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Cluster do Conhecimento
Energias Renováveis
Utilização de algas para a
produção de biocombustíveis
Dezembro 2010
Raquel Antunes
Inês Cristóvão Silva
Examinadoras de patentes
Índice
1. Introdução……………………………………………………………………………3
2. Biocombustíveis – Enquadramento legal………………………………………...5
3. Utilização de algas para a produção de biocombustíveis……………………...7
3.1 Potencial das algas para a produção de energia………………………7
3.1.1 Bioetanol………………………………………………………….8
3.1.2 Hidrogénio………………………………………………………..9
3.1.3 Metano…………………………………………………………..11
3.1.4 Biodiesel………………………………………………………...12
3.2 Cultura de microalgas……………………………………………….…..15
3.3 Extracção e processamento dos óleos………………………………..20
3.4 Engenharia genética…………………………………………………….23
3.4.1 Engenharia genética de microalgas………………………....24
3.4.2 Engenharia genética do metabolismo lipídico………………26
4. A inovação na área dos biocombustíveis: tendências de patenteamento….30
5. Considerações Finais……………………………………………………………..34
6. Referências………………………………………………………………………...35
2
1. Introdução
A procura de recursos limpos que permitam assegurar as necessidades
energéticas futuras constitui um dos maiores desafios da actualidade. O
crescente preço dos combustíveis e o foco internacional sobre o impacto
ambiental das emissões gasosas têm vindo a conduzir à procura de recursos
renováveis e ao desenvolvimento de tecnologias verdes que suportem a
indústria e as necessidades do mercado mundial.
Na União Europeia, o sector dos transportes é responsável por cerca de
um quarto das emissões de gases com efeito de estufa1, pelo que é de
importância primordial procurar formas de reduzir as emissões poluentes deste
sector, quer através de veículos mais limpos e eficientes, quer através da
utilização de biocombustíveis que permitam reduzir a dependência energética
dos combustíveis fósseis. Os biocombustíveis constituem recursos não-tóxicos,
biodegradáveis e renováveis, e estão associados a vantagens ambientais uma
vez que permitem a redução das emissões poluentes, nomeadamente de
gases com efeito de estufa, pelo que, no panorama actual, representam uma
alternativa energética cada vez mais explorada. Contudo, a actual geração de
biocombustíveis com recurso a culturas alimentares, como canola, milho, soja,
açúcar e colza têm conduzido a um aumento do preço dos alimentos e à
desflorestação agravada, além de produzirem elevadas emissões de gases
com efeito estufa.
Na busca de alternativas para fornecer energia mais verde, forte
entusiasmo tem vindo a ser gerado em torno do grande potencial oferecido
pelas algas como fonte energética. Neste domínio, as microalgas afiguram-se
como uma alternativa auspiciosa para a próxima geração de biocombustíveis,
apresentando um potencial considerável para a produção de biocombustíveis
e, em particular, de biodiesel2, uma vez que têm a capacidade de duplicar sua
biomassa várias vezes por dia e produzir pelo menos 15 vezes mais óleo por
hectare do que as culturas alimentares concorrentes.
A maior parte do petróleo no mundo de hoje foi formada pela
decomposição de algas que datam de há milhões de anos atrás. Este processo
pode ser replicado para nos proporcionar uma energia mais limpa, tendo
unicamente como input a luz solar, a água e dióxido de carbono, durante o
3
processo de fotossíntese. O grande desafio actual consiste na optimização dos
processos de produção e extracção dos óleos, e na identificação e
manipulação dos recursos biológicos com maior potencial de exploração com
vista à valorização desta fonte energética no futuro.
4
2. Biocombustíveis – Enquadramento legal
Em Portugal, no âmbito do Decreto-Lei nº 62/2006 (que transpõe a Directiva
nº 2003/30/CE de 8 de Maio), são considerados biocombustíveis os seguintes
produtos:
1. Bioetanol: etanol produzido a partir de biomassa e/ou da fracção
biodegradável de resíduos para utilização como biocombustível;
2. Biodiesel: éster metílico e/ou etílico, produzido a partir de óleos vegetais
ou animais, com qualidade de combustível para motores diesel, para
utilização como biocombustível;
3. Biogás: gás combustível produzido a partir de biomassa e/ou da fração
biodegradável de resíduos, que pode ser purificado até à qualidade do
gás natural, para utilização como biocombustível ou gás de madeira;
4. Biometanol: metanol produzido a partir de biomassa para utilização
como biocombustível;
5. Bioéter dimetílico: éter dimetílico produzido a partir de biomassa para
utilização como biocombustível;
6. Bio-ETBE (bioeteretil-terc-butílico): ETBE produzido a partir do bioetanol,
sendo a percentagem em volume de bio-ETBE considerada como
biocombustível igual a 47%;
7. Bio-MTBE (bioetermetil-terc-butílico): combustível produzido com base
no biometanol, sendo a percentagem em volume de bio-MTBE
considerada como biocombustível de 36%;
8. Biocombustíveis sintéticos: hidrocarbonetos sintéticos ou misturas de
hidrocarbonetos sintéticos produzidos a partir de biomassa;
9. Bio-hidrogénio: hidrogénio produzido a partir de biomassa e/ou da
fracção biodegradável de resíduos, para utilização como biocombustível;
10. Óleo vegetal puro produzido a partir de plantas oleaginosas: óleo
produzido por pressão, extracção ou processos comparáveis, a partir de
plantas oleaginosas, em bruto ou refinado, mas quimicamente
inalterado, quando a sua utilização for compatível com o tipo de motores
e os respectivos requisitos relativos a emissões.
