalgas em rejeitos utilizando fotobiorre-atores apropriados para a produo de biometano pode diminuir os impactos ambientaisem um sistema competitivo e eficiente (ONCEL, 2013, p. 252).

25

4 Processo produtivo de biodiesel a partir demicroalgas

O processo produtivo integral de biodiesel de microalgas consiste nas etapas deisolamento e seleo de estirpes, cultivo, colheita, secagem, extrao de lipdios e, porfim, produo do biodiesel (Figura 6). Os parmetros que afetam cada uma das etapasda produo de biodiesel de microalgas esto organizados no mapa mental da Figura 7.A seguir ser apresentada cada uma destas etapa, segundo o trabalho de Rashid et al.(2014).

4.1 Isolamento e seleo

A identificao e isolamento de espcies e estirpes robustas de microalgas degrande importncia para o cultivo eficiente. As microalgas vivem em uma ampla variedadede ambientes. Atualmente as pesquisas se debruam sobre espcies j existentes mas interessante conhecer novas variedades. Por exemplo, espcies isoladas de habitats locaisapresentam alta tendncia de serem mais resistentes s condies climticas do local. Oque orienta o isolamento e seleo de espcies o objetivo do cultivo. Assim, espciescoletadas de stios contaminados so mais adaptadas ao tratamento de guas residuais.Por outro lado, espcies que crescem perto de estaes de leo apresentam alto acmulode lipdios em seu corpo, porque essas microalgas se alimentam de leo.

Critrios importantes na seleo de variedades so: (1) resistncias a variaesambientais como temperatura, suprimento de carbono, pH, nvel de nutrientes, luminosidadee contaminao orgnica; (2) capacidade de crescimento em larga escala e estabilidadecultural; (3) acima de tudo, uma alta taxa de crescimento e contedo lipdicoque podem diminuir sobremaneira os custos de produo; (4) a composio dos lipdiosproduzidos, preferencialmente lipdios polares e neutros. As espcies Chlorella vulgaris eChlorella protothecoides foram identificadas como produtoras de tais leos.

A seleo de espcies depende do objetivo, por exemplo, Botryococcus braunii temalto contedo lipdico (75%), enquanto Nannochloropsis oculata apresenta alta produ-tividade de lipdios (142 mg/L/dia), e a Scenedesmus sp apropriada para a fixaode carbono. Uma microalga com caractersticas ideais para maximizar a produo debiocombustveis e reduzir custos mostrada na Figura 8.

26 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

Figura 6 Processo integral de produo de biodiesel de microalgas. Fonte: traduzido deRashid et al. (2014, p. 763).

4.1. Isolamento e seleo 27

Figura 7 Paramtros que afetam o ciclo produtivo de produo de biodiesel de microalgas.Fonte: traduzido de Rashid et al. (2014, p. 775).

28 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

Figura 8 Caractersticas ideais de uma clula fotossinttica produtora de biocombustveis.Fonte: traduzido de Wijffels e Barbosa (2010, p. 798).

4.2 Cultivo

O cultivo a etapa mais importante do processo. Vrias tcnicas podem serutilizadas, dependendo da fonte de carbono. A tcnica de cultivo mais comum a autotrfica,em que a microalga fixa gs carbnico na presena de luz e acumula compostos orgnicos.Esse processo a fotossntese que depende primariamente de dois recursos: luz e gscarbnico.

A clorofila presente nas clulas de microalgas absorvem a luz com comprimento deonda de 400 a 700 nm. Cerca de 30 a 40% da luz incidente aproveitada na fotossntese. Acor de luz mais energtica a azul, seguida da verde e depois da vermelha. O fotoperodode 12:12 (escuro:claro) apresenta alta taxa de crescimento. A luz pode ser fornecidadiretamente pelo sol ou por lmpadas. A lmpada fluorescente apresenta as maiores taxasde crescimento. A lmpada LED comparvel, e mais eficiente e barata. Fibras ticastambm tm sido estudadas e apresentam vantagens quando so imersas no meio de culturadentro de fotobiorreatores, fornecendo luz homogeneamente atravs de todo o cultivo.

