Avaliação do potencial tecnológico da produção de etanol por algas verdes » BetaEQ

1. Introdução e Contextualização (Blauth)

Panorama da matriz energética e necessidade de fontes renováveis.

A energia tem importância superlativa no planejamento estratégico, tático e operacional das nações, questões ligadas a política de desenvolvimento econômico, operacionalização da sociedade e segurança nacional são decididas também com base na capacidade energética de cada país (JOSÉ FERRARESI DE ARAÚJO, G; FELIPE SCARANTI NAVARRO, L; ANTONIO SANTANA SANTOS, B). Sob essa perspectiva, questões mundiais adversas sobre fontes de energia (isto é, se são renováveis ou não, poluentes à natureza ou não, entre outros) e combustíveis -para o desenvolvimento sustentável de sistemas industriais e domésticos- são uma grande preocupação na economia mundial devido ao debate iminente sociológico, financeiro e ambiental enviesado pelo uso desregrado dos mesmos. (SULAIMAN OLERANWAJU, O, 2023). Entende-se, na contemporaneidade, que a Revolução Industrial, iniciada em meados do século XVIII na Inglaterra e vivenciada pela população global até os dias atuais, foi responsável por impulsionar decisivamente o uso de combustíveis fósseis, como carvão, gás natural e petróleo (apesar dos recordes abruptos retratados nos últimos 30 anos da história da humanidade). Tal “mudança de paradigma” transcorreu em razão de sua alta densidade energética quando comparada às fontes de energia tradicionais desta época. A necessidade incessante e exponencial desses recursos finitos para alimentar máquinas, fábricas em ascensão e sistemas de transporte automotivos, durante esse fragmento da história humana, causou uma dependência de alta periculosidade, com impactos socioambientais significativos (IPCC- PAINEL INTERGOVERNAMENTAL SOBRE MUDANÇAS CLIMÁTICAS). Em face dos problemas apontados acima, claramente contrários à dimensão social e ambiental da sustentabilidade, a busca por fontes renováveis de energia que contemple o tripé da sustentabilidade se acelerou no final do século XX (JOSÉ FERRARESI DE ARAÚJO, G; FELIPE SCARANTI NAVARRO, L; ANTONIO SANTANA SANTOS, B). Nesse sentido, é de extrema fulcralidade pontuar que, em meio às inúmeras tentativas de restabelecimento de uma relação harmoniosa com o meio ambiente, destaca-se a obtenção de combustíveis através do uso da rota biológica como forma de: combater de forma efetiva as mudanças climáticas (poluição atmosférica, doenças cardiorrespiratórias causadas pelos gases de efeito estufa “GEE’s”, aumento da temperatura média global, derretimento das calotas polares, intensificação de fenômenos climáticos extremos (secas, inundações, ciclones e tempestades tropicais), alteração no regime pluvial, desertificação, perda de áreas agricultáveis, problemas relacionados ao abastecimento de água doce e aumento de fluxos migratórios; chuvas ácidas; ilhas de calor, entre outros); promover certa “segurança energética” frente às vulnerabilidades geopolíticas e oscilações dos preços internacionais; estimular o desenvolvimento econômico e a geração de empregos na área; acarretar uma germinação ponderada do panorama configurado pela sustentabilidade e responsabilidade ética coletiva (VALADARES DE OLIVEIRA, T; LUIZ CARDOSO, V; MARIA DE RESENDE, M, 2023). Ante o exposto, o objetivo deste artigo é dissertar sobre a expansão do mercado de etanol e no mundo, a importância do etanol de primeira e segunda geração ante à essa realidade e os desafios a serem superados pelo Brasil para não perder a segunda onda da inovação neste produto e a sua opção perante a estratégia energética nacional (JOSÉ FERRARESI DE ARAÚJO, G; FELIPE SCARANTI NAVARRO, L; ANTONIO SANTANA SANTOS, B).

Figura 1: Fórmula química estrutural não condensada do etanol.

Figura 2: Matriz energética mundial e brasileira entre 2010 e 2020.

Figura 3: Gráfico ilustrativo e quantitativo à respeito do uso de combustíveis de origem fóssil antes, durante e após a Revolução Industrial.

Importância do etanol como biocombustível.

Como apresentado anteriormente, o biocombustível “etanol” desponta como opção/caminho sustentável à dependência energética internacional de combustíveis de origem fóssil, bem como auxiliam a mitigar gases poluentes nocivos à fauna e flora mundiais, e sobretudo, à saúde humana (PEREIRA DE SOUZA, S, 2015). Tendo em vista que, a poluição do ar e o aumento da temperatura do globo terrestre contribuem substancialmente para ocorrência de uma série de efeitos adversos à saúde humana. Exemplificadamente em relação a primeira asserção, os altos níveis de poluição atmosférica do ambiente podem afetar desfavoravelmente a função pulmonar homeostática do organismo, podendo desencadear asma brônquica e exacerbações da DPOC (Doença Pulmonar Obstrutiva Crônica) e aumentar o risco de desenvolvimento de câncer pulmonar (CARRIE, A. REDLICH, 2022). Segundamente, -à respeito da segunda proposição sobre o aumento desenfreado da temperatura mundial-, temos que, com o aquecimento global, quase toda população será exposta à arboviroses devido ao aumento progressivo no número de insetos, principalmente em áreas tropicais (COLLIN J. CARLSON). Finalmente, entende-se a importância em adotar novos bio-mecanismos “úteis” sob o viés econômico e “eruditos” no âmbito ecológico, sustentável e ético. Para que, assim, seja possível enfrentar efetivamente a maior e mais abrangente ameaça à segurança sanitária e ecossistêmica do planeta (SADIE J. RYAN). Por conseguinte, sobressai-se a utilização do etanol como biocombustível para efetivação da mesma. Em função de que, o etanol se apresenta como uma tecnologia capaz de fazer frente aos desafios energéticos internacionais contemporâneos: alta do preço do petróleo e outras fontes de energia não renováveis nos mercados internacionais, dependência dessa fonte por determinados países, aquecimento global e a demanda crescente de etanol tanto no mercado nacional quanto internacional. Um exemplo claro do fator favorável do etanol na aba ambiental, pode ser verificada por uma pesquisa realizada pela UNICA (União da Indústria de Cana-de-Açúcar e Bioenergia) entre março de 2003 e 2020, que mostra que, o consumo de etanol (anidro e hidratado) no setor de transporte pode evitar a emissão de cerca de 500 milhões de toneladas de CO2 na atmosfera. Ademais, o etanol apresenta outras vantagens em comparação aos combustíveis fósseis. Além de reduzir em até 90% as emissões de gases de efeito estufa, diminui a emissão de monóxido de carbono, é biodegradável, não tóxico e emite menos partículas prejudiciais à saúde (UNICA, 2019). Salienta-se também que, sob esse viés, a inserção do etanol como alternativa bioquimicamente sustentável em tais debates, é motivada nacionalmente e internacionalmente pela relevância do setor sucroenergético brasileiro, que coloca o país como o segundo maior produtor mundial e responsável por 30% da oferta global (OECD/IEA, 2013). Desse modo, percebe-se a importância intrínseca e inerente que a produção de etanol representa no globo como um todo, mas, especialmente na matriz energética e malha social brasileira (MME, 2013).

Figura 4: Gráfico ilustrativo de barras à respeito da produção de etanol em bilhões de litros.

Vantagens do uso de algas verdes em comparação a matérias-primas tradicionais (cana, milho, beterraba).

