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Décio Luiz Gazzoni

Os desafios do biodiesel de algas


Décio Luiz Gazzoni - 06 fev 2012 - 15:39 - Última atualização em: 29 nov -1 - 20:53

A garantia de oferta de matéria prima de alta qualidade, barata e abundante, é um dos desafios que necessitam ser superados para capturar as oportunidades de crescimento do mercado de biodiesel, no médio prazo. Por esta razão, a cadeia de biodiesel permanentemente discute as alternativas de novas matérias primas, que permitam superar, com vantagens, a dependência que hoje possui em relação à soja e ao sebo bovino, no Brasil; à soja nos EUA; e à canola na Europa.

Sempre que esta discussão se apresenta, as microalgas são consideradas como uma das mais promissoras matérias-primas para produção de biocombustíveis, particularmente de biodiesel, pelo seu grande potencial de produzir matéria graxa em alta quantidade, em pequenas áreas. Além do mais, as microalgas não necessitam de solo fértil, ao contrário podem utilizar terras marginais ou semiáridas, desde que se disponha de uma fonte de água (subterrânea, por exemplo), que esteja próxima. A Figura 1 mostra um projeto conceitual, utilizando uma área de deserto, imprópria para a agricultura, para instalação de uma fazenda de microalgas.

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Figura 1. Projeto conceitual de uma fazenda de microalgas para produção de biodiesel.

A produtividade destes microorganismos fotossintéticos para converter dióxido de carbono em lipídios – matéria prima do biodiesel - excede em muito o de oleaginosas agrícolas, sem competir por terra arável. Em cálculos teóricos, as projeções indicam a possibilidade de substituir milhares de hectares de soja por um único hectare de microalgas, com a mesma produção de óleo anual.

Com base neste potencial e nesta perspectiva, diversos programas de pesquisa estão em andamento, em diferentes países, com objetivos similares. Busca-se identificar as espécies mais produtivas e de mais fácil cultivo; desenvolver a tecnologia de produção para larga escala; e identificar e desenvolver um processo eficiente e barato para colheita e extração óleo das microalgas, e efetuar o aproveitamento integral da biomassa das algas. O horizonte de tempo para que se possa pensar em produção efetiva, de larga escala (da ordem de bilhões de litros) de biodiesel de microalgas é estimada em, no mínimo, 10 anos, sendo impulsionada por ferramentas modernas de biotecnologia, em especial biologia sintética e nanotecnologia.

Antecedentes
Usar algas para produzir biocombustíveis é uma ideia que antecede o primeiro choque do petróleo, pois em 1960 o assunto já era abordado no artigo Biological transformation of solar energy (Oswald & Golueke, 1960). Porém, é na década de 1970, sob o efeito dos impactos dos dois choques de petróleo, que a busca por fontes alternativas de combustíveis líquidos deu impulso à pesquisa na área, e quando surgem os primeiros esforços concentrados para produção de microalgas com finalidades energéticas.

Um marco deste período é o trabalho desenvolvido no National Renewable Energy Laboratory (NREL), vinculado ao Departamento de Energia dos EUA, localizado em Boulder, Colorado. O foco principal do programa, conhecido como Aquatic Species Program (ASP), foi a produção de biodiesel a partir de alto teor de lipídios das algas cultivadas em lagoas, utilizando como insumo o CO2 proveniente de termoelétricas a carvão. Posteriormente, na década de 1990, o governo japonês investiu em um grande projeto de pesquisa intitulado "Biological CO2 Fixation and Utilization".

Com a bonança dos preços de petróleo, que se mantiveram em patamares baixos ao longo da década de 1990, ambos os programas foram descontinuados. Entretanto, estes programas permitiram identificar espécies e selecionar cepas de microalgas altamente promissoras para a produção de lipídios. A produção em sistemas abertos (lagoas), e o desenvolvimento de conceitos que possibilitaram a construção dos protótipos de fotobioreatores usando fibras ópticas foram, igualmente, tecnologias desenvolvidas por estes programas.

