Download - Micro Algas

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    D O S S I T C N I C O

    Cultivo de microalgas

    Lucas Gomes Rocha

    Fundao Centro Tecnolgico de Minas Gerais / CETEC

    Agosto 2012

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    DOSSI TCNICO

    Sumrio 1 INTRODUO ..................................................................................................................... 3 2 APLICAO COMERCIAL DAS MICROALGAS................................................................ 4 2.1 APLICAES NA REA AMBIENTAL ....................................................................................... 5 2.2 APLICAO COMO BIOCOMBUSTVEL.................................................................................... 6 3 CULTIVO DAS MICROALGAS............................................................................................ 7 3.1 SISTEMAS ABERTOS ............................................................................................................ 8 3.2 SISTEMAS FECHADOS (FOTOBIORREATORES) ..................................................................... 10 3.2.1 FOTOBIORETARORES DE PLACAS..................................................................................... 10 3.2.2 FOTOBIOREATORES TUBULARES...................................................................................... 10 3.2.3 FOTOBIOREATORES DE TANQUES AGITADOS.................................................................... 11 3.2.4 FOTOBIOREATORES AIRLIFT ............................................................................................ 12 4 PARMETROS FSICO-QUMICOS PARA O CULTIVO DE MICROALGAS................... 12 4.1 LUZ................................................................................................................................... 13 4.2 TEMPERATURA .................................................................................................................. 13 4.3 PH .................................................................................................................................... 13 4.4 AGITAO E AERAO DA CULTURA................................................................................... 14 4.5 GUA................................................................................................................................ 14 5 FATORES NUTRICIONAIS DAS MICROALGAS.............................................................. 14 5.1 CARBONO ......................................................................................................................... 15 5.2 NITROGNIO...................................................................................................................... 15 5.3 FSFORO.......................................................................................................................... 15 5.4 OUTROS MACRONUTRIENTES ............................................................................................. 15 5.5 MICRONUTRIENTES............................................................................................................ 16 5.6 VITAMINAS ........................................................................................................................ 16 5.7 QUELANTES ...................................................................................................................... 16 6 MTODOS DE COLHEITA DE MICROALGAS E DE EXTRAO DE LEO ................ 16 6.1 CENTRIFUGAO............................................................................................................... 17 6.2 SEDIMENTAO POR GRAVIDADE ....................................................................................... 17 6.3 FLOCULAO .................................................................................................................... 18 6.4 PENEIRAMENTO................................................................................................................. 18 6.5 FILTRAO........................................................................................................................ 18 6.6 PROCESSO ELETROLTICO ................................................................................................. 19 6.7 COLHEITA POR FLOTAO ................................................................................................. 19 7 MEDIDAS DE CRESCIMENTO DAS MICROALGAS........................................................ 19 CONCLUSES E RECOMENDAES ............................................................................... 20 REFERNCIAS..................................................................................................................... 20

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    DOSSI TCNICO

    Ttulo Cultivo de microalgas Resumo Neste dossi so abordadas informaes sobre as principais aplicaes comerciais das microalgas, como realizado o cultivo destes organismos em sistemas abertos e fechados, os principais fatores fsicos, qumicos e nutricionais envolvidos no cultivo e os mtodos de colheita e extrao do leo. Palavras-chave Alga; alimentao complementar; biocombustvel; microalga; nutrio animal Assunto Cultivo de algas em gua doce Contedo 1 INTRODUO As microalgas so organismos microscpicos fotossintetizantes que crescem rapidamente e em diferentes condies ambientais devido a sua estrutura celular simples, unicelular ou multicelular (KOCHEM, 2010). As microalgas pertencem a um grupo muito heterogneo de organismos, predominantemente aquticos e geralmente microscpicos unicelulares, que podem formar colnia, com pouca ou nenhuma diferenciao celular (RAVEN; EVERT; EICHHORN, 2001). So caracterizadas pela presena de pigmentos, responsveis por colorao variada e por mecanismo fotoautotrfico. Filogeneticamente, as microalgas so compostas de espcies procariticas ou eucariticas, antigas ou mais recentes, conforme o perodo em que surgiram no planeta (RAVEN; EVERT; EICHHORN, 2001). A produo comercial de microalgas teve incio na dcada de 60 com espcies do gnero Chlorella e Arthrospira, para utilizao como suplementos dietticos. Na mesma dcada, as pesquisas em biotecnologia de microalgas concentravam-se na reciclagem de guas residuais e na obteno de fontes alimentares (OLIVEIRA, 2009). Walter (2011) destaca que apesar das diferenas estruturais, a maioria das algas apresentam caractersticas fisiolgicas semelhantes e anlogas s plantas, sintetizando e acumulando diversas substncias em comum, porm, com vantagens sobre as plantas terrestres, dentre elas:

    muitas espcies crescem mais rapidamente, proporcionando maior produtividade;

    apresentam estrutura unicelular, o que assegura a mesma composio

    bioqumica, diferentemente das plantas terrestres que apresentam compostos localizados em locais especficos (somente nos frutos, nas folhas, razes, etc.);

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    a possibilidade de induzir maior sntese ou acmulo de compostos de

    interesse por meio da manipulao das condies de cultivo; crescem bem em regies de extremos climticos e at mesmo em guas

    residurias (WALTER, 2011). No Brasil, o cultivo de microalgas poder vir a ser uma prtica socioeconmica muito promissora devido as suas condies climticas adequadas, com temperaturas amenas em grande parte do ano e fontes hdricas abundantes. 2 APLICAO COMERCIAL DAS MICROALGAS Atualmente so conhecidas numerosas aplicaes comerciais de microalgas e o avano de sua produo comercial nos ltimos 60 anos notvel, porm ainda existem obstculos relativos aos sistemas de produo (KOCHEM, 2010). Segundo Loureno (2006) apud Kochem (2010), trs categorias bsicas de aplicaes comerciais j so bem conhecidas:

    Uso de microalgas para aumentar o valor nutricional de alguns alimentos para animais e para o homem.