Como exposto anteriormente, os biocombustíveis -em especial, o “etanol”- têm se mostrado um caminho mais sustentável quando comparado à outras fontes de energia. De forma análoga sob o contexto atual, com o objetivo de cumprir as metas do Acordo de Paris até 2030, é necessário alcançar uma produção de 15 EJ (ExaJoule) de biocombustíveis, o que requer um crescimento médio de 16% ao ano. Para isso, é essencial expandir o uso de matérias-primas avançadas, como as algas verdes (etanol de terceira geração), por exemplo. Brevemente, antes de compreender as vantagens do uso de algas verdes para produção de etanol, é necessário saber diferenciar as três gerações de etanol existentes no planeta atualmente. Cabe apontar que, de acordo com Cinelli, (2012), o etanol pode ser produzido das seguintes maneiras:

Etanol de primeira geração (E1G): etanol convencional, produzido a partir de matérias-primas comestíveis, como açúcar, amido e óleos vegetais. Como exemplo, incluem-se os processos de etanol da cana, milho e beterraba.

Etanol de segunda geração (E2G): etanol celulósico, produzido a partir de biomassa não alimentar, como resíduos agrícolas e resíduos florestais.

Etanol de terceira geração (E3G): etanol avançado, produzido a partir de matérias-primas não alimentares e não celulósicas, como algas e microalgas.

Consequentemente, abordando agora as vantagens concretas do E3G, dispomos que, o processo de produção de etanol a partir de algas possui características vantajosas sobre as matérias-primas tradicionais, como uma menor necessidade de extensão de terra, alta produtividade, ausência de competição com o abastecimento de alimentos, captura de carbono altamente eficiente, preservação de florestas tropicais e terras aráveis e alto teor de lipídeos e amido (SUBHADRA; EDWARDS, 2010). Os biocombustíveis de terceira geração são caracterizados por um alto teor de hidrogênio, devido às proteínas e à clorofila presentes. Em comparação com outras fontes de biocombustíveis, os biocombustíveis de terceira geração possuem um maior poder calorífico, baixa densidade e baixa viscosidade, o que os torna mais adequados para a produção de biocombustíveis em comparação com os de primeira geração (MIAO, 2011). Assim, além das algas disponibilizarem metabólitos de interesse como carboidratos e lipídeos, a parede celular desses organismos é bem parecida com a das demais matérias-primas lignocelulósicas, porém, possui menos lignina e hemicelulose em sua composição. Devido a esse fato, o rompimento da parede celular, que é um processo que encarece a produção, e sua consequente liberação dos açúcares fermentescíveis se torna mais fácil (RODRIGUES, 2020). Acrescentado à esta argumentativa, o processo de fotossíntese realizado por esses organismos difere das plantas superiores (isto é, gimnospermas e angiospermas), pois as algas não precisam de um sistema complexo de “vasos condutores” para transportar nutrientes, o que torna o processo mais eficiente. Enquanto as plantas superiores transformam apenas cerca de 0,5% da energia solar absorvida, as algas podem aproveitar mais de 10% dessa energia (SMITH, 2010). Ademais, As microalgas podem ser colhidas de forma contínua ao longo de todo o ano em regiões tropicais, eliminando a necessidade de um período de entressafra. Além disso, o cultivo e processamento das microalgas podem ocorrer no mesmo local, o que favorece a produção integrada e sequencial de múltiplos produtos, reduzindo os custos logísticos nas instalações das biorrefinarias (AGROENERGIA EM REVISTA, 2016).

Observação: 1EJ = 10¹⁸J.

2. Aspectos Biológicos e Bioquímicos das Algas Verdes (Tayná)

Estrutura e metabolismo das algas verdes relevantes para produção de etanol.

As algas verdes possuem estruturas e metabolismo que possibilitam a produção do etanol. É possível classificá-las entre microalgas (Chlorella, Scenedesmus, Chlamydomonas) e macroalgas (Ulva, Caulerpa), que são fontes atuais de combustíveis de terceira geração, dentre eles o bioetanol (CHEN et al., 2015). As microalgas favorecem o processo de colheita e cultivo por não apresentarem tecidos e estruturas especializadas. Além disso, possuem um crescimento assexuado (reprodução sem a união de gametas) elevado e proporcionam uma grande produção de biomassa a partir de uma quantidade reduzida de microorganismos. Ademais, a acumulação de lipídios de armazenamento como, por exemplo, polissacarídeos e triacilgliceróis, e o alto teor de carboidratos obtido pelas microalgas, podem fornecer um aproveitamento significativo para a produção do bioetanol. Já as macroalgas, diferente das citadas anteriormente, possuem alta eficiência fotossintética e tecidos multicelulares especializados (filóides, rizoide, entre outros) que, consequentemente, estimulam o crescimento rápido e a formação de biomassa (AL ABDALLAH et al., 2016).

Produção e acúmulo de carboidratos fermentáveis.

Os carboidratos das algas são compostos açúcares neutros, amino-açúcares e ácidos urônicos, podendo haver uma composição específica dependendo de qual espécie é encontrado tal elemento e qual o tipo de desenvolvimento. Além do amido e da celulose é perceptível a presença de polissacarídeos na composição das algas verdes, diferenciando-as da de outros vegetais (BARRILLI, 2019).

A produção de carboidratos fermentáveis pela alga é um processo que transforma luz e dióxido de carbono (CO₂) em açúcares (como a glicose) através da fotossíntese ( SILVELLO et al., 2021). Dito isso, as microalgas apresentam grande quantidade de carboidratos como glicogênio e amido, produtos importantes para produzir o etanol a partir da conversão de açúcares fermentáveis (UEDA R. et al., 1996). Ademais, tais microrganismos têm altas taxas de crescimento e capacidade de fixar o CO2, o que promovem maior aproveitamento para a formação do bioetanol (HO SH et al., 2014).

O acúmulo de amido e açúcares solúveis (glicose, frutose, sacarose) em algas verdes se localiza no interior do cloroplasto e na área do citoplasma, respectivamente (YU, J. et al., 2019; FRONTIERS, 2017). Esses produtos fotossintéticos se acumulam de formas diferentes como, por exemplo, materiais de armazenamento ou elementos celulares, podendo ter uma variação de 0,2 a 0,5 da massa biológica total (CHISTI Y., 2007). É importante destacar que a Chlamydomonas reinhardtii (alga verde unicelular) é semelhante aos organismos vegetais de alta performance na geração de etanol, por conta de sua estrutura e funcionalidade, e com isso, consegue armazenar polissacarídeos (como o amido intracelular) em grande quantidade (COSTA, 2014).

Condições ideais de cultivo (luz, temperatura, nutrientes, pH).

É essencial que as algas verdes estejam em condições ideais para o melhor aproveitamento de seu cultivo. Os nutrientes, pH, luz solar e temperatura são exemplos de fatores relevantes para a formação de tais organismos (SILVA, 2015; KHAN et al., 2018).

A luz é uma fonte de energia que permite a conversão da água e do dióxido de carbono em matéria orgânica durante o processo de fotossíntese. Dito isso, a alga precisa de luminosidade para se obter um cultivo mais eficiente (OZKURT, 2009). É perceptível maior desenvolvimento e produção da biomassa com a exposição de tal elemento.

A temperatura é uma grande influência para o desenvolvimento de microalgas e atua em diversos processos bioquímicos como, por exemplo, a fotossíntese. O valor da temperatura adequada para uma alga verde varia de 20 a 30 °C, fator crucial para evitar perda de biomassa (KHAN et al., 2018).

Nutrientes como o carbono, fósforo e nitrogênio, são fontes necessárias para a produção de algas verdes (Chlorophyta). Vale ressaltar que o nitrogênio e o carbono atuam diretamente no acúmulo de proteínas na alga. Ademais, o cultivo de algas verdes por meio do carbono orgânico pode ser feito em sistemas heterotróficos, sendo o fósforo e o nitrogênio elementos necessários para ajudar no crescimento, porém podem aumentar o custo de produção (OLIVEIRA, 2022).