5
A Directiva 2003/30/CE, que visa também criar mecanismos para promover
a colocação no mercado de quotas mínimas de biocombustíveis, estabeleceu
um valor de incorporação de biocombustíveis de 5,75% até 2010 e de 20% até
2020. O Decreto-Lei 62/2006 de 21 de Março, que constituiu um dos
documentos de apoio à “Estratégia Nacional para a Energia”, RCM nº 169/2005
de 24 de Outubro de 2005, veio antecipar as metas europeias ao estipular uma
meta de 10% em 2010 para os biocombustíveis utilizados nos transportes,
meta esta que se mantém na nova Estratégia Nacional para a Energia (ENE
2020).
Adicionalmente, o Decreto-Lei 66/2006 de 22 de Março, que altera o Código
dos Impostos Especiais sobre o Consumo, constitui também um incentivo à
utilização de biocombustíveis, consagrando a isenção de Imposto sobre os
Produtos Petrolíferos aos biocombustíveis integrados na gasolina e no gasóleo.
6
3. Utilização de algas para a produção de biocombustíveis
3.1 Potencial das algas para a produção de energia
O biodiesel é o combustível derivado das algas que tem vindo a receber
maior atenção dada a sua elevada potencialidade para substituir a
dependência dos combustíveis fósseis, principalmente no domínio dos
transportes. Contudo, diversas formas alternativas de energia podem ser
obtidas a partir desta matéria-prima, nomeadamente etanol, hidrogénio,
metano, biomassa para combustão e gaseificação e outras variantes de
hidrocarbonetos combustíveis. Na figura 1 encontram-se representados os
principais produtos energéticos provenientes das algas e as respectivas vias de
produção.
Figura 1 – Vias de obtenção de diversos produtos energéticos derivados das algas3
7
3.1.1 Bioetanol
O etanol pode ser obtido a partir das algas através da conversão do
amido e da celulose. Uma vez que são ricas em polissacáridos e possuem
paredes celulares finas, as algas são a fonte ideal para o bioetanol de segunda
geração. A problemática actual prende-se com o facto de haverem diversos
produtos de elevado valor que podem adicionalmente ser obtidos a partir desta
matéria-prima (e.g. carrageno, agar), pelo que a obtenção de um produto de
baixo valor como o etanol não é prioritário.
Entre as espécies que se apresentam como as mais promissoras para a
produção de etanol contam-se fundamentalmente macroalgas, nomeadamente:
O
•
Sargassum
•
Glacilaria
•
Prymnesium parvum
•
Euglena gracilis
processo
de
produção
de
etanol
a
partir
das
algas
baseia-se,
fundamentalmente, na fermentação dos açúcares, e engloba diversas etapas4:
1. Crescimento das algas em meio de aquacultura.
2. Colheita das algas, de modo a constituir uma reserva de biomassa.
3. Início da decomposição (para que ocorra ruptura das paredes celulares e
libertação dos polissacáridos).
4. Sacarificação do amido.
5. Fermentação da biomassa em decomposição; os microorganismos utilizados
são, normalmente, as leveduras da cerveja (Saccharomyces cerevisiae e
Saccharomyces uvarum) ou bactérias geneticamente modificadas.
6. Separação do etanol formado da restante solução de fermentação.
Alternativamente, o etanol poderá também ser produzido a partir de
algas após extracção do seu conteúdo oleaginoso. De um modo geral, a
biomassa das algas compreende três componentes principais: hidratos de
carbono, proteínas e lípidos. Após a extracção dos lipídica para a produção de
8
biodiesel, os hidratos de carbono existentes no bolo vegetal remanescente
podem ser utilizados como substrato de fermentação para a produção de
etanol, o que permite uma optimização da biomassa potencialmente energética
das algas.
Figura 2 – Produção combinada de biodiesel e bioetanol4.
Adicionalmente, o dióxido de carbono resultante do processo de
fermentação pode, por sua vez, alimentar a produção de nova biomassa, o que
permite o funcionamento em sistema fechado (Fig. 2). A produção combinada
de biodiesel e etanol apresenta-se, portanto, como uma alternativa com
elevado potencial relativamente à qual alguns ensaios estão já a ser levados a
cabo4.
3.1.2 Hidrogénio
O hidrogénio é visto como a energia no futuro, pois constitui um recurso
renovável, não contribui para o "efeito estufa", liberta grandes quantidades de
energia por unidade de peso na combustão, e é facilmente convertida em
energia eléctrica em células de combustível.
9
A produção biológica de hidrogénio apresenta várias vantagens sobre a
produção de hidrogénio por processos fotoeletroquímicos ou termoquímicos,
uma vez que a produção de hidrogénio por microrganismos fotossintéticos por
exemplo, requer o uso de um reactor solar simples (e.g. uma caixa
transparente fechada), com requisitos de baixa energia, enquanto que
processos electroquímicos requerem o uso de baterias solares de alta energia5.
Existem três métodos de produção de hidrogénio a partir das algas: Processos
bioquímicos, gaseificação e reformação a vapor de metano5.