    Uso de microalgas como rao para aqicultura in natura ou parcialmente

    processadas.

    Utilizao de molculas de alto valor agregado provinda das microalgas, como vitaminas, pigmentos e cidos graxos, em alimentos industrializados, produtos farmacuticos e cosmticos (LOURENO, 2006 apud KOCHEM, 2010).

    Excetuando-se as produtoras de toxinas, as microalgas so capazes de incrementar o contedo nutricional da alimentao e influenciar positivamente a sade de humanos e animais, graas sua composio qumica (exemplificada na figura 1), que rica em protenas, grande variedade de aminocidos, carboidratos, cidos graxos saturados e insaturados, vitaminas (WALTER, 2011).

    Figura 1 Composio genrica de diferentes alimentos humanos e algas (base % de matria seca)

    Fonte: (WALTER, 2011)

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    Algumas espcies de microalgas, como a Spirulina, destacam-se, principalmente por apresentarem biomassa com composio bioqumica diversificada: compostos nutricionais e pigmentos naturais com propriedades funcionais, como as ficobilinas, carotenides e clorofilas (WALTER, 2011). Dentre as ficobilinas obtidas a partir da Spirulina, uma das mais abundantes a ficocianina, um pigmento que apresenta colorao azul brilhante que, dependendo do seu grau de pureza, encontra diferentes e importantes aplicaes (WALTER, 2011). Alm de caractersticas altamente favorveis como a possibilidade de cultivo contnuo e a rpida multiplicao dessas microalgas sob condies de baixo custo, o mercado encontra-se em expanso, uma vez que a cor representa aspecto fundamental na aceitao de determinados produtos e a tendncia de substituio dos corantes sintticos por pigmentos naturais, especialmente de fontes no vegetais (WALTER, 2011). No Quadro 1 so apresentados os principais produtos extrados das microalgas e suas aplicaes (DERNER et al., 2006):

    Quadro 1 Principais produtos extrados das microalgas e suas aplicaes

    Fonte: (DERNER et al., 2006)

    2.1 Aplicaes na rea ambiental Aliado ao aspecto comercial, outro fator desencadeador de novas oportunidades relaciona-se com a temtica ambiental, visto que algumas espcies de microalgas tambm apresentam timos resultados no contexto da mitigao das emisses de gases do efeito estufa e na complementao de sistemas de tratamento de efluentes j existentes. (WALTER, 2011). As microalgas podem sequestrar CO2 emitidos por indstrias indstrias como as de cimento e termletricas. Ao conectar as chamins destes setores carbono-intensivos a tanques ou fotobioreatores de cultivo de microalgas, possvel proporcionar a biofixao deste CO2 em biomassa de microalgas, que posteriormente ser utilizada para transformao em biocombustivel (EKOS, 2010).

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    O cultivo de microalgas integrado s Estaes de Tratamento de Efluentes uma soluo de baixo custo para fornecimento de nutrientes s microalgas e tambm de despoluio do efluente (EKOS, 2010).

    As algas desempenham um papel fundamental no funcionamento do sistema de lagoas de estabilizao no tratamento de esgotos, limitando a proliferao de coliformes e bactrias patognicas e removem nutrientes da gua atravs de seu metabolismo e crescimento celular, ocorrendo tambm a precipitao de sais de fsforo como estruvita e apatita (SILVA, 2011).

    Entre as diversas formas de microrganismos existentes nas lagoas de estabilizao, as algas verdes (Chlorophyta), so componentes significativos, especialmente as microalgas do gnero Chlorella sp., que so microrganismos unicelulares, clorofilados e sem flagelos (SILVA, 2011).

    Atravs de seu metabolismo, as algas atuam no funcionamento da lagoa de estabilizao: aumentando a concentrao de oxignio dissolvido (OD) atravs da fotossntese, o qual necessrio fisiologia das bactrias aerbias heterotrficas; consumindo o dixido de carbono (CO2) produzido pela oxidao bacteriana da matria orgnica; elevando o pH do meio e removendo nutrientes da gua atravs de seu crescimento celular (SILVA, 2011).

    2.2 Aplicao como biocombustvel Diferentes estudos realizados mostram que as microalgas possuem o mais elevado teor de matria graxa, tornando-se uma excelente alternativa para a produo de biocombustveis devido sua elevada densidade de lipdios comparando com as oleaginosas tais como canola, soja, palma, girassol etc. (PEQUENO, 2010). Dessa forma, a produo de microalgas pode, promover um aumento na produo de leo por hectare e reduzir o custo de produo de biodiesel, conforme mostra o Quadro 2 (PEQUENO, 2010).

    Quadro 2. Rendimento de extrao de leos

    Fonte: (PEQUENO, 2010).

    Segundo Pequeno (2010), dentre as novas matrias-primas usadas na obteno de leo destinado produo de biodiesel, as microalgas emergiram como uma das fontes mais promissoras, por duas razes principais.