Por fim, deve-se destacar a importância do pH presente no meio de cultura. O pH é um dos fatores determinantes para o crescimento de algas e o seu valor ideal de cultivo depende da espécie a ser cultivada. Ademais, para haver um aproveitamento de cultivo é preciso que o pH esteja controlado (SAKARIKA et al., 2016). Espécies como a C. vulgaris pode crescer em uma ampla escala de ph, no entanto, sua máxima produção de biomassa se dá no valor de pH entre 9 e 10 (KHAN et al., 2018).

3. Rotas Tecnológicas de Produção de Etanol a partir de Algas Verdes (Vinicius)

Cultivo (fotobiorreatores abertos e fechados).

Os sistemas para a produção de microalgas são fundamentalmente classificados como fotobiorreatores abertos ou fechados. A escolha do sistema mais adequado depende de fatores como as características da espécie de microalga e as condições climáticas locais (MOREIRA, 2014).

Fotobiorreatores Abertos

Os fotobiorreatores abertos são os mais comuns para a produção comercial de biomassa fotoautotrófica, embora se restrinjam a poucas espécies e apresentem risco de contaminação, o que pode impedir cultivos de longa duração. Esses sistemas podem ser divididos em águas naturais, como lagos e lagoas, ou tanques artificiais (CARVALHO; MEIRELES; MALCATA, 2006)

Exemplos de cultivos em fotobiorreatores abertos incluem:

Lagoas naturais: Utilizadas para o cultivo de Dunaliella salina no México e na Austrália.
Sistemas raceways: Empregados nos cultivos de Arthrospira (Spirulina) nos Estados Unidos e de Dunaliella salina em Israel.
Lagoas circulares: Usadas para o cultivo de Chlorella em países como Japão, Taiwan e Indonésia.
Tanques: Geralmente utilizados para produções em menor escala destinadas à aquicultura, como é o caso da Nannochloropsis oculata.

Apesar de sua ampla utilização, os sistemas abertos apresentam desvantagens. A temperatura é um dos principais fatores limitantes, e as variações sazonais na radiação solar resultam em baixas concentrações de biomassa. Além disso, a dificuldade no controle dos parâmetros de cultivo leva a produtividades inferiores às teoricamente possíveis (JIMÉNEZ et al.,2003;OGBONNA; TANAKA, 2000).

Fotobiorreatores Fechados

Em contrapartida, os fotobiorreatores fechados oferecem um ambiente protegido, que minimiza a contaminação e permite um controle mais rigoroso do cultivo. Embora exijam um investimento inicial maior, entre suas vantagens estão: menor perda de água por evaporação; redução de problemas de contaminação por outros microrganismos; facilidade na colheita da biomassa; maior controle sobre as trocas gasosas; design compacto e maior rendimento por unidade de área e volume (LOURENÇO, 2006; TREDICI, 2004).

Esses fotobiorreatores podem ser classificados quanto à sua geometria em planos, tubulares (horizontais, verticais, inclinados ou em espiral) e do tipo manifold ou serpentina, como mostrado na figura 5. Os fotobiorreatores fechados de formato tubular ou cilíndrico são os mais comuns.

Figura 5 – Diferentes tipos de fotobiorreatores fechados. (a) Fotobiorreatores do tipo erlenmeyer; (b) Fotobiorreatores tubulares verticais; (c) Fotobiorreator tubular horizontal

Fonte: Laboratório de Engenharia Bioquímica – FURG.

Recentemente, os reatores planos têm se destacado como promissores, pois permitem um uso mais eficiente da energia solar ao possibilitar o ajuste do ângulo e da orientação de seus painéis. O borbulhamento de ar é frequentemente adotado para garantir a mistura e promover as trocas gasosas nesses sistemas (LOURENÇO, 2006).

Colheita e separação da biomassa.

A colheita representa um dos principais gargalos tecnológicos e econômicos do processo, devido à baixa concentração de células no meio de cultivo e ao seu tamanho microscópico. Métodos como floculação química, centrifugação, filtração e flotação são empregados para aglomerar e separar a biomassa da água. A escolha da técnica depende da espécie de alga e da escala de produção, mas frequentemente envolve um alto consumo de energia e de produtos químicos, impactando a viabilidade econômica do etanol (MOREIRA; DA SILVA, 2022).

Pré-tratamento para liberação de açúcares e hidrólise.

Após a colheita, a biomassa precisa passar por um pré-tratamento para romper a parede celular das algas, que pode ser composta por celulose, hemicelulose e outras macromoléculas complexas. Este rompimento é crucial para expor os carboidratos armazenados no interior da célula. Em seguida, a etapa de hidrólise converte esses polissacarídeos em açúcares fermentescíveis, como a glicose. A hidrólise pode ser realizada por via química, utilizando ácidos diluídos, ou por via enzimática, empregando coquetéis de enzimas como celulases e amilases. A hidrólise enzimática é mais específica e gera menos compostos inibidores da fermentação, sendo muitas vezes preferida (HARUN et al., 2010).

Fermentação alcoólica e destilação.

O caldo rico em açúcares (mosto) obtido na hidrólise é então submetido à fermentação alcoólica. O micro-organismo mais utilizado para esta etapa é a levedura Saccharomyces cerevisiae, a mesma empregada na produção de etanol de cana-de-açúcar, devido à sua alta eficiência na conversão de glicose em etanol (MOREIRA; DA SILVA, 2022). Ao final da fermentação, o produto é uma solução diluída de etanol (geralmente de 5% a 12%). A etapa final de purificação é a destilação fracionada, que explora os diferentes pontos de ebulição da água e do etanol para separá-los e obter um produto com alto grau de pureza, adequado para uso como biocombustível.

4. Papel do Engenheiro Químico no Processo (Carol e Artur)

Desenvolvimento e otimização de reatores (fotobiorreatores e fermentadores).
Balanço de massa e energia para avaliar viabilidade.
Integração de processos: acoplamento cultivo → processamento → destilação.
Seleção e dimensionamento de equipamentos para cada etapa.
Avaliação de rendimento e eficiência energética.
Simulação de processos usando softwares de engenharia química.
Análise econômica e escalonamento (do laboratório para escala industrial).
Gestão de subprodutos e aproveitamento de resíduos.

O engenheiro químico ocupa papel central na transformação do potencial biotecnológico das algas verdes em um processo de produção de etanol técnica e economicamente viável. No front-end, lidera o desenvolvimento e a otimização de reatores — fotobiorreatores para cultivo e fermentadores para conversão — definindo configurações (tubulares, “flat-panel”, “air-lift”) e estratégias de operação (contínua, batelada alimentada) que maximizem produtividade areal e volumétrica sob restrições de transferência de massa, luz e calor (CHISTI, 2007; PERRY; GREEN, 2019). A modelagem cinética (crescimento, acúmulo de carboidratos e fermentação) e o projeto assistido por parâmetros adimensionais (Re, Sh, Da, Φ óptico) orientam decisões de escala, mistura e aeração, bem como o controle de pH, CO₂ e nutrientes (FOGLER, 2016; SEADER; HENLEY; ROPER, 2011).

O balanço de massa e de energia é a espinha dorsal da avaliação de viabilidade: fecha-se o inventário de entradas (CO₂, água, nutrientes, energia elétrica e térmica) e saídas (etanol, biomassa residual, oxigênio, efluentes), estimando-se conversões, seletores de rotas (hidrólise enzimática vs ácida; leveduras vs consórcios), demandas térmicas de destilação e desidratação, e perdas por evaporação e radiação (PERRY; GREEN, 2019; TOWLER; SINNOTT, 2013). A integração de processos — do cultivo ao processamento e à destilação — procura sinergias: uso do O₂ gerado no cultivo para etapas aeróbias auxiliares, recuperação de calor de colunas para pré-aquecimento, “pinch analysis” para minimizar utilidades, e acoplamento de digestão anaeróbia da torta de algas para cogeração (TOWLER; SINNOTT, 2013; TURTON et al., 2018).