Sob condições específicas, as algas produzem hidrogénio, através de
processos biológicos e fotobiológicos. As microalgas e cianobactérias,
juntamente com as plantas superiores, são capazes de fotossíntese aeróbica
de acordo com a seguinte reacção5:
CO2 + H26 [CH O = 2O] + O2
A fotossíntese consiste na conversão de energia luminosa em energia
bioquímica numa reacção fotoquímica, e na redução de CO2 a compostos
orgânicos, tais como fosfatos de açúcar, através da utilização desta energia
bioquímica pelas enzimas do ciclo de Calvin. Sob certas condições, porém, em
vez de redução de CO2, alguns grupos de microalgas e cianobactérias
consomem energia bioquímica para produzir hidrogénio molecular, através da
acção de hidrogenases e nitrogenases.
O hidrogénio pode também ser produzido por gaseificação da biomassa
das algas. Durante a gaseificação a biomassa é convertida numa mistura
gasosa (CO e H2), pela aplicação de calor sob pressão, na presença de vapor
e de uma quantidade controlada de oxigénio. Diversas metodologias têm vindo
a ser desenvolvidas com vista à separação do H2 a partir do gás de síntese5.
10
Figura 3 – Gaseificação da biomassa algal6.
Por último, o hidrogénio pode também ser obtido a partir do metano
resultante da fermentação de biomassa das algas, através de técnicas
tradicionais de reformação a vapor (SMR). A reformação a vapor é o método
mais comum de produção de hidrogénio comercial, e constitui também o
método menos dispendioso. A altas temperaturas (700 - 1100°C) e na
presença de um catalisador metalálico (níquel), o vapor reage com o metano
para produção de monóxido de carbono e hidrogénio, através da reacção7:
CH4 + H2O → CO + 3H2.
3.1.3 Metano
O metano é importante para geração de energia eléctrica em turbinas a
gás ou caldeiras a vapor, sendo que a sua queima produz menos CO2 por
unidade de calor libertado do que outros hidrocarbonetos. Adicionalmente,
11
verifica-se que o metano produz mais calor por unidade de massa do que
outros hidrocarbonetos complexos. Em muitas cidades, o metano é canalizado
em residências para aquecimento doméstico e para cozinhar, contexto no qual
é geralmente conhecido como gás natural, sendo também utilizado na forma de
gás natural comprimido como combustível para veículos8.
Teoricamente, o metano pode ser produzido a partir de qualquer um dos
três componentes de algas – hidratos de carbono, proteínas e lípidos. Para a
produção de metano, os bio-reactores fechados para cultivo de algas
constituem uma alternativa promissora para a obtenção de biomassa para a
produção de bio-metano. Estes sistemas permitem o cultivo de microalgas em
grandes quantidades (150-300 toneladas por hectare por ano), o que
corresponde, teoricamente, a um rendimento 200,000-400,000 m de metano
por ha por ano8.
A digestão anaeróbia constitui o método mais directo de produção de
metano a partir de algas, envolvendo as seguintes etapas sucessivas8:
- Pré-tratamento das algas para despolimerização da matéria sólida, formandose uma suspensão de partículas finas.
- Passagem da suspensão num leito fluidizado com enzimas que convertem a
biomassa em açúcar, e bactérias capazes de transformar os açúcares em
ácidos gordos voláteis.
- Decantação da suspensão, de modo a eliminar quaisquer partículas sólidas
que possam permanecer.
- Passagem do líquido decantado num leito fixo contendo bactérias
metanogénicas.
3.1.4 Biodiesel
O biodiesel refere-se a qualquer biocombustível equivalente ao diesel e
obtido a partir de materiais biológicos renováveis, tais como óleos vegetais ou
gorduras animais, e consiste em hidrocarbonetos saturados de cadeia longa.
Pode ser usado na forma pura (B100) ou pode ser misturado ao diesel em
qualquer concentração9.
12
Culturas como a soja, palma, canola e colza são considerados como
matérias-primas de primeira geração, visto terem sido as primeiras culturas
utilizadas para a produção de biodiesel. A maior parte das matérias-primas de
primeira geração podem igualmente ser utilizadas como culturas alimentares.
Contudo, uma vez que este tipo de culturas, quando utilizadas para a produção
de
biodiesel,
estão
associadas
a
um
rendimento
muito
inferior
comparativamente ao das algas10 (tabela 1), muito dificilmente a primeira
geração de biocombustíveis terá uma produtividade suficiente sem que haja
alocação exclusiva de grandes extensões de terra arável para culturas
destinadas à produção de combustíveis.
Matérias-primas de origem biológica mas não alimentar são utilizadas na
produção de biodiesel de segunda geração. Estes produtos podem ser
convertidos em combustível através de métodos standard de transesterificação,
ou usando tecnologias de “biomass-to-liquid” (BTL), tais como o processo de
Fischer-Tropsch ou o processo de pirólise rápida. Este tipo de matérias-primas
permite eliminar a concorrência relativamente aos recursos alimentares, reduzir
a utilização de terra arável, além de que são obtidos subprodutos que podem
ser reaproveitados noutros processos químicos ou queimados para geração de
calor e energia. Contudo, tal como no caso dos combustíveis de primeira
geração, estas matérias-primas oferecem modestas reduções relativamente ao
uso de combustíveis fósseis e às emissões de gases de efeito estufa com os
métodos de processamento actualmente existentes.