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    Primeiro porque o rendimento em leo das microalgas muito mais alto do que o melhor rendimento obtido com as oleaginosas tradicionais; e tambm pelo fato das microalgas poderem crescer em outros lugares que no sejam terras agrcolas e florestas, minimizando assim os danos causados aos ecossistemas e produo de alimentos (PEQUENO, 2010). Na figura 2 pode observar-se as vrias etapas inerentes produo de biodiesel, iniciando-se com a seleo de espcies de microalgas e o design e implementao do sistema de cultivo para o crescimento microalgal (CAROLINO, 2011). Posteriormente, a biomassa colhida e processada para extrao do leo, que consiste na sua maioria em triglicridos (90- 98%) podendo conter pequenas quantidades de mono e diglicridos (CAROLINO, 2011).

    Figura 2 Etapas do processo de produo de biodiesel a partir de microalgas

    Fonte: (CAROLINO, 2011) Segundo Ekos (2010), possivel ainda a produo de bioquerosene com o leo extrado da biomassa de microalgas. O processo distinto da produo de biodiesel, mas a matria prima utilizada (leo das microalgas) a mesma. 3 CULTIVO DAS MICROALGAS Os cultivos de microalgas podem ser feitos em sistemas abertos ou fechados. Os sistemas mais antigos so os abertos, onde as microalgas so produzidas em lagoas, grandes tanques ou piscinas ao ar livre (KOCHEM, 2010). Apesar destes sistemas serem de fcil e barata instalao e operao, so sistemas que esto sujeitos a contaminantes e variaes quanto aos parmetros de cultivo (como por exemplo: intensidade solar, temperatura, homogeneidade de nutrientes em decorrncia de evaporao da gua ou diluio do meio de cultivo quando em dias de chuvas) (KOCHEM, 2010). J os cultivos fechados possibilitam maior controle do funcionamento do sistema, porm um dos maiores desafios dos pesquisadores encontra-se na manuteno de parmetros para manter eficincia do cultivo para sistemas em larga escala (scale up) (KOCHEM, 2010).

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    Assim, sistemas fechados tm custos maiores de instalao, operao e controle, apesar de fornecerem as maiores eficincias fotossintticas (KOCHEM, 2010). A figura 3 relaciona propriedades dos diferentes sistemas de produo, abertos e fechados (KOCHEM, 2010).

    Figura 3 Comparao entre sistema aberto e fechado para cultivo de microalgas

    Fonte: (KOCHEM, 2010) 3.1 Sistemas abertos Os sistemas de cultivo a cu aberto representam os processos clssicos de reatores abertos usados para produo de microalgas (MENNA, 2010). Os sistemas abertos so compostos de lagoas rasas pr-existentes ou construdas expostas atmosfera ou em estufas e que podem ter dois formatos bsicos (WALTER, 2011):

    tipo raceway (circuito): formato mais empregado para cultivo comercial, garante boa capacidade de mistura pois conta com ps circulares, bombas ou defletores para circulao de nutrientes, gases e a cultura algal (FIG. 4), garantindo boas taxas de crescimento algal de forma contnua;

    circular: so bastante utilizados e podem receber sistema de aerao, porm, apresentam relativamente menor capacidade de mistura quando comparados aos sistemas em circuito (WALTER, 2011).

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    Figura 4 - Sistema de cultivo em circuito (raceway)

    Fonte: (WALTER, 2011) Para que o dixido de carbono da atmosfera penetre no meio de cultivo e para que boa parte da biomassa seja iluminada necessrio que as piscinas no tenham mais que 35 cm de profundidade (WALTER, 2011 ).

    Durante o inverno, os tanques devem ser cobertos para evitar variaes de temperatura e impedir que a camada superficial do meio de cultura congele durante a noite em regies temperadas e subtropicais. A cobertura tambm reduz as perdas do meio por evaporao e diminui a contaminao por insetos (BERTOLDI; SANTANNA; OLIVEIRA, 2008).

    Segundo Bertoldi; Santanna; Oliveira (2008), o cultivo de microalgas em sistemas abertos tem como benefcio a luminosidade natural sem custos. No entanto, h o risco de contaminao por outros organismos que pode ser controlada com agitao e aumento do pH. Alm disso, esses sistemas esto sujeitos a alteraes de clima, luz e temperatura. A produo de biomassa em tanques abertos ocorre em contnuo processo de propagao. O ideal que os tanques sejam rasos com at 30 cm de profundidade (BERTOLDI; SANTANNA; OLIVEIRA, 2008).

    Outras desvantagens do sistema de cultivo aberto, segundo Menna (2010), so: (i) apenas uma pequena quantidade de espcies de algas conseguem crescer com xito em larga escala, (ii) presena maior de microorganismos predadores, (iii) grandes perdas evaporativas e dificuldade em conservar o volume de gua, (iv) ineficincia na distribuio de dixido de carbono, (v) necessidade de grande espao fsico, (vi) baixa produtividade e comparao aos sistemas fechados e (vii) altos custos na colheita de biomassa.

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    3.2 Sistemas fechados (fotobiorreatores) Ao contrrio de sistemas a cu aberto, fotobiorreatores tem como principal objetivo cultivar uma espcie singular de microorganismo. Estes biorreatores vm sendo usado de maneira bem sucedida na produo de biomassa de microalgas (MENNA, 2010). Diferentes projetos de fotobioreatores fechados j foram estudados e implantados em grande escala. As diferentes configuraes oferecem vantagens e desvantagens, que associadas ao tipo de alga a ser cultivada, oferece maior ou menor eficincia frente a parmetros de estudos (KOCHEN, 2010). Exemplos de sistemas fechados so: fotobioreatores de placas horizontal ou vertical (flat plate), tubulares, cilndricos, coluna de bolhas (bubble column), tanques agitados e airlift (KOCHEN, 2010). 3.2.1 Fotobioretarores de placas Os fotobioreatores de placas (FIG.5) oferecem a vantagem de ocuparem pouco espao em sua instalao, pois consistem de placas finas que podem ser colocadas verticalmente ou inclinadas em relao fonte de iluminao (KOCHEN, 2010). As grandes vantagens que esses reatores oferecem so quanto grande superfcie de iluminao, ao baixo acmulo de oxignio dissolvido comparado a reatores tubulares e facilidade de escalonamento, visto que so mdulos independentes de placas (KOCHEN, 2010).