Na seleção e dimensionamento de equipamentos, o engenheiro químico compara tecnologias de colheita (floculação, flotação, filtração, centrifugação), ruptura celular (moinhos de esferas, homogeneização), hidrólise (reatores agitados aquecidos, leitos imobilizados enzimáticos), fermentação (tanques com agitação/aeração ou biorreatores pneumáticos) e separações (destilação, peneiras moleculares), aplicando critérios de desempenho, custo, limpeza sanitária e escalabilidade (SEADER; HENLEY; ROPER, 2011; PERRY; GREEN, 2019). O rendimento e a eficiência energética são avaliados por métricas como produtividade (g·L⁻¹·h⁻¹), rendimento global em massa (g etanol·g⁻¹ biomassa), EROI e análise exergética, permitindo identificar gargalos termo-econômicos (TURTON et al., 2018).

A simulação de processos, com apoio de softwares de engenharia química, consolida a integração: fluxogramas rigorosos (cultivo–colheita–pré-tratamento–hidrólise–fermentação–destilação–desidratação–cogeração) são validados por modelos termodinâmicos e cinéticos e por balanços completos de utilidades, favorecendo estudos de sensibilidade e de controle operacional (SEIDER et al., 2017). Esses modelos alimentam a análise econômica e o escalonamento, do laboratório à planta-piloto e à escala industrial, contemplando CAPEX, OPEX, curva de aprendizado, confiabilidade de fornecimento de CO₂ e nutrientes, logística hídrica, riscos regulatórios e avaliação de maturidade tecnológica (TRL) (TURTON et al., 2018; TOWLER; SINNOTT, 2013).

Por fim, a gestão de subprodutos e o aproveitamento de resíduos fecham o ciclo tecnológico: a fração sólida pós-extração pode seguir para digestão anaeróbia (biogás), recuperação de nutrientes (fertilizantes), extração de coprodutos (pigmentos, proteínas) e reúso de água de processo mediante polimento, alinhando desempenho com princípios de economia circular e metas de emissões (TOWLER; SINNOTT, 2013; SEADER; HENLEY; ROPER, 2011). Em síntese, o engenheiro químico articula ciência e engenharia — da luz ao litro de etanol — para converter a promissora biofábrica algal em uma cadeia integrada, eficiente e escalável.

5. Desafios Técnicos e Tecnológicos (Artur)

Apesar do notável potencial das microalgas como matéria-prima para o etanol de terceira geração, a transição da pesquisa para a produção industrial em larga escala é barrada por uma série de desafios técnicos e tecnológicos significativos. A viabilidade econômica do processo não depende da otimização de uma única etapa, mas da superação de gargalos sistêmicos que permeiam toda a cadeia produtiva. Entre os principais obstáculos estão:

– Baixa Densidade Energética da Biomassa Bruta: Um dos desafios mais imediatos reside na própria natureza da biomassa de algas, que é composta majoritariamente por água (entre 80% e 95%). Isso resulta em uma baixa densidade energética e impacta diretamente a logística e a viabilidade do processo. A remoção dessa água através de métodos de secagem térmica é um processo intensivo em energia, cujos custos podem superar a energia obtida com o etanol, tornando o balanço energético e econômico desfavorável. Além disso, o alto teor de umidade torna o transporte logisticamente ineficiente e caro, e a biomassa úmida é altamente perecível, exigindo processamento rápido, mais um fator que desfavorece sua logística.

– Custos de Cultivo e Colheita: Os custos associados ao crescimento e à recuperação da biomassa algal representam um dos principais gargalos para a viabilidade econômica. No cultivo, existe um dilema entre fotobiorreatores fechados, que oferecem alto controle e produtividade a custos de implantação e operação extremamente elevados, e sistemas abertos (raceways), que são mais baratos, mas vulneráveis a contaminações e variações climáticas, resultando em menor produtividade. A etapa de colheita é igualmente desafiadora e pode representar de 20% a 30% do custo total da produção. Como as microalgas são diminutas e ficam em suspensão diluída, concentrá-las exige um processo de múltiplas etapas (como floculação e centrifugação) que consome uma quantidade significativa de energia e recursos.

– Eficiência da Conversão de Carboidratos em Etanol: A eficiência da conversão bioquímica é outro ponto crítico. A parede celular robusta de muitas espécies de algas precisa ser rompida por meio de um pré-tratamento (físico, químico ou enzimático) para liberar os carboidratos. Em seguida, a hidrólise quebra polissacarídeos complexos em açúcares simples fermentescíveis, como a glicose. O custo e a eficiência das enzimas usadas nesse processo são fatores limitantes. Além disso, a levedura tradicionalmente usada, Saccharomyces cerevisiae, fermenta eficientemente a glicose, mas não outros açúcares presentes na biomassa, o que diminui o rendimento. O desenvolvimento de micro-organismos geneticamente modificados é essencial para maximizar a conversão. Outro problema é que os pré-tratamentos químicos podem gerar compostos tóxicos que inibem a fermentação.

– Contaminação por Micro-organismos Indesejados: A contaminação é uma ameaça constante, especialmente em sistemas de cultivo abertos, e pode levar ao colapso da cultura. Organismos competidores, como outras algas e cianobactérias, disputam luz e nutrientes. Predadores, como protozoários, podem dizimar a população, enquanto agentes patogênicos (vírus, bactérias e fungos) podem infectar as células. A contaminação também afeta a etapa de fermentação, onde bactérias indesejadas podem consumir os açúcares, produzindo ácidos em vez de etanol, o que diminui o rendimento e a qualidade do produto final. O controle rigoroso é necessário, mas aumenta os custos operacionais.

– Escalabilidade Industrial: O maior desafio de todos é a transição da escala de laboratório para uma produção industrial que seja economicamente competitiva. A produção em larga escala exigiria grandes áreas e um volume significativo de água, embora o uso de terras não aráveis e águas residuais seja uma vantagem. O fornecimento de nutrientes e CO₂ em grande escala é um desafio logístico e econômico, que poderia ser mitigado pela integração com plantas industriais. Manter uma produção estável ao longo do ano também é difícil. Por isso, a viabilidade econômica provavelmente dependerá do conceito de biorrefinaria integrada, onde múltiplos produtos de valor agregado (pigmentos, proteínas, etc.) são extraídos da biomassa, além do etanol, para tornar o processo sustentável.

6. Avaliação do Potencial Tecnológico (Vinicius)

Eficiência de conversão (kg biomassa → L etanol).

A eficiência na conversão de biomassa de algas verdes em etanol é um indicador-chave de sua viabilidade tecnológica e econômica. Diferente das matérias-primas de primeira e segunda geração, o rendimento do etanol de algas está diretamente ligado ao teor de carboidratos acumulado na biomassa, que pode variar significativamente entre as espécies e de acordo com as condições de cultivo (PINTO et al., 2016).

Espécies como Chlorella vulgaris e Scenedesmus são notáveis por seu elevado conteúdo de amido, um polímero de glicose facilmente fermentescíveis. Em condições de cultivo otimizadas, o teor de carboidratos em microalgas pode ultrapassar 50% de seu peso seco (PÉREZ-GARCÍA et al., 2011). Estudos demonstram que, a partir de hidrólise ácida ou enzimática para a quebra dos carboidratos em açúcares simples, seguida pela fermentação por leveduras como a Saccharomyces cerevisiae, é possível alcançar produtividades de etanol que variam de aproximadamente 100 a 300 litros de etanol por tonelada de biomassa seca de alga (PINTO et al., 2016). Contudo, é crucial ressaltar que estes valores são dependentes do sucesso das etapas de pré-tratamento e hidrólise, que visam a desconstrução da parede celular da alga para a liberação dos açúcares fermentescíveis (COSTA; FREITAS; MORAIS, 2023).