Outro importante recurso o carbono. Microalgas tem a habilidade de se utilizar defontes inorgnicas (autotrficas) e orgnicas de carbono (heterotrficas). As autotrficas quefixam carbono na presena de luz so conhecidas como fotoautotrficas. Altas concentraesde CO2 (1 a 15%) incrementam a taxa de crescimento. As fontes de carbono podem ser o

4.2. Cultivo 29

prprio gs injetado no meio de cultura, por meio de inculos como o bicarbonato de sdioou mesmo compostos orgnicos (no caso das heterotrficas) tais como glucose, acetato,glicerol, frutose e lactose.

Outros nutrientes importantes no cultivo so o nitrognio e o fsforo, enquantomagnsio, clcio, ferro, enxofre, cobalto e sdio so utilizados minoritariamente.

Alm dos nutrientes, importantes fatores que afetam o cultivo de microalgas so omeio de cultivo, temperatura, oxignio dissolvido, misturao, acidez e salinidade

4.2.1 Sistemas de Cultivo

Atualmente os mtodos de cultivo em larga escala de microalgas utilizados so ossistemas abertos, praticados em tanques ou lagoas e sistemas fechados, praticadosem fotobiorreatores, que podem ser do tipo tubular, de placas planas, de coluna airlifte de tanque agitado. Os sistemas abertos so os mais utilizados na produo comercialde microalgas, pois so fceis de limpar depois do cultivo e produzem boa quantidade demicroalgas, mas apresentam dificuldades de controlar as condies de cultura, so facilmentecontaminados e ocupam grandes reas de terra. J os sistemas fechados , conhecidoscomo fotobiorreatores, so relativamente baratos, tem grande rea de iluminao, boaprodutividade e controle mais rigoroso das condies de cultivo. Entretanto, so passveisde entupimento e mais difceis de limpar (MATA; MARTINS; CAETANO, 2010, p. 227).Uma comparao entre os dois sistemas de cultivo apresentada na Tabela 2.

4.2.1.1 Tanques

Os tanques so feitos de canais em circuito fechado com profundidades tpicas de0,3 metros (Figura 9). A misturao e circulao garantida por rodas com palhetasque operam continuamente para evitar sedimentao. A fluxo guiado por chicanasinstaladas nos canais. Esses canais so construdos com concreto, ou terra compactada ouainda com plstico. De dia, o sistema continuamente alimentado em frente da roda depalhetas que onde o fluxo se inicia. O caldo coletado atrs das rodas de palheta. Atemperatura varia com as condies ambientais. O resfriamento atingido apenas pelaevaporao. Perda de gua por evaporao significativa. Por causa das grandes perdaspara atmosfera, a utilizao de gs carbnico menos eficiente nos sistemas abertos do quenos fotobiorreatores. No entanto, tanques tendem a ser mais baratos que fotobiorreatoresporque custam menos para serem construdos e operados (CHISTI, 2007, p. 297298).

4.2.1.2 Fotobiorreatores

Os fotobiorreatores (Figura 10), ao contrrio dos sistemas abertos, permitem acultura de uma nica espcie por uma durao prologada. Eles podem ter formato tubular,

30 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

cilndrico, placas planas ou tanques (fechados) feitos de material transparente, comumentevidro ou plstico. Podem ser rgidos ou flexveis. A iluminao pode ser natural ou artificial.H propostas de utilizao de ambas as fontes, sendo a solar transmitida por fibras ticaspara o interior do meio de cultura e a luz artificial fornecida por lmpadas LED alimentadaspor geradores solares e/ou elicos, como pode ser visto na Figura 10. A sedimentao debiomassa evitada por meio da constante agitao mantida por bombas mecnicas ousistemas de bombeamento airlift. As bombas mecnicas so fceis de projetar e operar,mas podem danificar as clulas de microalgas. Ao contrrio, o sistema de bombeamentoairlift menos agressivo contra as microalgas, alm de prover gs carbnico para o meiode cultura junto ao ar bombeado. A fotossntese gera oxignio que ao ser acumulado nomeio de cultura pode inibir a fotossntese quando a nveis muito maiores do que o nvel desaturao de ar, assim, preciso periodicamente desgaseificar de oxignio. A temperaturapode ser mantida efetivamente e com baixo custo por trocadores de calor (CHISTI, 2007,p. 298300).