As
algas,
constituindo
a
terceira
geração
de
biocombustíveis,
apresentam-se, teoricamente, como a única fonte de biocombustível que pode
vir a substituir a dependência do petróleo no futuro de uma forma económica e
socialmente viável. Uma das principais razões pelas quais as algas são cada
vez mais exploradas como matéria-prima, particularmente para a produção de
biodiesel, é o seu elevado rendimento, uma vez que a produção de algas gera
30 vezes mais energia por hectare do que as culturas terrestres. As microalgas
representam os organismos unicelulares fotossintéticos com crescimento mais
acelerado, podendo completar um ciclo de crescimento em poucos dias.
Algumas espécies de microalgas têm alto teor de óleo (até cerca de 80% de
óleo por peso seco, tabela 2) e podem produzir até 137.000 litros de óleo por
hectare por ano, em condições óptimas10.
13
Tabela 1 – Comparação entre fontes de biodiesel10
Produção de óleo
Área cultivável necessária
(L/ha)*
(Mha)a
Milho
172
1540
Soja
446
594
Colza
1190
223
Coco
2689
99
Óleo de palma
5950
45
136900
2
58700
4.5
Cultura
Microalgas (70%
óleo/peso seco)
Microalgas (30%
óleo/peso seco)
*valor de referência para cumprir 50% das necessidades energéticas dos transportes nos
Estados Unidos.
Tabela 2 – Conteúdo oleaginoso de algumas espécies de microalgas10
Microalga
Conteúdo oleaginoso
(% peso seco)
Botryococcus braunii
25-75
Chlorella sp.
28-32
Crypthecodinium cohnii
Cylindrotheca sp.
Dunaliella primolecta
Isochrysis sp.
Monallanthus salina
20
16-37
23
25-33
>20
Nannochloris sp.
20-35
Nannochloropsis sp.
31-68
Neochloris oleoabundans
35-54
Nitzschia sp.
45-47
Phaeodactylum tricornutum
20-30
Schizochytrium sp.
50-77
Tetraselmis sueica
15-23
14
Embora, no que diz respeito ao teor lipídico (% de lípidos relativamente
ao peso seco), as algas sejam equivalentes à biomassa de outras culturas
oleaginosas, a grande vantagem da sua utilização reside efectivamente na
elevada produtividade, sendo que o aumento do teor de óleo por unidade de
área obtido a partir das algas constitui um dos temas mais pesquisados
actualmente.
3.2 Cultura de microalgas
A produção de biomassa algal é, de um modo geral, mais dispendiosa
do que as culturas alimentares terrestres visto que a manutenção dos
parâmetros físico-químicos é mais difícil em meio aquático. O crescimento
fotossintético requer a presença de luz, dióxido de carbono, água e sais
inorgânicos, assim como a manutenção da temperatura entre os 20-30ºC. No
que se refere à produção de microalgas a redução de custos assenta
essencialmente na utilização de luz natural, embora as variações diárias e
sazonais constituam uma limitação inevitável.
Os meios de crescimento de microalgas devem fornecer todos os
elementos inorgânicos que constituem as células das algas, sendo que os
elementos essenciais incluem azoto, fósforo, ferro e silício. Os requisitos
nutricionais mínimos podem ser estimados usando a fórmula molecular
aproximada da biomassa algal CO0.48H1.83N0.11P0.0111. Geralmente o meio
utilizado é água do mar suplementada com fertilizantes comerciais, o que
constitui um recurso pouco dispendioso.
A biomassa das algas contém cerca de 50% de carbono por peso
seco12, na sua maioria derivado da metabolização de dióxido de carbono. Este
gás deverá ser fornecido em regime constante durante o período diurno, mas
sob condições controladas para manutenção do pH dentro dos valores óptimos.
Uma das vantagens da produção de biodiesel a partir de microalgas poderá ser
a utilização de CO2 proveniente da queima de combustíveis fósseis em centrais
térmicas, o que constitui um recurso disponível a baixo custo10.
A produção de algas em larga-escala geralmente recorre ao cultivo
contínuo durante o período diurno, com adição de meio de cultura a uma taxa
15
constante e remoção de uma quantidade equivalente de biomassa algal.
Durante a noite mantém-se apenas a agitação do meio de cultura para evitar o
assentamento das algas. Cerca de 25% da biomassa produzida no período
diurno pode ser perdida durante a noite devido à respiração, sendo que a
proporção de perda de biomassa depende do nível de luminosidade, e
temperatura durante a fase de crescimento, assim como a temperatura durante
a noite10.
Actualmente os únicos métodos praticáveis para produção de microalgas
em larga-escala compreendem a utilização de tanques abertos (“raceway
ponds”) ou de fotobioreactores tubulares fechados10.