    Contudo, algumas espcies de microalgas aderem-se s paredes do reator impossibilitando uma boa absoro de luz. Alm disso, o controle de temperatura desses sistemas, a fim de evitar a evaporao, torna-se difcil, mesmo que algumas solues, como acoplar trocadores de calor dentro das placas, j tenham sido criadas (KOCHEN, 2010).

    Figura 5 Esquema de fotobioreatores de placas (PFP) quanto orientao solar

    Fonte: (KOCHEN, 2010)

    3.2.2 Fotobioreatores tubulares

    Reatores tubulares (FIG. 6) consistem de tubos transparentes uns ao lado dos outros ou mesmo em forma espiral com limite de dimetro de 10 cm (KOCHEN, 2010). O movimento das algas atravs dos tubos pode ser feito com auxlio de uma bomba ou de sistemas tipo airlift, que oferecem menor cisalhamento devido ausncia de bombeamento mecnico e possibilitam que os gases, CO2 e O2, fiquem em concentraes equilibradas devido aerao no meio (KOCHEN, 2010).

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    Entretanto, no escalonamento desses reatores existe a preocupao em relao ao acmulo de oxignio e insuficincia de CO2 para a fotossntese ao longo dos tubos. Por isso, o escalonamento realizado pelo aumento de mdulos e no pelo aumento de comprimento e de dimetro dos tubos (KOCHEN, 2010).

    Figura 6 - Sistema fechado tubular

    Fonte: (KOCHEN, 2010) 3.2.3 Fotobioreatores de tanques agitados Reatores do tipo tanque agitado so os reatores padro da indstria qumica (FIG. 7). No entanto, o agitador deste tipo de reator gera um excesso de cisalhamento no desejado no meio de cultivo, provocando desagregao de clulas (MENNA, 2010). Alm disso, este tipo de agitao mecnica no consegue, de maneira eficiente, manter as clulas em suspenso. Por isso, prefere-se agitao pneumtica, como no caso das colunas de bolhas e do airlift, do que agitao mecnica (MENNA, 2010).

    Os reatores de tanques agitados no tm sido muito estudados, pois no apresentam rea superficial luminosa considervel. Alm disso, conferem gastos de energia e operao ao sistema para manter a homogeneidade das concentraes do meio, a fim de garantir que todas as algas do cultivo estejam sobre as mesmas condies de crescimento e rotas metablicas (KOCHEN, 2010).

    Geralmente, esses reatores so estudados para determinar modelos de produtividade de algas, a fim de estabelecer aplicabilidade a tais algas em larga escala (KOCHEN, 2010).

    Figura 7 - Desenho de um fotobioreator de tanque agitado Fonte: (KOCHEN, 2010)

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    3.2.4 Fotobioreatores airlift Biorreatores do tipo airlift so um dos principais reatores do tipo agitao pneumtica. Estes reatores so dispositivos simples, compactos, de baixo custo e de fcil operao, facilidade na remoo e reposio de slidos e altas taxas de transferncia de calor e massa (MENNA, 2010). Com agitao pneumtica, proporcionam bons valores de kLa (taxa especfica de transferncia de massa na interface lquido-gs) e de velocidades de circulao com emprego de baixas quantidades de energia (MENNA, 2010). Alm disso, o airlift consegue manter as clulas em suspenso uniformemente, ao contrrio de outros biorreatores em que ocorrem sedimentao de clulas (MENNA, 2010).

    Alm de apresentar altas taxas de transferncia de massa e do baixo consumo energtico, o airlift possui ainda, como vantagens no cultivo de microorganismos: (i) ausncia de partes mveis, (ii) boa capacidade de suspenso de slidos, (iii) cisalhamento homogneo, (iv) mistura rpida e (v) orientao vertical, o que diminui a rea de trabalho (MENNA, 2010).

    No entanto, ao ser efetuado o escalonamento para larga escala, alguns problemas surgem, como o decrescimento exponencial da penetrao de luz frente ao aumento do dimetro, sendo esta a principal desvantagem do airlift (MENNA, 2010). Neste tipo de reator, ar e/ou dixido de carbono so injetados pelo fundo do biorreator, promovendo a circulao da cultura a partir do fundo do reator at o topo, atravs da poro central do biorreator, separada das paredes atravs de placas planas (MENNA, 2010). A figura 8 apresenta alguns reatores do tipo airlift com culturas de microalgas crescendo.

    Figura 8 Biorreatores do tipo airlift, com uma cultura de microalgas crescendo em seu interior

    Fonte: (MENNA, 2010) 4 PARMETROS FSICO-QUMICOS PARA O CULTIVO DE MICROALGAS A composio bioqumica da biomassa das microalgas no determinada somente pela natureza de cada espcie algal, dependendo de fatores como: intensidade de luz, temperatura, pH, agitao, a gua do cultivo e nutrientes (BERTOLDI; SANTANNA; OLIVEIRA, 2008).