Tabela 2 Comparao entre sistemas abertos e sistemas fechados para cultivo de micro-algas, adaptado de Mata, Martins e Caetano (2010, p. 226)

4.2.2 Limitaes e desafios na seleo de espcies e cultivoOs maiores desafios nesta fase so:

4.2. Cultivo 31

Figura 9 Sistema aberto para cultivo de microalgas. O meio de cultura man-tido em constante movimento pela roda com palhetas: (Acima) Tan-ques para produo de microalgas (crditos a JanB46 [CC BY-SA 3.0(http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]; (Abaixo) Representao es-quemtica do sistema aberto (CHISTI, 2007, p. 297).

32 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

Figura 10 Sistemas fechados para cultivo de microalgas (fotobiorreatores): (Acima)Fotobiorreator de painis verticais de baixo custo de polietileno instaladospela Proviron, Blgica (WIJFFELS; BARBOSA, 2010, p. 797); (Abaixo)Representao esquemtica de um fotobiorreator tubular que utiliza umafonte interna de luz (fibras ticas alimentadas por um sistema de coleta solar)em uma fonte externa de lmpadas LED alimentadas por energia solar e elica(CHEN et al., 2011, p. 77).

4.3. Colheita 33

Isolar as espcies locais;

Selecionar variedades robustas;

Aumentar a eficincia na captura da luz;

Aumentar a eficincia fotossinttica;

Incrementar a solubilidade de gs carbnico e oxignio no meio de cultura;

Incrementar a produtividade de biomassa e a taxa de crescimento;

Controlar a contaminao bacteriana;

Manter a proporo C:N;

Gerar adequada misturao.

4.3 ColheitaA fase em que a biomassa recuperada do meio de cultura se chama colheita.

Este um processo chave na cadeia global de produo de biodiesel. Cerca de 20 a 30%do custo total do biodiesel devido a essa etapa. Minsculas clulas de microalga (1 a10 m) suspensas em uma soluo diluda com a densidade semelhante a da gua nopodem ser usadas diretamente na produo de biodiesel. necessria uma concentraodessa biomassa de 50 a 200 vezes.

A colheita de microalgas uma difcil tarefa porque elas apresentam estabilidadeno meio de cultura e possuem alta carga superficial, o que dificulta sua aglomerao. Umatecnologia universal de colheita eficiente e de baixo custo ainda no foi apresentada. Entreos mtodos pesquisados esto a centrifugao, coagulao, floculao, filtrao com ardissolvido, filtrao por membrana, eletroflotao, eletroforese e ultrassom.

4.3.1 CentrifugaoA centrifugao um processo que utiliza da fora centrfuga para separar as clulas

do meio. Quando a fora centrfuga maior que a fora gravitacional, h separao. Aeficincia de colheita cerca de 80 a 90% e pode ser obtida em um tempo de 2 a 5 minutos.H diferentes tipos de centrifugadoras. Infelizmente, para uma produo em larga escalaeste mtodo demanda alto custo.

4.3.2 Filtrao o mtodo mais amplamente aplicado para colheita de microalgas. Na filtrao

a suspenso de microalgas passa atravs de um meio poroso (poros de dimetro entre

34 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

0,01 a 3 m). Essa tcnica tem pode atingir eficincia de colheita de 95%. A presena desubstncias polimricas extracelulares (SPE) no meio de cultura podem reduzir a eficinciada filtrao por causa de depsitos de SPE na superfcie do filtro. Outros fatores comocarga na superfcie, tamanho de clula, temperatura, tipo de membrana e concentraocelular podem influenciar na eficincia. Mas acima de tudo, o entupimento o maiorgargalo nesta tcnica de colheita. Minimizar o problema do entupimento pode tornar atcnica de filtrao a mais adequada para a colheita. O entupimento obriga a frequentestrocas de filtros e de retrolavagem, aumentando o custo total. Novas tecnologias tm sidoestudadas com objetivo de minimizar esse problema.