O revival do interesse em microalgas data do início do presente século, motivado pela escalada abrupta dos preços do petróleo (e de outras fontes fósseis de energia), aliada ao crescente interesse em energia renovável. Como o consumo mundial de energia é da ordem de bilhões de toneladas equivalentes de petróleo, qualquer alternativa para ser viável necessita combinar abundância, com baixo custo e sustentabilidade que, em teoria, são características potenciais do cultivo de microalgas.

O potencial das microalgas
Em condições normais, as microalgas são produtoras razoáveis de lipídios. Entretanto, quando submetidas a fortes estresses, como a privação nutricional, as algas formam reservas, estocando grandes quantidades de energia química na forma de óleos. Uma vez extraído, o óleo pode ser transformado em biodiesel utilizando os mesmos processos aplicados a outras matérias primas, como óleos vegetais ou gorduras animais.

Convém salientar que existem algas especializadas, que também podem sintetizar outros produtos com potencial energético ou para outros usos. Benemann (2000) relata a produção de hidrogênio por microalgas; Colemann (1999) refere a produção de etanol por cianobactérias; hidrocarbonetos de cadeia longa, que se assemelham petróleo bruto também podem ser obtidos de algas (Banerjee et al., 2002); e a biomassa restante, ou mesmo de produção dedicada de algas, pode ser convertida em biogás por fermentação anaeróbica, como preconizada há muito tempo por Oswald & Golueke (1960), ou, em último caso, a biomassa residual pode ser utilizada em termoelétricas.

Apesar desse potencial, a efetiva capacidade de produção de microalgas está, atualmente, limitada, quando comparada com outras culturas que produzem matéria prima para a agroenergia. A capacidade instalada para produção de algas no mundo é estimada em 5.000 toneladas de algas secas e biomassa residual. Porém as plantas industriais atualmente existentes são quase exclusivamente dedicadas à obtenção de bioprodutos como ácidos graxos w-3 (ômega-3).

O valor de mercado desta produção gira em torno de €1,25 bilhão (Wijffels & Barbosa, 2010), implicando em um custo médio de €250/kg, o que é um valor impraticável para o mercado energético. Na Figura 2 é possível visualizar a variação do preço de óleos vegetais, cotados no mercado internacional. Em dezembro de 2011, o óleo de soja estava cotado a US$1.100/t, o equivalente, ao câmbio de janeiro de 2012, a €0,85/kg, o que representa uma diferença abissal em relação aos derivados de microalgas.

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Figura 2. Cotação dos principais óleos vegetais no mercado internacional.

Rentabilidade
Torna-se evidente que a produção de microalgas para biocombustíveis necessita de uma escala muito maior, e com custos muito mais baixos, pois o mercado de energia demanda volumes gigantescos e não comporta pagar mais que uma fração do que a sociedade se dispõe a desembolsar por especiarias químicas. Para que este fato possa constituir-se em realidade, portentosos investimentos necessitam ser efetuados para o desenvolvimento de sistemas de produção e de aproveitamento da biomassa produzida. Porém, entende-se que, paralelamente, será necessário dispor de planos de negócios que sejam mais amplos que simplesmente a produção de biodiesel, para conferir sustentabilidade econômica ao empreendimento.

Isto significa que a sustentabilidade do processo deverá passar pelo aproveitamento integral de todos os componentes da biomassa (proteínas, lipídios, carboidratos), no bojo do conceito moderno de biorefinaria. Por exemplo, na fração lipídica da biomassa de algas, seriam separados a parcela destinada à biodiesel daquela composta por ácidos graxos de alto valor de mercado, como os w-3 (ômega-3), que seguiriam outra rota de processamento e comercialização. Da mesma forma, a fração carboidrato poderia destinar a parcela nobre ao mercado nutricional, enquanto a parte fibrosa (carboidratos complexos, de alto peso molecular) seriam destinados à produção de energia. Para reduzir o custo de produção, uma indústria de bioalgas poderia estar associada com outra que fornecesse CO2 residual, por exemplo, uma usina de etanol, uma termoelétrica ou outro empreendimento que utilizasse processos de fermentação ou combustão.