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    4.1 Luz Os reatores para cultivo de microalgas so diferenciados daqueles projetados para o cultivo de outros microrganismos. Isso se deve ao fato da maioria das microalgas serem fotoautotrficas e dependerem da luz como fonte energtica, tornando esse aspecto um fator essencial no projeto de fotobioreatores (WALTER, 2011). Uma vez que os ftons de luz podem ser absorvidos pelas suas clulas como nutrientes, as propriedades da luz, como comprimento de onda e intensidade, so definitivamente fundamentais para seu crescimento. Isso tambm significa que a velocidade especfica de crescimento das algas pode ser muito influenciada pela fonte de luz (WALTER, 2011).

    Como a ampla densidade luminosa a principal caracterstica de qualquer sistema fotossinttico, deve-se considerar a correta distribuio da luz sobre o fotobioreator, bem como considerar sua intensidade, uma vez que se aplicada em demasia sobre sua superfcie, provocar fotoinibio (crescimento limitado) e consequentemente, baixa converso de energia luminosa em biomassa, isto , baixa eficincia fotossinttica (EF) (WALTER, 2011).

    A EF aumenta at o momento em que a iluminao em excesso torna-se um fator limitante ao crescimento, e por outro lado, a produtividade negativamente afetada pela rea central (zona de sombra) ou outras com iluminao deficiente (WALTER, 2011). 4.2 Temperatura A temperatura utilizada para manuteno das culturas geralmente a mais prxima daquela onde os organismos foram coletados. Para organismos de clima polar, mantm-se T

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    4.4 Agitao e aerao da cultura A agitao e a aerao das culturas de microalgas so importantes para uma distribuio homognea das clulas, metablitos, manuteno da temperatura e para a transferncia de gases atravs da interface gs-lquido (WALTER, 2011). O ar contm a fonte de carbono para a fotossntese na forma de dixido de carbono, mas, para culturas muito densas o CO2 originrio do ar e borbulhado atravs da cultura pode ser insuficiente e um limitante do crescimento (WALTER, 2011). Dependendo das condies de cultivo e do formato do fotobioreator pode ser necessrio suplementar dixido de carbono, por exemplo, numa proporo de 1% do volume de ar alimentado, garantindo ainda uma maior estabilidade quanto s mudanas no pH, graas ao balano CO2/HCO3- na soluo (WALTER, 2011). Nem todas as espcies algais toleram agitao vigorosa. No ambiente natural elas dificilmente sofrem regimes turbulentos, portanto, alguns mtodos podem danificar as clulas (WALTER, 2011). A agitao pode ser feita por borbulhamento com ar, ps circulares para plncton ou ainda bombeamento. A agitao influencia no regime luminoso de tanques externos, portanto, deve ser curta de forma a manter elevada a EF (eficincia fotossinttica) (WALTER, 2011). Por outro lado, em sistemas fechados, um fluxo turbulento de agitao pode ser favorvel, uma vez que melhora a circulao interna e evita o depsito de clulas em zonas escuras (WALTER, 2011). 4.5 gua Sistemas abertos podem utilizar diferentes tipos de gua, incluindo gua fresca, salobra, alcalina, marinha, eutrfica ou uma mistura delas. O tipo de gua utilizada ditar o sistema de cultivo implementado, a espcie de alga cultivada e os nutrientes necessrios (WALTER, 2011). O emprego de guas salobras ou residurias pode apresentar variaes sazonais em sua composio e qualidade, podendo inclusive conter resduos qumicos como fertilizantes e metais pesados, prejudicando a qualidade da biomassa produzida e dificultando at mesmo a sobrevivncia da cultura (WALTER, 2011). 5 FATORES NUTRICIONAIS DAS MICROALGAS Existem diversos meios de cultura apropriados preservao e produo de culturas de microalgas. Regra geral, nas algotecas ou em locais de explorao de cultivos massivos de microalgas de gua doce os macronutrientes essenciais so o carbono, nitrognio, fsforo e potssio (OLIVEIRA, 2009). Para manuteno e estudo de culturas de microalgas escala laboratorial utilizam-se normalmente sais de pureza pro-anlise. J em cultivos de grande escala os meios podem ser preparados a partir de fontes residuais e/ou comerciais, cuja composio nutricional seja conhecida, para que o meio final seja adequado espcie a produzir. No caso de meios salinos, que simulem uma gua salgada ou salobra, as principais diferenas relativamente aos meios de gua doce so o aumento das concentraes de cloreto de sdio e de magnsio no meio (OLIVEIRA, 2009).

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    5.1 Carbono Nos sistemas de cultivo de microalgas, o carbono considerado o macronutriente mais importante, uma vez que constitui cerca de 50 % da biomassa microalgal (OLIVEIRA, 2009). Parte do carbono existente nos meios aquticos encontra-se numa forma oxidada (inorgnica) e combinada com oxignio molecular, sob as formas de dixido de carbono (CO2), hidrogenocarbonato (HCO3-) ou carbonato (CO32-) (OLIVEIRA, 2009). As microalgas crescem em regime autotrfico, utilizando luz e dixido de carbono mas, tambm podem ser cultivadas em regime heterotrfico, usando compostos orgnicos como fonte de energia e fonte de carbono, ou ainda em regime de cultivo mixotrfico (OLIVEIRA, 2009). Neste ltimo tipo de crescimento utiliza-se simultaneamente a fonte luminosa e o substrato orgnico como fonte de energia, alm de CO2 e substrato orgnico como fontes de carbono (OLIVEIRA, 2009). 5.2 Nitrognio O nitrognio componente bsico na formao de protenas, cidos nuclicos e pigmentos fotossintetizantes, constituinte de diversas substncias do metabolismo primrio e pode ser encontrado em concentraes variveis no interior das clulas algceas na forma inorgnica (nitrito, nitrato e amnio) (PEQUENO, 2010). assimilado, preferencialmente, sob forma amoniacal (NH3 e NH4+), mas tambm podem ser assimiladas na forma de nitrognio gasoso ou molecular (algumas cianobactrias), de nitrato (NO3-), de nitrito (NO2-) (PEQUENO, 2010).