4.3.3 Flotao a tcnica que separa as microalgas do meio aquoso por meio de bolhas de ar.

Essas bolhas carregam as microalgas para cima devido ao efeito de flutuao e baixadensidade. A biomassa fica no seio do lquido e pode ser retirada por uma escumadeira.Clulas com dimetros de 10 a 30 m so mais aptas para a colheita por flotao, atingindoeficincia de 80 a 90%. A flotao depende de fatores como tamanho das clulas, tamanhodas bolhas de ar, fluxo de ar e caractersticas da superfcie celular. As tcnicas utilizadasso:

Flotao por ar dissolvido: lquido saturado com ar dissolvido injetado por umbocal. Esse bocal geram bolhas que carregam as microalgas ;

Flotao por ar disperso, que envolve a injeo de ar no pressurizado na suspenso.Esse mtodo produz bolhas maiores e tem menor eficincia;

Flotao por oznio, que acontece pela injeo de gs que quebra as paredes celulares,liberando protenas que agem com biofloculantes;

Eletrofloculao, que envolve a formao de bolhas de hidrognio por meio daeletrlise da gua.

A tcnica de flotao apresenta vantagens de ser barata, simples de operar e rpida,mas os custos de eletrodos e demanda de energia limita sua aplicao a escala comercial.

4.3.4 FloculaoFloculao o processo em que as clulas de microalgas se agregam e formam

flocos. A alta densidade fora os flocos a se sedimentarem. No meio de cultura, as clulasapresentam carga negativa e presentes em forma estvel. Assim, as elas precisam serdesestabilizadas primeiramente para serem separadas do meio lquido. Os floculantes so assubstncias que agem nessa desestabilizao. ons metlicos (Al+3 e Fe+3) so comumente

4.3. Colheita 35

utilizados em tratamento de esgoto e tambm na colheita de microalgas. So eficientes,mas apresentam o inconveniente de contaminarem a biomassa coletada e induziremm aruptura das clulas. Outro tipo de floculante so os polmeros orgnicos como a quitosana(muito promissora) e amido. Apresentam alta eficincia e no contaminam a biomassa.Uma tcnica recente que est sendo estudada o conceito de autofloculao e biofloculao.Autofloculao se aproveitar da capacidade de algumas microalgas naturalmente seagruparem quando o pH elevado. A biofloculao o cultivo conjunto de outro micro-organismo (bactria ou fungos) que induzem a floculao. Por fim, a eletrofloculao induzas microalgas se agregarem conforme so atradas pelo anodo.

4.3.5 Ultrassom

As microalgas podem ser colhidas por meio de ultrassom de baixa frequncia ebaixa amplitude. A sonificao rompe as clulas microalgais, diminui sua flutuabilidadee favorece a sedimentao. Altas eficincias (90 a 92%) por sonificao foram atingidasmesmo quando aplicadas por curto tempo (5 segundos). Sonificao com altas frequnciase amplitudes destroem as clulas e liberam seus lipdios no meio aquoso. O ultrassom,entretanto, uma tecnologia que demanda alta energia.

4.3.6 Limitaes e desafios na colheita

Os maiores desafios nesta fase so:

Clulas de pequeno porte;

Culturas de microalgas diludas e estticas;

Grande variedade de tamanhos, formas e mobilidade;

Contaminao da biomassa coletada por substncias qumicas;

Interferncia na extrao de leo;

Diferentes protocolos para algas de gua doce e salgada;

No existncia de um mtodo aplicvel para todos os tipos de microalgas;

Baixa eficincia na colheita;

Alta demanda de energia;

Alta demanda de floculantes.

36 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

4.4 Extrao do leoA extrao de leo um desafiante e custoso passo no processo produtivo de

biodiesel. Os lipdios ficam encapsulados pela parede celular composta de protenas ecarboidratos. Assim, a quebra da parede celular um passo preliminar para a extrao doleo. No existe um mtodo nico, que varia de espcie para espcie. Pode-se classificar osmtodos de lisis celular em mecnicos, qumicos e biolgicos

4.4.1 MecnicoEstes mtodos so amplamente utilizados e quebram a parede celular por meio da

fora bruta. A eficincia depende da espcie, por exemplo, Spirulina sp. apresenta umaparece celular pouco rgida em comparao com a Chlorella sp., logo, mais fcil de extrairo leo.

Um dos mtodos utilizados por um tubo batedor com microesferas que quebra asclulas por meio do choque com partculas metlicas. Esse mtodo depende do tamanhodo tubo, velocidade de agitao e caractersticas das microesferas. Estudos mostram que um mtodo pouco eficiente. A alta demanda de energia e dissipao trmica limitam suaaplicao.