Os “raceway ponds” são usados para o cultivo de microalgas desde os
anos 50, pelo que os conhecimentos inerentes a esta tecnologia estão já bem
consolidados. Os tanques utilizados são geralmente constituídos por canais de
recirculação independentes, os quais formam um loop fechado, tipicamente
com cerca de 20-30 cm de profundidade, e com recirculação e agitação
promovidos pela acção de pás. Em termos de área, este tipo de instalações
ocupa entre 0.5-1 ha até 200 ha no caso de cultivos extensivos (e.g. cultivo de
D. salina na Austrália)13.
Figura 4 – Raceway pond6
16
O cultivo de microalgas para a produção de biodiesel em “raceway
ponds” (Fig. 4) tem sido largamente avaliado em estudos financiados pelo
Departamento de Energia dos Estados Unidos10 visto que constitui uma
metodologia menos dispendiosa que os fotobioreactores em termos de custos
de construção e manutenção. Contudo, este tipo de cultivo, embora apresente
produtividades geralmente superiores a 10 g de peso seco/m2d, mantém-se
aquém do rendimento dos fotobioreactores10. Uma vez que é um sistema
aberto está sujeito a flutuações diárias e sazonais da temperatura, e as perdas
para a atmosfera por evaporação tornam também a utilização do CO2 menos
eficiente, o que conduz a uma produtividade sub-óptima. Adicionalmente, a
contaminação por algas e microorganismos que se alimentem de algas afecta
também a eficiência da produção de biomassa. Não obstante, este tipo de
sistema é geralmente encarado como a base para a cultura de microalgas em
larga escala para a produção de biodiesel, embora estejam ainda a ser
optimizadas as condições para cultura das espécies-chave para a produção de
biodiesel10.
Por sua vez, os fotobioreactores permitem essencialmente monoculturas
de microalgas, tendo vindo a ser usados com sucesso para a produção de
biomassa microalgal10. Um fotobiorector consiste numa série de tubos
transparentes, geralmente feitos de plástico ou vidro, os quais actuam como
colectores solares (Fig. 5).
17
Figura 5 – Fotobioreactor6
Os biorreatores para cultivo de microalgas apresentam vantagens
técnicas, em termos de minimização da contaminação, maiores densidades de
cultura e maior controlo sobre as condições físico-químicas.
Numerosas tipologias destes bioreactores têm sido descritas na
literatura científica13 e em patentes, sendo que apenas uma pequena parte foi
comercializada até à data. Esta tecnologia envolve fundamentalmente a
produção fotoautotrófica, com iluminação natural ou artificial, embora
os fermentadores convencionais possam também ser usados para a cultura de
algumas
espécies
de
microalgas
de
forma
heterotrófica
em
altas
densidades, sem a presença de luz13 (Fig. 6). Os fotobioreactores incorporam
geralmente os seguintes componentes13:
- Reservatório de cultura, geralmente permeável à luz,
- Sistema de fornecimento de luz, geralmente com lâmpadas fluorescentes
ou que fornecem radiação fotossinteticamente activa (λ=400-700 nm). No
caso dos reactores exteriores é utilizada simplesmente luz natural incidente
ou dispositivos colectores de energia solar de complexidade variável.
- Sistema de trocas gasosas, para fornecer CO2 e remover o oxigénio
gerado fotossinteticamente, para impedir a inibição do metabolismo celular
- Sistema de recolha de biomassa.
18
Figura 6 – Fermentador6
Os fotobioreactores mais sofisticados são projectados de forma a
oferecer
um percurso óptico curto sob iluminação externa, principalmente através de
sistemas tubulares ou placas planas, de forma a minimizar a atenuação
luminosa entre a superfície e o centro do reservatório de cultura, utilizando para
tal tubos ou placas com diâmetro/espessura de aproximadamente 0.05m13. A
configuração dos fotobioreactores tubulares é variável, incluindo dispositivos
horizontais, verticais, helicoidais, enquanto que as placas planas são
normalmente câmaras rectangulares finas posicionadas na vertical ou
orientadas de acordo com a radiação solar, podendo também ser constituídas
por canais internos que fornecem rigidez estrutural e permitem um eficaz fluxo
do meio de cultura.
Actualmente, os elevados custos de construção e operacionalidade
destes reactores limitam o número de sistemas comerciais em larga-escala,
sendo que os fotobioreactores fechados não apresentam condições para
suportar de forma economicamente viável o cultivo de microalgas em grande
escala necessária para a produção de biocombustíveis. Representam, contudo,
uma importante tecnologia para produção de inóculos sem contaminantes para
19
alimentação de grandes tanques em circuito aberto13. Adicionalmente, a
investigação actual procura, portanto, promover a combinação entre a
tecnologia
dos
fotobioreactores
e
“raceway
ponds”,
para
reduzir
a
contaminação e a duração dos ciclos de cultivo nos tanques abertos,
optimizando a produção de biomassa em tanques exteriores, de forma a que se
apresentem
como
uma
alternativa
competitiva
no
mercado
dos
biocombustíveis.
3.3 Extracção e processamento dos óleos
A extracção e processamento dos produtos obtidos das microalgas
constituem as áreas mais problemáticas relativamente à utilização de algas
para a produção de biocombustíveis, principalmente devido ao custo do
processo de recuperação dos produtos a partir de soluções diluídas.
Diversas metodologias podem ser utilizadas para a colheita de
microalgas. No passado, pouca atenção tem sido dada ao desenvolvimento de
técnicas
de
colheita
que
maximizem
o
valor
dos
produtos
obtidos
a partir das microalgas (biorefinação). Os óleos representam apenas um dos
muitos produtos com valor comercial, sendo que a escolha do organismo a
cultivar requer a avaliação de todas as matérias potencialmente produzidas. A
figura 7 ilustra a implementação do conceito de biorefinaria, em que o petróleo
é produzido em paralelo com outros extractos úteis e com reciclagem dos
nutrientes e água utilizados no processo (Fig. 8).