Comparação com matérias-primas convencionais.

Em comparação com as matérias-primas convencionais, o etanol de algas verdes apresenta vantagens e desafios. A cana-de-açúcar, principal fonte de etanol no Brasil, produz cerca de 70 a 80 litros de etanol por tonelada de colmo (EPE, 2023). O milho, predominante nos Estados Unidos, apresenta um rendimento de aproximadamente 400 litros por tonelada.

Embora o rendimento por tonelada de biomassa de alga possa ser, em alguns cenários, inferior ao do milho, o grande diferencial das algas reside em sua produtividade por área. Estima-se que a produtividade de biomassa de algas por hectare possa ser de 5 a 10 vezes superior à da cana-de-açúcar (COSTA; FREITAS; MORAIS, 2023). Além disso, o cultivo de algas não compete por terras agricultáveis, podendo ser realizado em áreas impróprias para a agricultura tradicional, em fotobiorreatores abertos ou fechados e tanques abertos, utilizando inclusive águas salinas ou residuais (PINTO et al., 2016).

Sustentabilidade e pegada de carbono.

A sustentabilidade é um dos pilares da produção de etanol de terceira geração a partir de algas. A pegada de carbono deste biocombustível tem o potencial de ser significativamente inferior à dos combustíveis fósseis e até mesmo à de alguns biocombustíveis de primeira geração. Durante seu crescimento, as algas realizam a fotossíntese, capturando CO₂ da atmosfera (COSTA; FREITAS; MORAIS, 2023).

Análises de Ciclo de Vida (ACV) indicam que a pegada de carbono do etanol de algas pode variar consideravelmente dependendo da fonte de energia utilizada nos processos de cultivo, colheita e conversão. Quando acoplado a fontes de energia renovável e ao aproveitamento de CO₂ de fontes industriais, o balanço de emissões pode se tornar neutro ou até mesmo negativo (PINTO et al., 2016). Em contraste, a pegada de carbono do etanol de cana-de-açúcar no Brasil, já considerada baixa, é de aproximadamente 0,389 kg CO₂eq/L, enquanto a do etanol de milho norte-americano é superior (EPE, 2023). O potencial das algas para superar esses números é, portanto, um forte atrativo.

Potencial de integração com outras indústrias.

A versatilidade das algas permite uma notável integração com outras cadeias produtivas, fortalecendo o conceito de biorrefinaria e economia circular. Nos quais pode-se citar:

Tratamento de Efluentes: O cultivo de algas pode ser integrado a estações de tratamento de esgoto (ETEs) ou ao tratamento de efluentes agroindustriais, como a vinhaça da própria indústria sucroalcooleira. As algas utilizam os nutrientes presentes nesses efluentes, como nitrogênio e fósforo, para seu crescimento, promovendo a biorremediação da água e, ao mesmo tempo, reduzindo os custos com fertilizantes para o cultivo (PINTO et al., 2016). Um exemplo notável no Brasil é a patente da Sanepar, no estado do Paraná, para a produção de etanol a partir de algas cultivadas em lagoas de tratamento de esgoto.
Captura de CO₂: A produção de etanol de algas pode ser sinergicamente acoplada a indústrias que emitem grandes quantidades de dióxido de carbono, como termoelétricas e cimenteiras. O CO₂ emitido pode ser injetado nos sistemas de cultivo das algas, que o utilizarão como fonte de carbono para a fotossíntese (COSTA; FREITAS; MORAIS, 2023). Essa biofixação de carbono não só aumenta a produtividade da biomassa algal, mas também contribui para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa.

Essa capacidade de integração demonstra que o potencial das algas verdes vai além da produção de biocombustíveis, posicionando-se como uma plataforma biotecnológica para a geração de múltiplos produtos e serviços ambientais.

7. Aspectos Econômicos e Ambientais (João)

Custo de produção estimado.

A produção de etanol a partir de diversas origens é uma área amplamente pesquisada e em constante desenvolvimento. Entretanto, no contexto atual, a análise comparativa entre o etanol de algas verdes e os biocombustíveis de primeira e segunda geração revela uma disparidade significativa entre os custos de produção. Embora o etanol proveniente de algas verdes seja considerado promissor, ainda apresenta um custo elevado quando comparado às demais gerações. Estima-se um valor de R$87,83 por grama de etanol, com tempo de recuperação do investimento de 1,83 anos. Esse cálculo, contudo, refere-se apenas à etapa de fotofermentação, não representando o custo total do processo de produção (LOPES, 2017). Em contrapartida, o etanol de primeira geração apresenta um custo de produção de US$0,22/L no Brasil (VIEGAS, 2010). A elevada produtividade e a otimização das matérias-primas utilizadas tornam essa geração mais viável economicamente em relação às demais (PACHECO, 2011). De modo semelhante, o etanol de segunda geração, embora utilize matérias-primas mais benéficas ao meio ambiente quando comparado à primeira geração, possui um custo aproximado de R$1,50/L (CNPEM, 2017). No entanto, projeções apontam para a redução desse valor ao longo dos anos: a Agência FAPESP (2017) prevê que o custo chegue a R$0,52/L até 2030, indicando um potencial de maior competitividade em relação ao etanol de primeira geração (PACHECO, 2011). Dessa forma, o etanol de algas verdes ainda se configura como uma alternativa economicamente inviável quando comparado tanto aos biocombustíveis de primeira geração quanto aos de segunda geração. Para que alcance competitividade em larga escala, são necessários avanços tecnológicos significativos.

Análise do ciclo de vida (LCA).

A Análise do Ciclo de Vida (LCA) é utilizada para avaliar os impactos causados por um produto ou processo ao longo de suas etapas (PEREIRA, 2017). No contexto abordado, a análise de LCA permite identificar pontos importantes para que seja possível a melhoria no quesito ambiental. Os estudos de LCA sobre a produção de etanol a partir de algas verdes têm foco em diversos aspectos incluídos no processo, como o consumo de energia, emissão de gases e geração de resíduos (RAMALHO, PRADO e KRAMER, 2018). Mesmo que as algas apresentem vantagens quando utilizadas como matéria prima em relação a outras gerações de biocombustíveis, etapas do processo de cultivo, colheita, secagem e processamento da biomassa demandam um custo energético significativo, e assim geram emissões (SCHMITZ, MAGRO e COLLA, 2012). Para que o uso de algas na produção do etanol seja benéfico para o ambiente, a LCA sugere a junção do processo de produção das algas com outros sistemas, como o tratamento de águas residuais e a captura de CO2 de fontes industriais(SOUZA, GOPAL e SEABRA, 2015). Essa junção pode ocasionar em uma redução das emissões de gases efeito estufa . A escolha das algas, os métodos utilizados para cultivo e processamento também são fatores cruciais nos resultados da LCA, que busca aprimorar os processos para que o etanol de algas seja uma alternativa ambientalmente viável em comparação a combustíveis fósseis.

Redução de emissões de gases de efeito estufa.

Um fator que chama atenção na produção de etanol a partir de algas verdes é a possibilidade de uma grande redução das emissões de gases efeito estufa. Durante o crescimento das algas, no processo de fotossíntese, é consumido dióxido de carbono (CO2), podendo ser da atmosfera ou de fontes concentradas, assim atuando como sumidouros(SILVEIRA, 2023). A partir dessa característica de capturar CO2 para seu crescimento, é aberta uma oportunidade de integração com grandes indústrias geradoras de CO2, dessa maneira, a utilização do CO2 para o crescimento das algas abre uma oportunidade para mitigar as emissões desse gás para a atmosfera. Além disso, quando queimado, o etanol de algas libera CO2 previamente capturado pelas algas, resultando em um ciclo de carbono mais saudável para o meio ambiente quando comparado com o ciclo de carbono criado pela queima de combustíveis fósseis.