Alta intensidade de ultrasonificao (400 a 800 kHz) produz microbolhas, ondasde choque e calor que auxiliam na lisis celular. A eficincia da extrao depende dafrequncia, temperatura, densidade do meio, tamanho das bolhas, concentrao celular. uma tecnologia bem conhecida e eficiente. Contudo, alto consumo e dissipao de calorso os principais entraves no uso em larga escala.

4.4.2 QumicoCompostos qumicos como clorofrmio, benzeno, cidos e lcalis podem induzir a

quebra das paredes celulares. Esta quebra pode ser feita na biomassa seca ou mida. Nomaterial seco os compostos qumicos apresentam alta eficincia na extrao, devido maiorpermeabilidade e menor diluio. Entretanto, a secagem da biomassa algal altamenteenergtica e tem se mostrado invivel. Outra limitao dos mtodos qumicos quando hbaixa concentrao celular. Alm do mais, os compostos qumicos podem alterar os cidosgraxos.

4.4.3 Outros mtodosO leo pode ser extrado por um choque osmtico ou por enzimas. No choque

osmtico as clulas so rompidas por meio de uma diferena de presso dentro da clulaem relao ao meio externo. Esse induo de diferena de presso feita por meio de

4.5. Produo de biodiesel 37

uma alta concentrao de sais no meio de cultura. Outro mtodo promissor o uso deenzimas para quebrar as paredes celulares, em especial as neutrases, pectinases e celulases.Apresentam alta eficincia e no alteram a composio dos cidos graxos. Entretanto noso baratas. Um promissor mtodo a ser melhor avaliado a recente ideia de extrair oleo diretamente das clulas vivas, conhecido como ordenha (em ingls: milking). Nesteprocesso, um solvente orgnico introduzido no meio de cultura para extrair os lipdiosdas clulas. Naturalmente, o solvente orgnico no pode ser txico para as clulas vivas.

4.4.4 Limitaes e desafios da extrao de leoOs maiores desafios nesta fase de extrao de leo so:

Paredes celulares rgidas;

Pouca poder de ataque das substncias qumicas na biomassa mida;

Baixa eficincia de extrao;

Alto custo na secagem;

Alto consumo de compostos qumicos;

Reaes das substncias qumicas com os cidos graxos;

Dependncia das propriedades fsicas das clulas;

Separao dos lipdios e do meio de cultura.

4.5 Produo de biodieselO biodiesel formado a partir da reao de transesterificao de cido graxos

presentes em leos vegetais e gorduras animais. Essas fontes de matria prima so formadasmajoritariamente de triacilgliceris (90 a 98%) com pequenas partes em mono e diglicerdeos,cidos graxos livres, fosfolipdios, caroteno, compostos sulfricos e traos de gua. Atransesterificao composta de mltiplas reaes de decomposio dos triacilgliceris emesteres (o biodiesel) e glicerol (subproduto) por meio de um catalisador, em geral um cidoou uma base (comumente o NaOH ou KOH). A reao global mostrada na Figura 11em que R1, R2 e R3 so cadeias longas de hidrocarbonos, conhecidos como cidos graxos(MATA; MARTINS; CAETANO, 2010, p. 225-226).

38 Captulo 4. Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgas

Figura 11 Reao completa de transesterificao de triacigliceris.

39

5 Aspectos econmicos e ticos

O caminho para viabilizar economicamente a produo de biocombustveis demicroalgas passa pela reduo de custo em todos os componentes do processo tais comoterra (rodovias, terraplanagem, etc), sistemas de produo (construes, silos, foto-biorreatores ou tanques, inoculao, controle da temperatura, bombeamento, aerao,incorporao de nutrientes), sistemas de colheita (centrfugas, filtros, secadores, etc.),processamento (homogenizao, extrao, unidades de purificao) e despesas opera-cionais (administrao, eletricidade, manuteno, transporte, impostos). Redues depreo em cada uma dessas partes do processo diminuem o preo final do produto, segundoOncel (2013, p. 259).