Inovações tecnológicas
Do ponto de vista tecnológico, é importante o investimento em sistemas de produção inovativos, pois a História mostra que o acoplamento entre escala e inovações é responsável pela redução do custo de produção (curvas de aprendizado). Um exemplo clássico é o que ocorreu na indústria farmacêutica, em que a produtividade na produção de antibióticos como a penicilina aumentou 500.000% em 50 anos, contados a partir do primeiro empreendimento comercial, no final da década de 1930. Foi este fato que permitiu a universalização do uso de antibióticos, com aumento da expectativa e melhoria da qualidade de vida. Esta evolução ocorreu principalmente entre 1940 e 1990, período em que a biotecnologia não existia ou era muito incipiente. Com as novas ferramentas científicas e tecnológicas atualmente disponíveis, estes avanços serão ainda mais dramáticos, em períodos de tempo mais curtos.

Atualmente, a produção comercial de microalgas é baseada em tecnologias tradicionais, e com pequena diversidade de raças. Por um lado, ainda há muitas espécies desconhecidas para explorar; por outro, a engenharia genética oferece a possibilidade de melhoramento em prazos curtos, especialmente quanto ao teor de lipídios e à sua produtividade por unidade de tempo e de área.

Algumas microalgas, quando expostas condições de estresse (por exemplo, a privação de nutrientes ou alta intensidade de luz), acumulam lipídios na forma de triacilgliceróis nos chamados corpos de óleo (oil bodies), conforme mostrado na Figura 3. Este acúmulo ocorre em à custa de energia utilizada para o crescimento, levando a uma diminuição na taxa de crescimento e conseqüente redução da produtividade. De outra parte, no cultivo de algas sem aplicação de estresses, os lipídios se encontram na forma de fosfolipídios nas membranas celulares, o que facilita enormemente o processo de extração do óleo.
 
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Figura 3. Corpos de óleo de Calypogeia peruviana

O conhecimento do mecanismo de biossíntese de triacilgliceróis e sua acumulação em corpos de óleo é limitado e muitas vezes deriva de analogias com plantas superiores. Se o mecanismo fosse conhecido, poderia descortinar a possibilidade de promover a acumulação de lipídios sem a necessidade de estressar a colônia de microalgas. Tecnologias mais avançadas poderiam ser desenvolvidas, associando a acumulação de lipídios a técnicas de engenharia metabólica ou variação do regime nutricional.

Até o presente momento, são raras as espécies de microalgas com sequenciamento completo de seu genoma. Entre elas podem ser citadas Chlamydomonas spp., Thalassiosira pseudonana, e Phaeodactylum tricornutum. Da mesma forma, pouco se domina da metodologia de transformção de algas, sendo que Walker et al (2005) referem 10 diferentes espécies de algas que já foram transformadas. Apenas em C. reinhardtii foram aplicadas técnicas de engenharia metabólica, em que vários genes foram superexpressados, silenciados ou tiveram reduzida a expressão da característica comandada pelo gene. O uso mais extensivo destas técnicas laboratoriais permitirá desenvolver e aprimorar processos de produção em massa de microalgas, com espécies melhoradas e de mais alta produtividade.

Processos produtivos
Em teoria, microalgas seriam de produção (cultivo) muito mais fácil e barato que oleaginosas ou outra fonte de biomassa. Os insumos necessários são a luz solar, CO2 e água em larga escala, e nitrogênio e fósforo, em pequena escala. Embora o cultivo de algas possa ocorrer em luz artificial, por razões de sustentabilidade e balanço de energia, o cultivo em larga escala de microalgas para a produção de biocombustíveis deve ter na luz solar sua única fonte de energia luminosa.

Entretanto, na prática, o cultivo de microalgas é muito mais complicado e passa por detalhes ainda não completamente esclarecidos ou devidamente desenvolvidos. Uma descoberta importante foi a elucidação da saturação do processo de fotossíntese, que ocorre em baixas latitudes, em que, a intensidade da luz solar é elevada, limitando o crescimento e ocasionando queda na produtividade. A descoberta obrigou a um esforço de pesquisa aplicada, com o objetivo de aumentar a eficiência das microalgas sob alta saturação de luz (a condição normal em um dia ensolarado).