Uso de áreas não competidoras com agricultura.

Uma grande vantagem da produção de etanol a partir de algas verdes é a capacidade de produção em áreas que não competem com a agricultura por terras férteis e água doce (REVISTA AMAZÔNIA, 2024). Diferente de outras gerações dos biocombustíveis como a cana-de-açúcar, as algas podem ser cultivadas em ambientes não adequados para a agricultura convencional (COMPRERURAL,2025). A grande variedade de ambientes em que as fazendas de algas podem ser instaladas como em fotobiorreatores fechados ou áreas costeiras e marinhas, contribui de forma positiva para evitar o desmatamento e degradação do solo, que são problemas encontrados na produção dos biocombustíveis de gerações anteriores.

8. Perspectivas Futuras e Tendências (Tayna e Blauth)

Melhoria genética e engenharia metabólica das algas.

A busca pelo melhoramento genético das algas foi avançando e se desenvolvendo ao longo dos anos. As microalgas (algas unicelulares de pequeno tamanho) podem ser transformadas a partir de técnicas de DNA recombinante, com o objetivo de se obter maior rendimento do metabólito alvo. Na figura * é possível entender alguns dos métodos de transformação mais relevantes para a alteração da composição genética das microalgas (SREENIKETHANAM et al., 2022).

Figura *: Vantagens e desvantagens dos métodos de transformação utilizados na engenharia genética de algas.

Fonte: Artigo “Genetic Engineering of Microalgae for Secondary Metabolite Production: Recent Developments, Challenges, and Future Prospects”.

Os biocombustíveis de quarta geração são produzidos a partir de algas geneticamente modificadas, a fim de se obter maior quantidade de biomassa. A partir de tal tecnologia as algas podem ser cultivadas em biorreatores especiais que contém nutrientes, CO2 ( presente no ar ou o encontrado em usinas de gás) e materiais biodegradáveis. Diante disso, percebe-se a busca pelo aprimoramento na produção de biocombustíveis, visto que há uma melhoria no cultivo das algas ( CHANDRASEKHAR et al., 2023).

Vale ressaltar que a engenharia metabólica atua significativamente na produção de combustíveis e pode evoluir dentro de abordagens diversas, como a retirada racional de genes, expressão de genes heterólogos e ferramentas que conseguem controlar a expressão gênica (DASGUPTA et al., 2020).

Desenvolvimento de novos reatores mais eficientes.

A partir do século XX foram encontradas diversas formas de cultivo de microalgas, sendo um deles os fotobiorreatores fechados (PBRs). Sob esse viés, tal sistema abordado é um reator em que microrganismos fototróficos são utilizados para proporcionar uma reação fotobiológica. Por conta do risco da contaminação por fungos, bactérias ou a competição entre espécies, muitas microalgas não podem permanecer em sistemas abertos ( como lagos profundos). Com isso, os PBRs possibilitam vantagem por oferecerem um menor contato com gases e contaminantes (poeira ou microrganismos), visto que o sistema é fechado. A classificação dos fotobiorreatores se dá pelo design e a madeira de funcionamento. O design pode ser dividido da seguinte forma:

Plana ou tubular;
Horizontal, inclinado, espiral ou vertical;
Serpentina ou tubos distribuídos.

A operação tem como classificação:

Bombeamento de ar ou mistura por bomba;
Reatores monofásicos ou de duas fases.

Também é possível classificar o tipo de material usado. São eles:

vidro ou plástico;
PRB rígido ou maleável.

Os fotobiorreatores planos proporcionam o controle de irradiação na cultura de algas. Dito isso, são usados painéis planos que permitem a regulagem dos ângulos dependendo da latitude e estação que eles se encontram. Os painéis alveolares planos e os de vidro foram estudados, a fim de se obter maior eficiência na produção das algas. Diante disso, percebeu-se que os vidros demonstraram um nível superior em relação aos painéis alveolares, porém apresenta alto custo e fragilidade.

Entre os fotobiorreatores tubulares temos na forma de serpentina no qual há uma ligação de tubos transparentes em série formando uma área plana, podendo ser usada de forma vertical ou horizontal, helicoidal que possui tubos flexíveis enrolados numa estrutura vertical e os de feixe de tubos (Manifold) que apresenta dois coletores ligados nas extremidades de tubos alinhados paralelamente. (FORTES, 2015).

Acoplamento com energia solar e eólica para autossuficiência energética

Recentemente, pesquisadores em todo o mundo têm se dedicado a explorar métodos de otimização da produção de E3G. Embora haja esses esforços, ainda persistem obstáculos que precisam ser superados para tornar a produção mais economicamente atraente (VANDENBERGHE et al., 2022). Uma possível estratégia adicional para reduzir os custos do processo envolve aproveitar o resíduo da biomassa utilizada na produção de etanol para obter subprodutos de valor agregado. Entretanto, o acoplamento de energia solar e eólica para alcançar a autossuficiência energética na produção de etanol a partir de algas verdes representa um conceito de vanguarda, unindo bioenergia de segunda geração com energias renováveis intermitentes. É um sistema complexo, mas com um potencial enorme para criar um ciclo verdadeiramente sustentável e carbono-negativo. Os principais benefícios envolvendo a acoplagem de energia luminosa e eólica para promoção de autossuficiência sucroenergética são:

Papel da Energia Solar Fotovoltaica (ESF):

Alimentação de Bombas e Misturadores: Fornece a energia elétrica para as bombas que circulam a cultura nos tanques raceways ou nos fotorreatores.
Desidratação com Energia Solar Térmica: Esta é a aplicação de maior impacto. Sistemas de secagem solar de baixo custo (como estufas solares ou coletores solares térmicos) podem ser usados para pré-secar a biomassa algal antes da etapa final de centrifugação, reduzindo drasticamente o consumo elétrico do processo de colheita.
Iluminação Artificial Complementar: Em sistemas internos ou para maximizar a produtividade, LEDs alimentados por energia solar.

Papel da Energia Eólica:

Fornecimento de Energia de Base Contínua: O processo de cultivo (agitação, aeração) e colheita (centrifugação) precisa operar 24 horas por dia em todos os dias anuais. A eólica, com seu perfil de geração noturno, garante a operação contínua sem a necessidade de comprar energia cara da rede.

Aeração Mecânica: Compressores de ar para aerar os tanques de cultivo podem ser acionados diretamente por energia eólica, economizando conversões de energia.

Avanços em pré-tratamento e fermentação

O etanol de terceira geração (E3G), produzido a partir de algas, apresenta grande potencial, mas sua produção em escala comercial ainda enfrenta desafios tecnológicos. Avanços em pré-tratamento e fermentação são cruciais para otimizar esse processo. O pré-tratamento visa tornar a biomassa algal mais acessível à conversão em açúcares, enquanto a fermentação utiliza microrganismos para transformar esses açúcares em etanol.