O desafio do biocombustvel de microalga competir com combustveis de culturasagrcolas e com combustveis fsseis. Para que o leo de microalgas possa substituir o leocru de petrleo, Chisti (2007, p. 301) relaciona o custo do leo de microalga ($ por litro)com o preo do leo cru de petrleo ($ por barril):

Cleo de alga = 6, 9 103Cpetrleo

Assim, para o preo do barril de petrleo em US$ 60, o leo de microalga para serequivalente deve custar US$ 0,41 por litro, considerando que o leo microalgal tem 80% docontedo energtico do petrleo. O citado autor estima que o preo de leo de microalgaem US$ 2,80 por litro, considerando um teor de 50% de lipdios na biomassa. O preo doleo de palma US$ 0,52 por litro, o mais barato dos leos vegetais comercializado. Assim,observa-se que o leo de microalga deve reduzir cerca de US$ 2,30 por litro no seu preopara ser ao menos competitivo com culturas oleaginosas. Claro que, conforme o preo dopetrleo aumentar, torna mais competitiva as fontes alternativas.

Apesar do custo ainda no competitivo, existem investimento na rea. A Marinhados Estados Unidos contratou a produo de 80.000 litros de diesel de alga que foi entregueem 2010 pela empresa milionria Solazyme, que j tem outro contrato para entregar550.000 litros. Outra empresa, a Sapphire, incrementou seus campos de produo em 100acres em 2013, totalizando 300 acres com estimativa de uma produo de 1 milho debarris de leo cru de microalgas. Alm desses casos, a Exxon tem um negcio de US$ 600milhes com a Synthetic Genomics para produzir combustveis de algas para motores combusto (ONCEL, 2013, p. 259).

Sob um vis tico, as microalgas apresentam uma srie de vantagens. Primeiramente,no competem com terras arveis e gua potvel, importante para culturas alimentcias. ecologicamente menos impactante, sendo que reduz a emisso lquida de gases do efeito

40 Captulo 5. Aspectos econmicos e ticos

estufa. Alm do mais pode-se aproveita a infra-estrutura das refinarias de combustveisatuais, sua rede de distribuio e princpios de negcio. Entretanto, existem alguns aspectosque devem ser ponderados: as culturas de microalgas podem trazer impactos aos habitanteslocais, existe um risco alto de impacto ecolgico se espcies no locais ou geneticamentemodificadas forem utilizadas. Alm do mais, deve-se fugir do crculo vicioso de se utilizarfertilizantes a base de petrleo que apenas propaga a dependncia deste recurso norenovvel. Por fim, para se prevenir a monopolizao e incentivar um comrcio justo aspesquisas devem ser direcionadas ao interesse pblico e respeitando os direitos humanos edo ecossistema (ONCEL, 2013, p. 259-261).

41

6 Consideraes Finais

As microalgas como fonte de biocombustveis, em especial o biodiesel, recebemuma ampla ateno. De fato, h um grande potencial, mas ainda existem barreirastcnicas que limitam a produo em larga escala, aumentando o custo e no tornandoeconomicamente vivel a produo. Aprimoramentos devem ser feitos em todas as etapasdo processo produtivo para ultrapassar tais barreiras. Na etapa de seleo de espcies sernecessrio selecionar variedades robustas que possam crescer no ambiente local e buscaraumentar a produtividade de biomassa, possivelmente com a ajuda de engenharia gentica.Quanto ao cultivo, manipulaes nas condies de nutrientes e luz podem trazer ganhosde produtividade. A utilizao de dejetos como meios de cultura pode diminuir o custototal. A colheita ainda uma etapa a ser dominada, j que os mtodos atuais so caros oucausam contaminao da biomassa. Ateno deve ser dada aos mtodos de autofloculaoe biofloculao. A extrao de leo outro gargalo na cadeia produtiva. O aproveitamentointegral da biomassa (leo, protenas, carboidratos, pigmentos, vitaminas, etc.) em umcontexto de biorrefinaria tambm deve ser encorajado, pois incentivam o uso de toda agama de potencialidades das microalgas para os setores de biocombustveis, farmacutica,alimentao, fertilizantes entre outras. Diante dessa importncia das microalgas que foiembasado o plano de pesquisa para a dissertao de mestrado, cujo resumo apresentadoem anexo.