    As principais fontes so os sais de nitrato, sais de amnio e uria. As concentraes de protenas e clorofilas nas clulas so diretamente proporcionais ao suprimento de nitrognio, com isso, a diminuio da concentrao de protena ocasiona aumento significativo no percentual de polissacardeos e a diminuio da clorofila aumenta a concentrao de carotenides gerando mudana de colorao no cultivo que tendem ao aspecto amarelado (PEQUENO, 2010).

    5.3 Fsforo Assim como o nitrognio, o fsforo considerado um dos principais elementos limitantes para as microalgas. Ele importante na regulao do metabolismo celular (sntese de lipdeos e carboidratos) e no fornecimento de fosfatos para a gerao de energia e na constituio de molculas estruturais (ATP, acares fosfatados, cidos nuclicos e fosfoenzimas) (PEQUENO, 2010). O fsforo assimilado na forma de ortofosfato (HPO43-). As microalgas so capazes de absorver quantidades elevadas do fsforo permitindo que a clula continue a se desenvolver mesmo que no haja disponibilidade de novas fontes deste elemento (PEQUENO, 2010). A absoro do fsforo inibida total ou parcialmente pelo arsnio. Geralmente as fontes do fosfato so os sais de sdio e potssio (PEQUENO, 2010). 5.4 Outros macronutrientes O enxofre representa 1 a 2% do peso seco celular e a maior parte dele se encontra presente na constituio dos aminocidos metionina e cistena, mas tambm est presente como co-fator de enzimas e em certas vitaminas tais como biotina e tiamina (PEQUENO, 2010).

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    O potssio regulador da presso osmtica, estimula a respirao em pH reduzido, co-fator de vrias enzimas e na conformao e estabilidade de protenas (PEQUENO, 2010).

    O magnsio elemento essencial para as microalgas por ser constituinte da molcula de clorofila. O magnsio co-fator de vrias enzimas, participa na ativao das enzimas glicolticas, estimula a sntese de cidos graxos essenciais, regula os nveis inicos celulares. Quando h deficincia, ocorre a perda do contedo pigmentar da clula, denominado clorose (PEQUENO, 2010).

    Apenas as diatomceas e silicoflagelados necessitam do silcio, pois componente estrutural das frstulas e esqueleto externo respectivamente. So fontes de silcio os sais de silicato de sdio hidratados (PEQUENO, 2010). 5.5 Micronutrientes O principal papel dos micronutrientes, em especial os metlicos, participar da estrutura e da atividade de diversas enzimas que so envolvidas nas diversas vias metablicas, conferindo diferentes papis para cada um deles (LOURENO, 2006 apud PEQUENO, 2010). Alguns micronutrientes metlicos podem ser txicos para as microalgas se estiverem em altas concentraes e podem tambm atuar como antagonistas, provocando deficincia em determinados nutrientes mesmo que ele esteja disponvel no meio (LOURENO, 2006 apud PEQUENO, 2010). Os principais micronutrientes requeridos pelas microalgas so o ferro, mangans, molibidnio, cobalto, boro, vandio, zinco, cobre e selnio (PEQUENO, 2010). 5.6 Vitaminas Segundo Loureno (2006) apud Pequeno (2010), apenas trs vitaminas so efetivamente importantes para as microalgas: tiamina, biotina e cianocobalamina. Algumas espcies podem sintetiz-las, as que no sintetizam necessitam receb-las de fontes exgenas.

    As demais vitaminas no atuam como fatores limitantes, pois: (a) so sintetizadas pelas algas, (b) so sintetizadas por microrganismos associados a algas e disponibilizados, (c) no apresentam funes biolgicas para algas, (d) ou so necessrias em concentraes to baixas ao ponto de serem irrelevantes (LOURENO, 2006 apud PEQUENO, 2010).

    5.7 Quelantes Alguns dos elementos metlicos importantes para a nutrio das microalgas no so solveis, eles necessitam interagir com outras substncias para serem solubilizados (LOURENO, 2006 apud PEQUENO, 2010). Atualmente, o cido etilenodiaminotetraactico (EDTA) a principal substncia empregada em meios de cultura como quelante, sendo utilizada na forma mais solvel apresentada pelo sal dissdico (Na2EDTA.2H2O) (LOURENO, 2006 apud PEQUENO, 2010). 6 MTODOS DE COLHEITA DE MICROALGAS E DE EXTRAO DE LEO Para o emprego na elaborao de alimentos, bem como para a extrao de alguma substncia de interesse, necessrio primeiramente separar a biomassa do meio de cultura (DERNER et al., 2006). As principais tcnicas atualmente aplicadas na coleta de microalgas incluem centrifugao, floculao, peneiramento, sedimentao por gravidade, flotao, e tcnicas de

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    eletroforese (MORCELLI, 2011). O custo da colheita das algas pode ser elevado, uma vez que a frao em massa na cultura em suspenso geralmente baixa, enquanto as clulas normalmente carregam cargas negativas e excesso de matria orgnica para manter sua estabilidade de forma dispersa (MORCELLI, 2011). A seleo de tcnica de colheita dependente das propriedades das microalgas, tais como densidade, tamanho, e o valor do produto desejado (MORCELLI, 2011). Geralmente a colheita das microalgas envolve duas etapas (ZARDO, 2011):

    Pr-separao: operao realizada no meio provindo diretamente dos fotobiorreatores com concentrao de biomassa resultante do cultivo com objetivo de enriquecer o meio para uma composio de 5 a 10% em biomassa. Esta etapa pode ser realizada por floculao, flotao ou sedimentao por gravidade.