20
Figura 7 – Representação esquemática de uma biorefinaria para obtenção de produtos
úteis a partir das microalgas13
Figura 8 – Secagem da biomassa da microalgas6
21
Figura 9 – Extracção dos óleos6
Os
custos
de
colheita
da
biomassa
representam
cerca de 20-30% do custo total13. Actualmente, a recolha da biomassa de
microalgas baseia-se em processos de sedimentação em campo gravitacional,
centrifugação, flutuação e filtração13. Seguidamente, para que haja uma
extracção eficaz dos materiais contidos no interior das células, é necessário
proceder à disrupção celular. Embora existam diversas metodologias para
disrupção
celular,
o
critério
fundamental
é
a
maximização
do
valor dos materiais obtidos. A disrupção mecânica das células é geralmente o
método por excelência uma vez que evita contaminação química da
preparação, preservando simultaneamente a maior parte da funcionalidade do
material celular. A etapa final no processo de extracção consiste no
fraccionamento dos extractos, geralmente com recurso a solventes orgânicos,
e recolha dos óleos13 (Fig. 9).
22
3.4 Engenharia genética
Embora as microalgas se apresentem como uma alternativa promissora
no futuro dos biocombustíveis, várias barreiras técnicas têm ainda que ser
ultrapassadas para que este tipo de matéria-prima possa ser utilizada de forma
economicamente viável. As dificuldades apresentam-se fundamentalmente ao
nível de14:
- Desenvolvimento de métodos de recolha com baixo consumo
energético,
- Produção de biomassa em larga-escala em sistemas exteriores,
- Presença de espécies invasivas nos tanques de cultura,
- Baixa penetrância luminosa em culturas de elevada densidade,
- Optimização de métodos de extracção de baixo consumo energético
- Fracas propriedades de escoamento a frio da maior parte do biodiesel
derivado de microalgas.
Para que haja um incentivo à utilização de microalgas na produção de
biocombustíveis, é importante que sejam desenvolvidas soluções para
optimizar a produtividade dos sistemas de cultivo de microalgas, e desenvolver
esforços de bioprospecção para identificação de estirpes com caracteres
desejáveis para a produção de combustíveis. Estima-se que existem mais de
50.000 espécies de microalgas, embora apenas uma fracção de cerca de
30.000 espécies tenha sido estudada e analisada15. Durante as últimas
décadas extensas colecções de algas têm vindo a ser criadas em diversos
países, sendo a colecção de algas de água doce da Universidade de Coimbra
um dos maiores repositórios do mundo, com mais de 4000 estirpes e 1000
espécies15.
Embora estes esforços demonstram que muitas espécies de microalgas
têm propriedades que são desejáveis para a produção de biocombustíveis, a
maioria apresenta condicionantes que impediram, até à data, o surgimento de
uma indústria economicamente viável de biocombustíveis a partir de algas. As
culturas alimentares tradicionalmente usadas têm vindo a ser optimizadas ao
longo dos anos através da selecção dos caracteres mais favoráveis, enquanto
que no caso das bioalgas este processo está ainda em fase muito incipiente.
23
Por esse motivo, a engenharia genética afigura-se como a solução para
ultrapassar a morosidade do processo de selecção. Contudo, apesar dos
recentes avanços nas abordagens biotecnológicas, o potencial da engenharia
genética só seria completamente alcançado se as técnicas de reprodução das
espécies mais significativas estiverem solidamente estabelecidas de forma a
permitir a combinação dos caracteres e mutações genéticos mais desejáveis14.
3.4.1 Engenharia genética de microalgas
Na última década têm sido alcançados progressos significativos na
genómica das microalgas, nomeadamente com a criação de bases de dados
de marcadores de sequências expressos (EST) e a sequenciação do genoma
de diversas espécies. Historicamente, a alga verde Chlamydomonas reinhardtii
tem
sido
o
foco
de
investigação
genética
e
molecular
pelo
que
a maioria das ferramentas para a expressão ou knockdown de genes e
são específicas para esta espécie. Contudo, estão também a ser rapidamente
desenvolvidas ferramentas adaptadas a espécies de maior interesse
comercial14.
24
Figura 10 – Vias metabólicas das microalgas relativamente às quais estão a ser
optimizadas estratégias de optimização da produção de óleos14
Descodificação do genoma
No que se refere à descodificação do genoma, vários projectos de
sequenciação do genoma nuclear encontram-se já concluídos, nomeadamente
para
C.
reinhardtii,
Phaeodactylum,
Thalassiosira
pseudonana,
Cyanidioschyzon merolae, Ostreococcus, Ostreococcus tauri, e Micromonas
pusilla14. Por sua vez, encontram-se em cursos projectos para sequenciação de
Fragilariopsis cylindrus, Pseudo-nitzschia, Thalassiosira rotula, Botryococcus
braunii, Chlorella vulgaris, Dunaliella salina, Micromonas pusilla, Galdieria
sulphuraria,
Porphyra
purpurea,
Volvox
carteri,
e
Aureococcus
anophageferrens14.
25
Métodos de transformação e expressão
A transformação genética foi já conseguida para diversas espécies,
nomeadamente algas verdes (Chlorophyta), vermelhas (Rhodophyta) e
castanhas (Phaeophyta), diatomáceas, euglenófitas e dinoflagelados14.
Os
métodos
primariamente
desenvolvidos
para
C.
reinhardtii
demonstram que a estabilidade da expressão pode ser melhorada através de
utilização de codões adequados e promotores endógenos fortes, da inclusão
de terminações 5’,3’ específicas de cada espécie e da utilização de sequências
de intrões14. A eficiência de transformação parece estar fortemente
correlacinada com a espécie usada, e os métodos de transformação têm de ser
cuidadosamente seleccionados e optimizados para cada microalga. Entre os
métodos de transformação que têm sido utilizados para a transferência de DNA
em células de microalgas encontram-se, fundamentalmente, a agitação na
presença de esferas de vidro, eletroporação, o bombardeamento com
micropartículas
de
biobalística
e
transferência
de
genes
mediada
14
Agrobacterium tumefaciens .