Um resultado destas pesquisas foi o desenvolvimento de novas raças com antenas menores, como relata Mellis (2009). Outro resultado foi a mudança do ângulo de ataque dos fotobioreatores em relação aos raios solares, e o aumento da agitação em culturas de células de alta densidade (Tredici, 2010). Entretanto, a agitação do meio exige grande consumo de energia e, portanto, não é adequado para produção em larga escala, razão pela qual a estratégia que vem recebendo mais atenção é a redução da intensidade da luz que incide na superfície do reator. Isto pode ser feito pelo empilhamento dos reactores verticalmente, com espaçamento estreito entre as estantes perda minimiza de luz para a superfície do solo (Figuras 4 e 5).

Ainda assim cuidados são necessários para evitar que o desenho do fotobioreator redunde em uma menor produtividade volumétrica e baixa concentração de biomassa. Wijffels & Barbosa (2010) sugerem o uso de polietileno nos fotobioreatores, para reduzir o custo dos painéis verticais, citando exemplos de sistemas de película fina submersos em grande volume de água, que auxilia na regulação térmica, consequentemente com menor consumo de energia para refrigeração. O polietileno atualmente disponível tem vida útil de aproximadamente um ano, o que eleva o custo de produção de microalgas, pela necessidade de sua substituição frequente. Como tal, há necessidade de investir em novos materiais, com as mesmas propriedades, porém de maior durabilidade, preferencialmente obtido de produtos renováveis – por que não de microalgas?

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Figura 4. Empilhamento vertical de fotobioreatores++

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Figura 5. Aproveitamento integral da luz

Os fotobioreatores necessitam de limpeza frequente, e o método de limpeza necessita ser aprimorado, com redução de tempo e de custo. A necessidade de resfriamento dos fotobioreatores pode ser diminuída se o infravermelho próximo do espectro de luz solar for refletido, reduzindo o aquecimento do sistema.

Demanda nutricional
A água é sempre um parâmetro importante para a produção de biomassa. Como regra geral, DeFraiture el al. (2008) afirmam que, para a produção de um litro de biocombustível de culturas oleaginosas, ocorre uma evapotranspiração de 2.500 litros de água. No caso de microalgas, Kliphuis et al. (2010) referem a necessidade de, aproximadamente, 750 ml de água para produzir um quilo de biomassa. Assumindo um teor de óleo de 50%, são necessários 1,5 litros de água para produzir matéria prima para elaborar um litro de biodiesel.

Entretanto, na prática, o uso da água em sistemas de produção é muito maior do que o cálculo teórico, porque a água também é utilizada para sistemas de refrigeração nos circuitos fechados (fotobioreatores), e água fresca necessita ser adicionada continuamente às lagoas abertas, para compensar a evaporação. Se os sistemas fechados são usados e resfriados com água salgada através de trocadores de calor, o uso de água doce pode ser reduzido consideravelmente. Microalgas também podem ser cultivadas em água do mar, e até mesmo desertos seriam locais adequados para o seu cultivo, se houver acesso à água salgada para poupar água doce.

A produção de biomassa em larga escala requer uma grande quantidade de CO2. Um total de 1,8 toneladas de CO2 é necessário para produzir 1 tonelada de biomassa de algas, de acordo com Kliphuis et al. (2010). A produção de algas poderia constituir um processo altamente sinérgico com outros empreendimentos que gerem grande quantidade de gás carbônico, como instalações de fermentação ou termoelétricas. No entanto, a distância entre os empreendimentos deve ser mínima, idealmente ambos deveriam estar no mesmo local físico, para evitar custos de transporte.