    Separao fina: aps a separao mais grosseira pela pr-separao, o meio provindo da primeira etapa concentrado ainda mais por tcnicas como centrifugao e ou filtrao. A tcnica de filtrao geralmente demanda mais energia do que a de centrifugao. A seguir so citados os variados processos de separao disponveis atualmente para a colheita de microalga: 6.1 Centrifugao A maioria das microalgas podem ser recuperadas a partir do cultivo em suspenso usando centrifugao. A recuperao por centrifugao o mtodo preferido para a colheita de metablitos de alto valor agregado (MORCELLI, 2011). Trata-se de um processo rpido, que demanda uma quantidade muito alta de energia. A recuperao de biomassa depende das caractersticas de sedimentao das clulas, o tempo de residncia da suspenso ou lodo na centrfuga e a altura a ser vencida pela sedimentao (MORCELLI, 2011). As desvantagens do processo incluem os altos custos de energia e manuteno potencialmente maior devido presena de peas movimentando-se livremente. Eficincias de colheita superiores a 95%, e aumento na concentrao da soluo de at 150 vezes para teor total de slidos de 15% em suspenso so tecnicamente viveis (MORCELLI, 2011). 6.2 Sedimentao por gravidade Mtodos de sedimentao por gravidade e por centrifugao so baseados na Lei de Stokes, ou seja, a forma na qual os slidos em suspenso iro se depositar ser determinada pela densidade e raio das clulas e, por consequncia, sua velocidade de sedimentao (MORCELLI, 2011). A sedimentao por gravidade a tcnica mais comum de colheita para biomassa de algas no tratamento de gua devido aos grandes volumes tratados e do baixo valor da biomassa gerada (MORCELLI, 2011). No entanto, o mtodo adequado apenas para grandes microalgas como as do gnero Arthrospira (anteriormente conhecido como Spirulina). Sedimentao por gravidade comumente aplicada para a separao de microalgas no tratamento de gua e de efluentes (MORCELLI, 2011). De acordo com Brennan e Owende (2010) apud Morcelli (2011), a densidade e o raio das clulas das algas e a velocidade de sedimentao induzida por tais influenciam na

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    caracterstica de deposio dos slidos em suspenso. A colheita das microalgas por sedimentao pode ser conseguida atravs de separadores de lamela e tanques de sedimentao. A floculao freqentemente usada para aumentar a eficincia de sedimentao por gravidade (MORCELLI, 2011). O sucesso da remoo de slidos por este mtodo depende muito da densidade das partculas de microalgas. Segundo Edzwald et al. (1995) apud Morcelli (2011), partculas de microalgas de baixa densidade no assentam bem e no so separadas com sucesso via sedimentao gravitacional. 6.3 Floculao A floculao baseia-se na adio de floculantes qumicos como: cloreto frrico (FeCl3), sulfato de alumnio (Al2(SO4)3) e sulfato frrico (Fe2(SO4)3). Essas molculas, que possuem carga positiva, interagem com as microalgas, que geralmente tem carga negativa, facilitando a agregao entre elas formando-se flocos. Estes flocos, por possurem maior massa, decantam mais rapidamente (ZARDO, 2011).

    Alm disso, muitos desses produtos qumicos, sob pH adequado e outras condies, tais como temperatura e salinidade, reagem com a gua para formar hidrxidos insolveis que se ligam formando longas cadeias ou malhas que ao se depositarem arrastam consigo mais partculas que se encontram em suspenso (ZARDO, 2011).

    O mtodo da floculao geralmente usado na primeira etapa da colheita (pr-separao), gerando um lodo com concentrao de biomassa em torno de 5 a 10%, necessitando, no entanto, de um ps-tratamento para se atingir o teor de umidade desejado (ZARDO, 2011). 6.4 Peneiramento Na tcnica de peneiramento, a suspenso forada atravs de uma tela com um tamanho particular de poro. Microstrainers e filtros de tela vibratrios so dois dos principais dispositivos de peneiramento na colheita de microalgas (MORCELLI, 2011). Microstrainers podem ser descritos como filtros rotativos com telas de malha fina, que so operados com frequentes retrolavagens. Uma alta concentrao de microalgas pode resultar no bloqueio da tela, enquanto que uma baixa concentrao de microalgas pode resultar na captao ineficiente (MORCELLI, 2011). Microstrainers apresentam vrias vantagens, como: simplicidade na funo e na construo, operao fcil, baixo investimento, abraso insignificante (resultado da ausncia de peas movendo-se rapidamente) sendo, no entanto, elevada a demanda energtica e tendo altas razes de filtrao (MORCELLI, 2011). 6.5 Filtrao Um processo de filtrao convencional mais apropriado para colheita de microalgas relativamente grandes (dimenses superiores a 70 mm) como para os gneros Coelastrum e Arthrospira (MORCELLI, 2011). No pode ser usado para a colheita de espcies de algas que se aproximem da dimenso de bactrias (inferiores a 30 mm), como Scenedesmus, Dunaliella e Chlorella (MORCELLI, 2011). Filtrao convencional opera sob presso ou suco, e auxiliares de filtrao tais como terra diatomcea ou celulose podem ser usados para melhorar a eficincia (MORCELLI, 2011).