3.4.2 Engenharia genética do metabolismo lipídico
Nas algas, a biossíntese e catabolismo de lípidos e catabolismo, assim
como as vias que determinam o comprimento e saturação dos ácidos gordos
não foram ainda exaustivamente estudados como nas plantas terrestres. No
entanto,
muitos
dos
genes
envolvidos
no
metabolismo
lipídico
nas plantas terrestres possuem homólogos nos genomas das microalgas.
Portanto,
pelo
menos
algumas
das
estratégias
utilizadas
para
modificar o teor lipídico em plantas superiores afiguram-se também eficazes
nas microalgas.
Biossíntese lipídica
A figura 10 apresenta uma visão simplificada das vias de síntese de
lípidos, ao nível das quais poderão ser levadas a cabo manipulações genéticas
26
para aumentar o conteúdo oleaginoso das algas. Em particular, o fornecimento
de ácidos gordos parecem ser determinantes para a regulação da síntese de
óleos14, pelo que grande ênfase foi inicialmente dado aos estudos focados no
aumento da expressão de enzimas envolvidas nas vias de síntese de ácidos
gordos, embora com pouco sucesso. Mais recentemente, a sobre-expressão de
genes envolvidos na formação de triacilgliceróis (TAG) parece revelar-se a
abordagem de maior sucesso14. Outra abordagem alternativa para aumentar o
conteúdo
celular
lipídico
consiste
em
bloquear
as
vias
metabólicas
responsáveis pela acumulação de compostos energéticos, tal como o amido. A
disrupção do gene da ADP-glucose-pirofosforilase ou isoamilase em algas
parece revelar-se particularmente eficaz para a acumulação de triacilglicerol14.
Catabolismo lipídico
Uma estratégia complementar para aumentar a acumulação de lípidos
consiste na redução do seu catabolismo. Os genes envolvidos na activação do
triacilglicerol e dos ácidos gordos livres, assim como os genes envolvidos na βoxidação dos ácidos gordos, foram já alvo de estudos de inactivação,
resultando em aumento do conteúdo lipídico celular. Contudo, grande parte do
conhecimento disponível neste domínio provém de estudos em plantas
superiores. Por esse motivo, e para ultrapassar a falta de recombinação
homóloga eficiente em microalgas, a inactivação genética terá que ser
promovida através de mutagénese aleatória ou através do silenciamento de
RNA14.
27
Figura 11 – Vias metabólicas da biossíntese lipídica em microalgas14
Adicionalmente, importa considerar os ciclos diários, uma vez que várias
microalgas iniciam o armazenamento de TAG durante o dia, mas consomem
essas reservas durante a noite para suportar os requisitos energéticos e a
divisão celular. Consequentemente, a inibição da β-oxidação iria impedir a
perda de TAG durante a noite, mas com a consequente redução da taxa de
crescimento. Por esse motivo, esta estratégia poderá não ser viável para
microalgas cultivadas em tanques abertos exteriores, mas pode ser uma
estratégia válida para aumentar a produção lipídica em microalgas cultivadas
em fotobiorreatores com fontes exógenas de carbono e/ou luz contínua14.
28
Modificação das características dos lípidos
Alternativamente à engenharia genética direccionada para a produção
aumentada de lípidos, uma estratégia que se poderá afigurar também
auspiciosa visa o aumento da qualidade dos lípidos com vista
à sua
adequabilidade como matéria-prima para biodiesel, nomeadamente no que se
refere ao comprimento das cadeias. O comprimento da cadeia dos ácidos
gordos é determinado por acil-ACP tioesterases, que libertam os ácidos gordos
da sua cadeia de síntese. Existem várias tioesterases obtidas a partir de uma
grande variedade de organismos e que são específicas para determinados
comprimentos de cadeia dos ácidos gordos, pelo que a sua sobreexpressão
trangénica poderá ser usada para optimizar os óleos obtidos a partir de
microalgas14.
O Potencial para a modificação do conteúdo lipídico em microalgas
É razoável pensar que algumas das estratégias que resultam no
aumento do conteúdo de óleo nas sementes de plantas terrestres poderão ser
também aplicáveis em microalgas. Muitas microalgas não produzem uma
grande quantidade de lípidos de armazenamento durante o seu crescimento.
Em vez disso, quando estão sobre stress ambiental, como a falta de azoto, elas
diminuem a sua proliferação e começam a produzir produtos energéticos de
armazenamento, tais como lípidos e/ou amido. É assim interessante verificar
como a sobre-expressão de genes responsáveis pelas vias de síntese de
lípidos pode afectar a proliferação de microalgas. Um resultado possível será o
aumento da síntese lipídica conduzir à redução da divisão celular.
29
4. A inovação na área dos biocombustíveis: tendências de patenteamento
Efectuou-se uma análise ao patenteamento na área dos biocombustíveis
obtidos a partir de microalgas. Esta análise teve como objectivo identificar
quais as principais empresas/instituições (requerentes) que fizeram pedidos de
patente nesta área tecnológica, e também quais os principais países
intervenientes nesta mesma área. Analisou-se ainda a evolução do número de
publicações de documentos ao longo da presente década, bem como a
evolução do número de publicações por pais de origem.