Finalmente, as microalgas h bilhes de anos transformaram uma atmosfera sufo-cante de gs carbnico em uma vastido de oxignio por meio da fotossntese, permitindo aexploso de vida animal do perodo Cambriano. Elas podero novamente ser protagonistana histria da Terra, impedindo que a atmosfera volte a ser um meio hostil para os seresvivos que elas mesmas deram condies de existir.

Referncias

CHEN, C.-Y. et al. Cultivation, photobioreactor design and harvesting of microalgae forbiodiesel production: A critical review. Bioresource Technology, v. 102, p. 7181, 2011.

CHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, Oxford, v. 25, p. 294306,2007.

HEREDIA-ARROYO, T. et al. Biodiesel production from microalgae: Co-location withsugar mills. Biomass and Bioenergy, v. 35, p. 22452253, 2011.

LOHREY, C.; KOCHERGIN, V. Biodiesel production from microalgae: Co-location withsugar mills. Bioresource Technology, v. 108, p. 7682, 2012.

MATA, T. M.; MARTINS, A. A.; CAETANO, N. S. Microalgae for biodiesel productionand other applications: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Golden,v. 14, n. 1, p. 217232, 2010.

ONCEL, S. S. Microalgae for a macroenergy world. Renewable and Sustainable EnergyReviews, Golden, v. 26, p. 241264, 2013.

POSTEN, C. Design principles of photo-bioreactors for cultivation of microalga.Engineering in Life Sciences, v. 9, n. 3, p. 165177, 2009.

RASHID, N. et al. Current status, issues and developments in microalgae derived biodieselproduction. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Golden, v. 40, p. 760778, 2014.

RODOLFI, L. et al. Microalgae for oil: strain selection, induction of lipid synthesis andoutdoor mass cultivation in a low-cost photobioreactor. Biotechnology and Bioengineering,Hoboken, v. 102, n. 1, p. 100112, 2009.

WIJFFELS, R. H.; BARBOSA, M. J. An outlook on microalgal biofuels. Science, v. 329,p. 796799, 2010.

Anexos

ANEXO A Resumo do projeto de pesquisa

A.1 Introduo

Como demonstrado, para tornar economicamente vivel a produo de biocombus-tveis de microalgas so necessrios avanos no processo inteiro de produo. As principaisetapas da cadeia produtiva de biodiesel de microalgas so: isolamento da espcie, cultivo,colheita e extrao do leo. O custo dos biocombustveis de microalgas depende princi-palmente do cultivo (a etapa mais importante da cadeia). No cultivo, o carbono o maisimportante nutriente a ser suprido, secundariamente, o nitrognio e o fsforo (RASHID etal., 2014).

Os nutrientes necessrios como nitrognio e fsforo esto se tornando escassos. Autilizao de rejeitos e co-produtos de processos tais como gases de exausto, vinhaa,glicerol entre outros podem reduzir o custo de produo por meio do fornecimento de nutri-entes a um custo reduzido. Alm do mais, esse aproveitamento dos resduos importanteno papel de mitigao ambiental (ONCEL, 2013).

Nesse contexto, uma tendncia atual estudar a associao do cultivo de microalgascom usinas de bioetanol para usar o CO2 como matria-prima para o cultivo (ONCEL,2013). Lohrey e Kochergin (2012) mostraram em simulao de uma usina de acarcombinada com a produo de biodiesel de microalga, considerando o estado-da-arte atual, energeticamente vivel. O processo considerado produz 50% a mais de energia de sadado que consumida no processo industrial. Utilizando o gs carbnico rejeitado de umausina de capacidade de 10.000 toneladas por dia, uma fazenda de algas de 530 hectarespode produzir 5,8 milhes de litros de biodiesel por ano e reduzir as emisses de CO2 em15%.

Alm do CO2, outros subprodutos da indstria canavieira apresentam potencialpara aproveitamento no cultivo de microalgas. o caso da vinhaa, resduo final dafabricao do lcool, gerada em grande quantidade (cerca de 13 litros para cada litro delcool produzido), rica em matria orgnica e nutrientes.

Assim, atrativa a ideia de avaliar a produtividade de lipdios para biodiesel demicroalgas cultivadas em fotobiorreator utilizando como fontes de nutrientes o CO2 e avinhaa originada do processo produtivo sucroalcooleiro.