Os principais nutrientes para a produção de microalgas são o nitrogênio e o fósforo. A biomassa das algas (em base seca) é composta por 7% de nitrogênio e 1% de fósforo. Como ambos são fertilizantes usados na agricultura, e para reduzir o custo e o consumo de energia no ciclo de vida do biodiesel de alga, será importante fazer uso de fontes de nutrientes residuais e reciclagem de nutrientes, tanto quanto possível.

Extração do óleo
Ao final do ciclo de cultivo, a biomassa deve ser colhida, os lipídios extraídos, e os demais componentes celulares recuperados. Atualmente, a colheita de microalgas se constitui em um processo muito caro, devido à alta demanda de energia e os custos com equipamentos que são necessários para o processo.

Em geral as microalgas são compostas de pequenas células individuais, razão pela qual a centrifugação é o método de colheita mais usado. No entanto, como o concentração de biomassa é baixa (<3 g/L), a centrifugação de uma mistura com este grau de diluição requer um grande capacidade da centrífuga, o que torna o processo caro, demorado e com alta demanda de energia. A floculação, seguida de sedimentação e flotação, antes da centrifugação ou filtração reduzem substancialmente os custos de colheita e as exigências de energia. Idealmente, as algas deveriam flocular espontaneamente em um determinado estágio do processo produtivo, auxiliando na redução de custos.

Após a colheita, as células precisam ser rompidas para que o óleo possa ser extraído com solventes orgânicos. O processo pode usar metodologia mais branda, porém mais cara, como é o caso do CO2 supercrítico. A maioria das cepas de microalgas apresenta tamanho relativamente pequeno e tem uma parede celular relativamente espessa. Por esta razão, há necessidade de processos vigorosos para romper as células e permitir a extração dos produtos, o que pode afetar a funcionalidade de outros compostos celulares, como proteínas, e prejudicar o aproveitamento integral da biomassa com alto valor de mercado.

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Figura 6. Recuperação da biomassa de algas, após sua separação por filtração.

A simples excreção dos óleos para o ambiente de cultivo, como ocorre naturalmente na espécie Botryococcus braunii, representa uma inovação que simplificará o processo industrial e reduzirá fortemente os custos. No entanto, esta ainda é uma solução parcial, porque os demais componentes celulares ainda precisam ser recuperados (proteínas ou carboidratos). Assim, seriam ideais cepas de microalgas com membranas celulares mais finas, porém suficientemente fortes para evitar danos durante a produção, mas que pudessem ser facilmente rompidas na colheita. Por exemplo, uma enzima que rompesse ou fragilizasse a parede celular logo após a colheita, melhoraria o processo industrial e reduziria tremendamente os custos de extração do óleo

Existe variabilidade genética para algumas destas características (excreção, paredes finas), porém elas não são encontradas em uma mesma raça, a qual também deveria possuir outras características desejáveis, em especial alto teor de óleo e alta produtividade. Reunir todas as características em uma ou mais raças, deve ser uma linha prioritária de pesquisa para o curto prazo.

Outras características de microalgas precisam ser identificadas e incorporadas em cepas com finalidade industrial. Por exemplo, se determinada cepa apresentar a capacidade de converter eficientemente a luz solar de alta intensidade em biomassa, sem a saturação do processo fotossintético, a diluição de luz não vai mais ser necessária e os reatores podem ser simplificados. Igualmente, cepas que tolerem alta concentração de oxigênio, tornam, teoricamente, o comprimento de tubos em fotobiorreatores ilimitado e a desgaseificação poderia ser dispensada.

Em conclusão, existe uma possibilidade animadora de que, no período médio de 10 anos, possam existir empreendimentos industriais de grande porte, produzindo biodiesel a custos competitivos, a partir de microalgas. Para tanto é necessário um grande esforço de pesquisa no sentido de identificar novas raças de alta produtividade, com boas características industriais; o custo de produção necessita ser reduzido; novos processos de colheita e extração de óleo necessitam ser desenvolvidos; e o enfoque necessita ter uma abordagem que permita o aproveitamento integral da biomassa.

Décio Luiz Gazzoni é Engenheiro Agrônomo, pesquisador da Embrapa Soja

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