Figura 12 – Número de publicações das principais empresas/requerentes que fizeram
pedidos de patente na área dos biocombustíveis obtidos a partir de microalgas no período de
2000 a 2010 (2010-12-22).
Como se pode constatar pela observação da figura 12, não existe um
requerente
principal,
que
se
destaque
dos
restantes,
na
área
dos
biocombustíveis obtidos a partir de microalgas. Pode-se no entanto salientar os
seguintes: Sapphire Energy Inc, Chevron USA Inc, Eni SPA, UOP LLC e a
Universidade de Tsinghua.
30
Figura 13 – Evolução do número de publicações, por requerente, no período de 2000 a
2010 (2010-12-22).
Relativamente à evolução do número de publicações por requerente,
observa-se que só em 2009 e 2010 as empresas começaram a ter uma maior
expressão nas publicações de documentos de patente. Nos anos anteriores,
apenas as Universidades efectuaram publicações de documentos de patente,
tendo no entanto este número diminuído em 2010 para valores semelhantes a
2005. Estes resultados mostram o papel importante que as Universidades e os
Centros de Investigação têm não só no desenvolvimento cientifico como
também no desenvolvimento económico, ao iniciarem os estudos de I&D e
identificarem áreas técnicas onde o investimento financeiro leva a um claro e
substancial desenvolvimento económico.
31
Figura 14 – Evolução do número de publicações de patentes no período entre 2000 e
2010 para a área tecnológica dos biocombustíveis obtidos a partir de microalgas.
Analisando a figura 14, referente à evolução do número de publicações
de patentes no período entre 2000 e 2010, verifica-se um aumento substancial
a partir de 2008. Estes dados mostram um clara tendência no aumento da
significância tecnológica e económica desta área de investigação e
desenvolvimento.
Uma análise em maior detalhe desta evolução (figuras 15 e 16), através
da identificação do número de pedidos por país/via de protecção, mostra que a
subida descrita pela figura 14 é essencialmente devida ao grande aumento dos
pedidos internacionais. O aumento dos pedidos provenientes dos Estados
Unidos da América merece também ser salientado, apesar de não ser tão
significativo como o aumento dos pedidos WO. É no entanto de referir que
muitos
destes
pedidos
WO
têm
uma
prioridade
norte-americana,
provavelmente devido ao facto de 8 dos 10 requerentes identificados no “top
10” serem também de nacionalidade norte-americana.
32
Figura 15 – Evolução do número de publicações de patentes no período entre 2000 e
2010, de acordo com a via de protecção (WO – via internacional; US – Estados Unidos da
América; CN – China; FR – França; GB – Grã-Bretanha).
Figura 16 – Número de publicações por país de patentes na área dos biocombustíveis
obtidos a partir de microalgas no período de 2000 a 2010 (2010-12-22).
33
5. Considerações Finais
As crescentes preocupações sobre a diminuição da disponibilidade dos
combustíveis fósseis, juntamente com os problemas ambientais resultantes da
sua exploração, produção e utilização, têm estimulado a investigação científica
de forma a desenvolver e melhorar a síntese de biocombustíveis a partir de
recursos renováveis.
A substituição dos combustíveis ditos tradicionais por biocombustíveis
acarreta não só vantagens ambientais, mas também político-económicas.
Desta forma, a nível político-económico, uma grande vantagem é tornar as
nações mais independentes dos combustíveis fósseis esgotáveis e também
dos próprios fornecedores, não ficando assim sujeitas às variações de
mercado. Uma outra vantagem resulta na geração de desenvolvimento rural
costeiro, em especial nos países em desenvolvimento, e que têm grande
potencial para a produção de biomassa. É o caso dos países africanos, latinoamericanos e asiáticos.
As algas, e em particular as microalgas, apresentam grande potencial
para a produção simultânea de biodiesel, bioetanol, hidrogénio e metano,
assim como de produtos químicos de elevado valor, pelo que grande foco e
investimento têm sido dados à optimização das metodologias de produção e
extracção de produtos energéticos a partir de algas.
No que diz respeito à importância da Propriedade Industrial nesta área
específica, a partir do diagnóstico tecnológico apresentado no ponto 4., concluise que se trata de uma área tecnológica em crescimento, onde é previsível um
aumento do investimento em I&D, visto que os pedidos de patente feitos por
empresas começam agora a surgir. O facto de existirem várias empresas,
directamente relacionadas com os combustíveis, a desenvolver trabalho
científico nesta área, leva a crer que a protecção de direitos de incidência
tecnológica assuma uma posição relevante neste domínio tecnológico.
Os biocombustíveis obtidos a partir de microalgas representam
claramente uma alternativa promissora para o futuro. Contudo, o grande
desafio actual prende-se ainda com a necessidade de reduzir os custos de
produção para que esta fonte energética se torne economicamente viável
relativamente aos combustíveis tradicionais.
34
6. Referências
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5. http://www.oilgae.com/algae/pro/eth/eth.html
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7. http://cnode3.slideboom.com/presentations/159830/engineering-in-algaeenergy/download
8. http://www.oilgae.com/algae/pro/hyd/pro/pro.html
9. http://www.oilgae.com/algae/pro/met/met.html
10. http://www.oilgae.com/algae/oil/biod/biod.html
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tricornutum
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