Combustível de algas - Algae fuel

Um frasco cônico de combustível "verde" feito de algas

Combustível de algas , biocombustível de algas ou óleo de algas é uma alternativa aos combustíveis fósseis líquidos que usam algas como fonte de óleos ricos em energia. Além disso, os combustíveis de algas são uma alternativa às fontes de biocombustíveis comumente conhecidas, como milho e cana-de-açúcar. Quando feito de algas marinhas (macroalgas), pode ser conhecido como combustível de algas marinhas ou óleo de algas marinhas .

Várias empresas e agências governamentais estão financiando esforços para reduzir os custos de capital e operacionais e tornar a produção de combustível de algas comercialmente viável. Como o combustível fóssil, o combustível de algas libera CO
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quando queimado, mas ao contrário do combustível fóssil, o combustível de algas e outros biocombustíveis liberam apenas CO
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recentemente removido da atmosfera por meio da fotossíntese, à medida que a alga ou planta crescia. A crise energética e a crise mundial de alimentos despertaram o interesse pela algacultura (cultivo de algas) para a produção de biodiesel e outros biocombustíveis em terras impróprias para a agricultura. Entre as características atrativas dos combustíveis de algas estão que eles podem ser cultivados com impacto mínimo sobre os recursos de água doce , podem ser produzidos usando solução salina e água residual , têm um alto ponto de fulgor e são biodegradáveis e relativamente inofensivos para o meio ambiente se derramados. As algas custam mais por unidade de massa do que outras culturas de biocombustíveis de segunda geração devido aos altos custos operacionais e de capital, mas afirma-se que produzem entre 10 e 100 vezes mais combustível por unidade de área. O Departamento de Energia dos Estados Unidos estima que, se o combustível de algas substituísse todo o combustível de petróleo nos Estados Unidos, seriam necessários 15.000 milhas quadradas (39.000 km 2 ), o que é apenas 0,42% do mapa dos EUA, ou cerca de metade da área terrestre do Maine . Isso é menos de 17 da área de milho colhida nos Estados Unidos em 2000.

O chefe da Algal Biomass Organization afirmou em 2010 que o combustível de algas poderia atingir a paridade de preço com o petróleo em 2018 se concedidos créditos fiscais de produção . No entanto, em 2013, o presidente e CEO da Exxon Mobil , Rex Tillerson, disse que depois de se comprometer a gastar até $ 600 milhões em 10 anos no desenvolvimento de uma joint venture com a Synthetic Genomics da J. Craig Venter em 2009, a Exxon desistiu após quatro anos ( e $ 100 milhões) quando percebeu que o combustível de algas está "provavelmente mais longe" de 25 anos de sua viabilidade comercial. Em 2017, Synthetic Genomics e ExxonMobil relataram um avanço na pesquisa conjunta em biocombustíveis avançados. A descoberta foi que eles conseguiram dobrar o conteúdo de lipídios (de 20% em sua forma natural para 40-55%) em uma cepa geneticamente modificada de Nannochloropsis gaditana . Por outro lado, Solazyme , Sapphire Energy e Algenol , entre outros, começaram a venda comercial de biocombustível de algas em 2012 e 2013 e 2015, respectivamente. Em 2017, a maioria dos esforços foi abandonada ou alterada para outros aplicativos, com apenas alguns restantes.

História

Em 1942, Harder e Von Witsch foram os primeiros a propor que as microalgas fossem cultivadas como fonte de lipídios para alimentação ou combustível. Após a Segunda Guerra Mundial, as pesquisas começaram nos Estados Unidos, Alemanha, Japão, Inglaterra e Israel sobre técnicas de cultivo e sistemas de engenharia para o cultivo de microalgas em escalas maiores, particularmente espécies do gênero Chlorella . Enquanto isso, HG Aach mostrou que Chlorella pyrenoidosa poderia ser induzida por meio da privação de nitrogênio a acumular até 70% de seu peso seco como lipídeos. Como a necessidade de combustível alternativo para transporte diminuiu após a Segunda Guerra Mundial, a pesquisa, nessa época, se concentrou no cultivo de algas como fonte de alimento ou, em alguns casos, para tratamento de águas residuais.