Alguns fatores ambientais como, intensidade da luz, pH, temperatura e a salinidade podem influenciar a composição bioquímica das microalgas. Além disso, os fatores nutricionais que podem ser alterados são a disponibilidade e o tipo de nitrogênio, carbono, fósforo, presença de cianobactérias, fungos etc. A engenharia de microalgas também é uma alternativa promissora para aumentar a produção de biocombustíveis, através do aumento da produtividade da biomassa e o acúmulo de carboidratos. Explicadamente, à respeito do desenvolvimento do processo de fermentação, nota-se o seguinte conjunto: após o processo de hidrólise, os monômeros que foram disponibilizados precisam ser fermentados para produzir o bioetanol ou outro produto de interesse. Isso pode ser feito usando leveduras específicas que utilizam os açúcares redutores da biomassa de microalgas, ou por meio de microalgas geneticamente modificadas que produzem diretamente o etanol. As rotas de fermentação para os polissacarídeos das microalgas são semelhantes às usadas na produção de amido, o que facilita a implementação em grande escala. Existem dois tipos de fermentação de levedura: sacarificação simultânea e sacarificação e fermentação separadas. Na sacarificação e fermentação separadas, a biomassa de microalgas é hidrolisada em glicose e é fermentada em unidades separadas, enquanto na sacarificação simultânea ocorre em uma única etapa. A sacarificação e fermentação separadas são vantajosas devido ao baixo custo de produtos químicos, curta duração e simplicidade para aplicação em grande escala. Já a sacarificação simultânea requer menos etapas e resulta em maiores rendimentos de bioetanol. As leveduras do gênero Saccharomyces e as bactérias do gênero Zymomonas são amplamente utilizadas nesses processos. A S. cerevisiae tem sido usada historicamente na produção de bebidas alcoólicas devido à sua eficiência em converter açúcares em etanol. As microalgas são uma fonte potencial de substratos fermentáveis, podendo ser fermentadas diretamente ou após pré-tratamento devido aos altos níveis de compostos de carbono em sua composição. Os mesmos processos podem ser usados para fermentar os monossacarídeos de macroalgas. As macroalgas possuem monossacarídeos específicos que são fermentados por rotas específicas, exigindo o uso de biocatalisadores específicos, o que aumenta os custos e pode inviabilizar o processo. As macroalgas contêm frações de manitol e laminarina que são removidas e fermentadas por microrganismos específicos. Essas frações de monossacarídeos específicos não estão presentes nas microalgas, o que confere uma vantagem às macroalgas. No entanto, é necessário otimizar os processos de fermentação total das frações de carboidratos das macroalgas (alginato, laminarina e manitol) para converter em etanol com alto rendimento e produtividade. Essa otimização pode ser alcançada por meio do desenvolvimento de microrganismos capazes de atuar em todas as frações de substratos, mas ainda há a necessidade de avanços tecnológicos para implementar a produção em larga escala e atingir o objetivo de biorrefinaria, ou seja, a utilização total da fração de macroalgas. Essa otimização do processo pode resultar em maior rendimento e concentração de etanol a partir das estratégias mencionadas, como mudanças nas culturas para obter biomassa de micro ou macroalgas com alto teor de carboidratos. Isso possibilita a geração de hidrolisados com alto teor de açúcares redutores, utilizando enzimas que atuam em todos os polissacarídeos presentes na biomassa. Após a geração desses açúcares fermentáveis, diferentes leveduras podem aumentar os rendimentos de conversão (FERREIRA DE BRITO SILVEIRA, V).

9. Conclusão (João)

Síntese do potencial tecnológico e limitações.

O etanol produzido a partir de algas verdes se apresenta como uma alternativa promissora no cenário dos biocombustíveis, em razão de seus benefícios ambientais, elevado potencial produtivo, capacidade de reduzir emissões de gases de efeito estufa e por não competir com áreas agrícolas destinadas à produção de alimentos (LOPES et al., 2017). Assim, apresenta diversas vantagens em relação às gerações anteriores. Contudo, ainda existem limitações significativas para sua implementação, como o elevado custo de produção, o alto consumo energético em etapas como a secagem das algas e a escassez de estudos e tecnologias abrangendo todo o processo. Esses fatores resultam em entraves que inviabilizam, por ora, sua aplicação em larga escala.

Viabilidade em médio e longo prazo.

Quando considerado em períodos de médio e longo prazo, o cenário da produção de etanol a partir de algas verdes torna-se mais promissor e viável, pois avanços tecnológicos podem favorecer sua competitividade econômica em relação às gerações anteriores. Em um contexto de desenvolvimento de tecnologias que reduzam os custos em etapas como cultivo, colheita e processamento, aliado ao melhoramento genético das algas, esse biocombustível poderia se tornar economicamente competitivo. Além disso, por apresentar vantagens significativas ao meio ambiente e elevado potencial de produtividade, o etanol de algas poderia configurar-se como uma alternativa mais atrativa para as grandes indústrias.

Importância da atuação do engenheiro químico na inovação e viabilização econômica do processo.

O engenheiro químico desempenha um papel fundamental na viabilização do processo de produção do biocombustível a partir de algas verdes, uma vez que sua área de atuação abrange o desenvolvimento e aprimoramento de novos biorreatores, a gestão e o aproveitamento de resíduos, a otimização de técnicas de separação, ruptura celular e hidrólise, além da concepção de métodos de cultivo mais eficientes e de baixo custo. Também é responsabilidade desse profissional integrar todas essas etapas em processos de larga escala voltados para as indústrias. Dessa forma, os engenheiros químicos são profissionais essenciais para transformar o potencial dessa geração de biocombustíveis em uma futura realidade industrial sustentável e economicamente viável.

10. Referências

CARVALHO, A. P.; MEIRELES,L. A.; MALCATA, F. X. Microalgal reactors: a review of enclosed system designs and performances. Biotechnology Process, v. 22, p. 1490-1506, 2006.

CHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, v. 25, n. 3, p. 294-306, 2007.

COSTA, J. A. V.; FREITAS, B. C. B. de; MORAIS, M. G. de. Microalgas e a produção de energia de baixo carbono: uma alternativa sustentável aos combustíveis fósseis. Latin American Journal of Energy Research, v. 10, n. 1, p. 1-20, 2023.

COSTA, Jorge Alberto Vieira; MORAIS, Michele Greque de. Cultivo de microalgas. In: COSTA, Jorge Alberto Vieira; MORAIS, Michele Greque de (org.). Biocombustíveis a partir de microalgas. São Paulo: Editora Blucher, 2021. p. 45-78.

EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (EPE). Balanço Energético Nacional 2023: Ano base 2022. Rio de Janeiro: EPE, 2023.

FOGLER, H. S. Elementos de Engenharia das Reações Químicas. 5. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2016.

HARUN, Razack et al. Process engineering of aquaculture production of microalgae for biofuels. Brazilian Journal of Chemical Engineering, São Paulo, v. 27, n. 2, p. 1-13, abr./jun. 2010

JIMÉNEZ, C.; COSSIO, B.; LABELLA, D.; NIELL, F. X. The feasibility of industrial production of Spirulina (Arthrospira) in Southern Spain. Aquaculture, v. 217, p. 179-190, 2003.

LOURENÇO, S. O. Cultivo de Microalgas Marinhas – Princípios e Aplicações – São Carlos: RiMa, 2006. 588p.

MOREIRA, Davi M.; DA SILVA, João Bosco. Desafios e oportunidades na produção de bioetanol de terceira geração a partir de microalgas no Brasil: uma revisão. Revista Brasileira de Energias Renováveis, Curitiba, v. 11, n. 1, p. 150-175, 2022.

MOREIRA, Juliana Botelho. Engenharia de microalgas para concepção de uma biorrefinaria utilizando CO2 como fonte de carbono. 2014. Dissertação – Escola de Química e Alimentos, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, 2014.

OGBONNA, J. C.; TANAKA, H. Light requirement and photosynthetic cell cultivation: development of proceses for efficient light utilization in photobioreactors. Journal of Applied Phycology. v. 12, p. 201 – 207, 2000.

PÉREZ-GARCÍA, O.; ESCALANTE, F. M. E.; DE-BASHAN, L. E.; BASHAN, Y. Heterotrophic cultures of microalgae: Metabolism and potential products. Water Research, v. 45, n. 1, p. 11-36, 2011.