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    Para a recuperao de algas de menor tamanho de clulas (

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    O tempo de cultivo o perodo transcorrido entre o incio do cultivo e o momento no qual a cultura alcanou a densidade celular mxima ou que a biomassa apresentou o maior contedo de um determinado composto de interesse ou, ainda, alcanou o maior valor nutricional para a espcie de organismo que se quer alimentar no menor espao de tempo possvel (PEQUENO, 2010).

    Esse ltimo parmetro de avaliao do crescimento considerado muito importante em se tratando de cultivos em grande escala, uma vez que o tempo decisivo para a escolha de uma determinada espcie, do seu processo de produo e da infraestrutura necessria para o seu cultivo (PEQUENO, 2010). Segundo Brown et al. (1997) apud Pequeno (2010), a composio nutricional das microalgas pode variar tambm em funo de diferentes condies de cultivo e da fase de crescimento da cultura. Para avaliar o desenvolvimento de microalgas, essencial que o crescimento da populao em cultivo seja acompanhado para determinar o momento adequado para a sua colheita e utilizao. Concluses e recomendaes No Brasil, o cultivo de microalgas poder vir a ser uma prtica socioeconmica muito promissora devido as suas condies climticas adequadas, com temperaturas amenas em grande parte do ano e fontes hdricas abundantes (PEQUENO, 2010). Assim, o domnio das tcnicas de produo de concentrados de microalgas poder abrir um novo campo de investigaes sobre compostos bioativos como por exemplo voltados a indstria de corantes naturais, como a ficoeretrina e a ficocianina (PEQUENO, 2010). Ainda, desde que muitas microalgas tm elevado valor nutricional, elevada produtividade de biomassa, baixas taxas de subsdios qumicos e energticos e reduzida demanda por rea de cultivo, sua produo em escala industrial promissora na gerao de benefcios na reas social, ambiental e econmico (PEQUENO, 2010). No entanto, Walter (2011) adverte que a utilizao de biomassa microalgal na alimentao humana, embora testada com sucesso, requer segurana quanto inexistncia de riscos microbiolgicos e contaminao qumica, principalmente por metais pesados. Tambm, Borges (2010) ressalta que as microalgas so consideradas o futuro dos biocombustveis, uma vez que podem ser cultivadas em terras no frteis, com o uso de fotobiorreatores, e tm uma produtividade algumas vezes maior que os vegetais estruturados. importante frisar que todo o processo de cultivo e extrao de compostos das microalgas deve ser acompanhado por profissionais das reas de biologia, engenharia qumica e afins com experincia no assunto. Referncias BERTOLDI, F.; SANTANNA, E.; OLIVEIRA, J. Reviso: biotecnologia de microalgas. B.CEPPA, Curitiba, v. 26, n. 1, p. 9-20, jan./jun, 2008. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. BORGES, C. Modelagem da produo de lipdios em microalgas. 2010. 37p. Monografia (Graduao em Engenharia Qumica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012.

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    CAROLINO, L. Cultivo de microalgas unicelulares para determinao da produo lipdica e sequestro de carbono. 2011. 80p. Dissertao (Mestrado em Biologia Celular e Biotecnologia) Universidade de Lisboa, Lisboa, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. DERNER et al. Microalgas, produtos e aplicaes. Cincia Rural, Santa Maria, v. 36, n. 6, nov-dez, 2006. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. EKOS. Seminrio de microalgas. So Paulo: Instituto Ekos Brasil, 2010. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. KOCHEN, L. H. Caracterizao de fotobioreator air-lift para cultivo de microalgas. 2010. 37p. Monografia (Graduao em Engenharia Qumica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. MENNA, S. R. Modelagem de um biorreator do tipo airlift para cultivo de microorganismos. 2010. 30p. Monografia (Graduao em Engenharia Qumica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. MORCELLI, A. Estudo da eficincia de diferentes agentes coagulantes na sedimentao de microalgas cultivadas em fotobioreatores. 2011. 44p. Monografia (Graduao em Engenharia Qumica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. OLIVEIRA, O. S. Optimizao da produtividade lipdica da microalga Arthrospira platensis como matria-prima para biocombustveis. 2009. 65p. Dissertao (Mestrado em Bioenergia) Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2009. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. PEQUENO, M. A. Avaliao do potencial produtivo de leos obtidos a partir de microalgas por cromatografia gasosa. 2010. 54p. Dissertao (Mestrado em Qumica) Universidade Federal da Paraba, Joo Pessoa, 2010. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. RAVEN, P. H.; EVERT, R. F.; EICHHORN, S. E. Biologia Vegetal. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2001. 906p. SILVA, M. C. Tratamento tercirio de efluente secundrio, usando a microalga Chlorella sp. imobilizada em matriz de alginato de clcio. 2011. 79p. Dissertao (Mestrado em Cincia e Tecnologia Ambiental) Universidade Estadual da Paraba, Campina Grande, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. WALTER, A. Estudo do processo biotecnolgico para obteno de ficocianina a partir da microalga Spirulina platensis sob diferentes condies de cultivo. 2011. 133p. Dissertao (Mestrado em Processos Biotecnolgicos) - Universidade Federal do Paran, Curitiba, 2011. Disponvel em:

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    . Acesso em: 23 ago. 2012. ZARDO, I. Anlise de viabilidade econmica da produo de biodiesel a partir de microalgas. 2011. 34p. Monografia (Graduao em Engenharia Qumica) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 23 ago. 2012. Nome do tcnico responsvel Lucas Gomes Rocha Nome da instituio do SBRT responsvel Fundao Centro Tecnolgico de Minas Gerais - CETEC Data de finalizao 24 ago. 2012


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