O interesse na aplicação de algas para biocombustíveis foi reacendido durante o embargo do petróleo e a alta do preço do petróleo na década de 1970, levando o Departamento de Energia dos Estados Unidos a iniciar o Programa de Espécies Aquáticas em 1978. O Programa de Espécies Aquáticas gastou US $ 25 milhões em 18 anos com a meta de desenvolver combustível de transporte líquido a partir de algas que seriam competitivos em preço com os combustíveis derivados do petróleo. O programa de pesquisa se concentrou no cultivo de microalgas em lagoas abertas ao ar livre, sistemas de baixo custo, mas vulneráveis ​​a distúrbios ambientais, como oscilações de temperatura e invasões biológicas. 3.000 cepas de algas foram coletadas em todo o país e selecionadas para propriedades desejáveis, como alta produtividade, teor de lipídios e tolerância térmica, e as cepas mais promissoras foram incluídas na coleção de microalgas SERI no Solar Energy Research Institute (SERI) em Golden, Colorado e usado para pesquisas futuras. Entre as descobertas mais significativas do programa estavam que o crescimento rápido e a alta produção de lipídios eram "mutuamente exclusivos", uma vez que o primeiro exigia altos nutrientes e o segundo, baixos nutrientes. O relatório final sugeriu que a engenharia genética pode ser necessária para superar esta e outras limitações naturais das linhagens de algas, e que as espécies ideais podem variar com o local e a estação. Embora tenha sido demonstrado com sucesso que a produção em grande escala de algas para combustível em lagoas externas era viável, o programa falhou em fazê-lo a um custo que seria competitivo com o petróleo, especialmente porque os preços do petróleo despencaram na década de 1990. Mesmo no melhor cenário, estimou-se que o óleo de algas não extraído custaria $ 59-186 por barril, enquanto o petróleo custava menos de $ 20 por barril em 1995. Portanto, sob pressão orçamentária em 1996, o Programa de Espécies Aquáticas foi abandonado.

Outras contribuições para a pesquisa de biocombustíveis de algas vieram indiretamente de projetos com foco em diferentes aplicações de culturas de algas. Por exemplo, na década de 1990, o Instituto de Pesquisa de Tecnologia Inovadora para a Terra (RITE) do Japão implementou um programa de pesquisa com o objetivo de desenvolver sistemas para corrigir CO
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usando microalgas. Embora o objetivo não fosse a produção de energia, vários estudos produzidos pela RITE demonstraram que as algas podem ser cultivadas usando gás de combustão de usinas de energia como um CO
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fonte, um desenvolvimento importante para a pesquisa de biocombustíveis de algas. Outros trabalhos com foco na coleta de gás hidrogênio, metano ou etanol de algas, bem como suplementos nutricionais e compostos farmacêuticos, também ajudaram a informar a pesquisa sobre a produção de biocombustíveis a partir de algas.

Após a dissolução do Programa de Espécies Aquáticas em 1996, houve uma relativa calmaria na pesquisa de biocombustíveis de algas. Ainda assim, vários projetos foram financiados nos Estados Unidos pelo Departamento de Energia , Departamento de Defesa , Fundação Nacional de Ciência , Departamento de Agricultura , Laboratórios Nacionais , financiamento estadual e financiamento privado, bem como em outros países. Mais recentemente, o aumento dos preços do petróleo na década de 2000 estimulou um renascimento do interesse em biocombustíveis de algas e o financiamento federal dos EUA aumentou, vários projetos de pesquisa estão sendo financiados na Austrália, Nova Zelândia, Europa, Oriente Médio e outras partes do mundo, e uma onda de empresas privadas entrou no campo (veja Empresas ). Em novembro de 2012, a Solazyme and Propel Fuels fez as primeiras vendas no varejo de combustível derivado de algas e, em março de 2013, a Sapphire Energy iniciou as vendas comerciais de biocombustível de algas para a Tesoro .