A.2. Materiais e mtodos 45

A.2 Materiais e mtodos

A.2.1 Variedade de MicroalgaSer utilizado microalga do gnero Chlorella, pois apresentam um bom potencial

para produo de biodiesel, sendo que a espcie Chlorella protothecoides desenvolve umanotvel produtividade lipdica de 1,2 g/L.dia (MATA; MARTINS; CAETANO, 2010).Alm do mais, esse gnero tem capacidade mixotrfica de obter vantagem de ambos osrecursos orgnicos (nutrientes orgnicos) e inorgnicos (gs carbnico e luz) para obter omxima produtividade de biomassa, o que importante no caso de efluentes trbidos, talcomo a vinhaa, que no permitem que a luz penetre com eficincia no meio de cultura(HEREDIA-ARROYO et al., 2011).

A.2.2 CultivoO fotobiorreator ser construdo segundo os princpios de projeto descritos no

trabalho de Posten (2009, p. 170). O meio de cultivo ser a vinhaa em diversas diluiesassociado com diferentes fluxos de CO2 e um meio sinttico para servir como referncia.

A.2.3 Mtodos Analticos e EstatsticosA recuperao ser feita por meio da floculao. A biomassa ser filtrada e seca

em estufa. Ser feita a determinao de lipdios totais por litro de meio de cultivo (mg/l).Os dados sero comparados pelo Mtodo de Tukey ao nvel de confiana de 95% uma vezque uma probabilidade menor que 0,05 considerada estatisticamente significante.

A.3 Resultados EsperadosObter lipdios para produo de biodiesel utilizando fontes alternativas de nutrientes

para cultivo de microalgas, contribuindo para a reduo do custo global da cadeia produtivade biodiesel de microalgas, aliando gerao de energia e tratamento de dejetos.

A.4 Etapas CumpridasA Etapa 1 do projeto de pesquisa j foi concluda e abrange o estudos dirigido e

o levantamento bibliogrfico. A Etapa 2 de definio do fotobiorreator e microalga a serutilizada est concluda. A Etapa 3, que consiste na construo do fotobiorreator, estsendo finalizada.

O projeto de fotobiorreator escolhido foi o de forma de coluna bombeado porsistema air-lift. Segundo Posten (2009, p. 170), esse um dos projetos mais utilizados,

46 ANEXO A. Resumo do projeto de pesquisa

especialmente em cultivos de grande escala em laboratrios. Uma limitao deste modelo que no centro da coluna surge uma regio escura. No modelo Instituto de Pesquisas emBioenergia da Unesp (IPBEN), cmpus de Ilha Solteira, esta limitao sanada por meiode uma lmpada tubular LED no sentido axial da coluna (Figura 12). Assim, a regio docentro, que seria a mais escura, recebe iluminao diretamente da lmpada Este arranjopermite uma taxa de aerao tpica de 0,25 v/v/min, sendo que estudos mostram quepode ser atingida uma produo de biomassa por rea de 38 g/m2.dia (POSTEN, 2009,p. 170). Esto sendo construdos quatro fotobiorreatores.

Figura 12 Fotobiorreator de coluna em desenvolvimento pelo IPBEN - Ilha Solteira.Altura de 50 cm e dimetro externo de 18 cm, iluminado por lmpada LEDtubular branca de 10 W (foto do prprio autor).

Folha de rostoDedicatriaAgradecimentosEpgrafeResumoLista de ilustraesLista de tabelasSumrioIntroduoDefinio e caractersticas das microalgasBiocombustveis de microalgasBiodiesel e Diesel VerdeBio-hidrognioBioetanolBiometano

Processo produtivo de biodiesel a partir de microalgasIsolamento e seleoCultivoSistemas de CultivoTanquesFotobiorreatores

Limitaes e desafios na seleo de espcies e cultivo

ColheitaCentrifugaoFiltraoFlotaoFloculaoUltrassomLimitaes e desafios na colheita

Extrao do leoMecnicoQumicoOutros mtodosLimitaes e desafios da extrao de leo

Produo de biodiesel

Aspectos econmicos e ticosConsideraes FinaisRefernciasAnexosResumo do projeto de pesquisaIntroduoMateriais e mtodosVariedade de MicroalgaCultivoMtodos Analticos e Estatsticos

Resultados EsperadosEtapas Cumpridas