PERRY, R. H.; GREEN, D. W. (ed.). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 9th ed. New York: McGraw-Hill, 2019.

PINTO, G. A. S. et al. Produção de Bioetanol Utilizando Microalgas: Uma Revisão. Semina: Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 37, n. 2, p. 161-174, jul./dez. 2016.

SEADER, J. D.; HENLEY, E. J.; ROPER, D. K. Separation Process Principles. 3rd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011.

SEIDER, W. D. et al. Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Evaluation. 4th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2017.

TOWLER, G.; SINNOTT, R. Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013.

TREDICI, M. Mass production of microalgae: phtotobioreactors. In RICHMOND, A. Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology. England: Blackwell Publishing, p. 178-214, 2004

TURTON, R. et al. Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes. 5th ed. Boston: Pearson, 2018.

SILVELLO, M. A. et al. Microalgae-based carbohydrates: A green innovative source of bioenergy. In: Bioresource Technology. v. 341, p. 125564, 2021.

UEDA, R.; HIRANO, A.; HIRAYAMA, S.; OGUISHI, Y. Effects of CO₂ concentrations on the freshwater microalgae Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella pyrenoidosa and Scenedesmus obliquus. Journal of Applied Phycology, v. 8, n. 3, p. 295–300, 1996.

CHEN, H.; ZHOU, D.; LUO, G.; ZHANG, S.; CHEN, J. Macroalgae for biofuels production: Progress and perspectives. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. v. 47, p. 427–437, 2015.

AL ABDALLAH, Q.; NIXON, B. T.; FORTWENDEL, J. R. The enzymatic conversion of major algal and cyanobacterial carbohydrates to bioethanol. Frontiers in Energy Research, v. 4, p. 1-13, 2016. DOI: 10.3389/fenrg.2016.00036.

HO, S. H.; YE, X.; HASUNUMA, T.; CHANG, J. S.; KONDO, A. Perspectivas sobre estratégias de engenharia para melhorar a produção de biocombustíveis a partir de microalgas — uma revisão crítica. In: Biotechnology Advances. v. 32, p. 1448–1459, 2014.

CHISTI, Y. Biodiesel de microalgas. In: Biotechnology Advances. v. 25, n. 3, p. 294–306, 2007.

HUESEMANN, M. H.; VAN WAGENEN, J.; MILLER, T.; CHAVIS, A.; HOBBS, S.; CROWE, B. Um modelo de triagem para prever o crescimento da biomassa de microalgas em fotobiorreatores e lagoas de drenagem. In: Biotechnology and Bioengineering. v. 110, p. 1583–1594, 2013.

OLIVEIRA, Aila Vitória de. Algas como fonte alternativa de proteínas e outros nutrientes para a alimentação humana: do cultivo à aplicação. 2022. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Nutrição) – Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Medicina, Uberlândia, 2022.

FORTES, Mariana Monteiro. Fotobiorreatores para o cultivo de microalgas destinadas à produção de biodiesel. 2015. Tese (Doutorado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos) – Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2015.

DASGUPTA, A.; CHOWDHURY, N.; DE, R. K. Metabolic pathway engineering: Perspectives and applications. In: Computer Methods and Programs in Biomedicine. v. 192, p. 105436, 2020.

CHANDRASEKHAR, T. et al. Algae: The Reservoir of Bioethanol. In: Fermentation. v. 9, n. 8, p. 712, 2023. DOI: 10.3390/fermentation9080712.

SREENIKETHANAM, A. et al. Genetic engineering of microalgae for secondary metabolite production: recent developments, challenges, and future prospects. In: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. v. 10, p. 836056, 2022.

KHAN, M. I.; SHIN, J. H.; KIM, J. D. The promising future of microalgae: current status, challenges, and optimization of a sustainable and renewable industry for biofuels, feed, and other products. In: Microbial Cell Factories. v. 17, n. 1, p. 1-21, 2018. DOI: 10.1186/s12934-018-0879-x.

OZKURT, Ibrahim. Qualifying of safflower and algae for energy. Energy Education Science and Technology. Part A: Energy Science and Research, v. 23, p. 145–151, 2009.

SAKARIKA, M. et al. Effect of pH on growth and lipid accumulation kinetics of Chlorella vulgaris under sulfur limitation. In: Bioresource Technology. v. 222, p. 259–267, 2016. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.09.015.

SILVA, Marcos Vinícius da. Produção de hidrogênio e etanol por microalgas: aspectos bioquímicos e tecnológicos. 2015. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Bioprocessos) – Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Química, Uberlândia, 2015.

BARRILLI, Évelyn Taize. Metabolismo de monossacarídeos de biomassa algal por linhagens de leveduras isoladas de alga verde. 2019. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária) – Universidade Federal da Fronteira Sul, Campus Chapecó, Chapecó, 2019.

COSTA, Rosangela Lúcio. Produção de hidrogênio e etanol a partir da alga verde Chlamydomonas reinhardtii. 2014. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2014.

YU, J.; GUO, W.; HU, Z.; LI, P.; ZHANG, Z.; CHENG, J.; SONG, C.; YE, Q. Flue gas CO₂ supply methods for microalgae utilization: A review. Clean Energy Science and Technology, v. 1, n. 2, p. 78, 2023.

FRONTIERS. Microalgae: promising solutions paving the way toward a greener future. Frontiers in Energy Research, 2017.

LOPES, E. P. B.; SANTOS, D. A.; SANTOS, G. A.; SOUZA, I. T.; BATISTA, F. R. X. Análise da Viabilidade Econômica do Processo de Síntese de Etanol por Microalgas. In: XII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica, 2017, São Carlos.

PACHECO, T. F. Produção de Etanol: Primeira ou Segunda Geração? Circular Técnica, Embrapa Agroenergia, Brasília, DF, n. 4, abr. 2011.

VIEGAS, R. C. Etanol: primeira ou segunda geração? Artigo Técnico. 2010.

CNPEM. Etanol de segunda geração tem menor custo. Notícias, 5 set. 2017.

Agência FAPESP. Etanol de segunda geração poderá ser economicamente viável a partir de 2025. Notícias, 28 set. 2017.

RAMALHO, A. M.; PRADO, M. R.; KRAMER, R. D. Avaliação do ciclo de vida da produção de ésteres etílicos utilizando mix algal com predominância da alga Chlorella sp. em escala laboratorial. 2018.

SANTOS, Gabriela Aparecida. Prospecção do uso de microalgas na síntese de etanol. 2018. 40 f. Monografia (Graduação em Engenharia Química) – Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018.

SCHMITZ, R.; MAGRO, C. D.; COLLA, L. M. Aplicações ambientais de microalgas. Revista CIATEC-UPF, v. 4, n. 1, p. 1-10, 2012.

SOUZA, S. P.; GOPAL, A. R.; SEABRA, J. E. A. Life cycle assessment of biofuels from an integrated Brazilian algae-sugarcane biorefinery. Energy, v. 86, p. 556-566, 2015.

REVISTA AMAZÔNIA. Etanol de terceira geração: o futuro sustentável dos biocombustíveis. 2024.

COMPRERURAL. Combustível do futuro? Biodiesel de algas ganha espaço na produção rural. 2025.

SILVEIRA, V. F. B. Formas alternativas de se produzir etanol: uma análise sobre o etanol de primeira, segunda e terceira geração. 2023. Monografia (Graduação em Engenharia Química) – Faculdade de Engenharia Química, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023.

PEREIRA, P. H. S. Dimensionamento e avaliação do ciclo de vida (ACV) da produção de biodiesel por microalgas cultivadas em vinhaça em uma usina sucroalcooleira. 2017. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2017.