Suplementação Alimentar

O óleo de algas é utilizado como fonte de suplementação de ácidos graxos em produtos alimentícios, pois contém gorduras mono e poliinsaturadas , principalmente EPA e DHA . Seu conteúdo de DHA é aproximadamente equivalente ao do óleo de peixe à base de salmão .

Combustíveis

As algas podem ser convertidas em vários tipos de combustíveis, dependendo da técnica e da parte das células utilizadas. O lipídio , ou parte oleosa da biomassa de algas, pode ser extraído e convertido em biodiesel por meio de um processo semelhante ao usado para qualquer outro óleo vegetal, ou convertido em uma refinaria em substitutos "drop-in" para combustíveis à base de petróleo. Alternativamente ou após a extração de lipídios, o conteúdo de carboidratos das algas pode ser fermentado em bioetanol ou combustível de butanol .

Biodiesel

O biodiesel é um combustível diesel derivado de lipídios animais ou vegetais (óleos e gorduras). Estudos mostram que algumas espécies de algas podem produzir 60% ou mais de seu peso seco na forma de óleo. Como as células crescem em suspensão aquosa, onde têm acesso mais eficiente à água, o CO
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e nutrientes dissolvidos, as microalgas são capazes de produzir grandes quantidades de biomassa e óleo utilizável em tanques de algas de alta taxa ou fotobiorreatores . Esse óleo pode então ser transformado em biodiesel, que pode ser vendido para uso em automóveis. A produção regional de microalgas e o processamento em biocombustíveis proporcionarão benefícios econômicos às comunidades rurais.

Como não precisam produzir compostos estruturais como celulose para folhas, caules ou raízes, e porque podem ser cultivadas flutuando em um meio nutritivo rico, as microalgas podem ter taxas de crescimento mais rápidas do que as culturas terrestres. Além disso, eles podem converter uma fração muito maior de sua biomassa em óleo do que as culturas convencionais, por exemplo, 60% contra 2-3% para soja. O rendimento por unidade de área de óleo de algas é estimado em 58.700 a 136.900 L / ha / ano, dependendo do teor de lipídios, que é de 10 a 23 vezes maior do que a próxima safra de maior rendimento, o dendê, com 5 950 L / ha / ano.

O Programa de Espécies Aquáticas do Departamento de Energia dos EUA , 1978–1996, focou no biodiesel de microalgas. O relatório final sugeriu que o biodiesel poderia ser o único método viável de produzir combustível suficiente para substituir o atual uso mundial de diesel. Se o biodiesel derivado de algas substituísse a produção global anual de 1,1 bilhão de toneladas de diesel convencional, seria necessária uma massa de terra de 57,3 milhões de hectares, o que seria altamente favorável em comparação com outros biocombustíveis.

Biobutanol

O butanol pode ser feito de algas ou diatomáceas usando apenas uma biorrefinaria movida a energia solar . Esse combustível tem uma densidade de energia 10% menor que a da gasolina e maior que a do etanol ou do metanol . Na maioria dos motores a gasolina, o butanol pode ser usado no lugar da gasolina sem modificações. Em diversos testes, o consumo de butanol é semelhante ao da gasolina e, quando misturado à gasolina, apresenta melhor desempenho e resistência à corrosão do que o etanol ou o E85 .

Os resíduos verdes que sobram da extração do óleo de algas podem ser usados ​​para produzir butanol. Além disso, foi demonstrado que macroalgas (algas marinhas) podem ser fermentadas por bactérias do gênero Clostridia em butanol e outros solventes. A transesterificação do óleo de algas (em biodiesel) também é possível com espécies como Chaetomorpha linum , Ulva lactuca e Enteromorpha compressa ( Ulva ).

As seguintes espécies estão sendo investigadas como espécies adequadas para produzir etanol e / ou butanol :

Biogasolina

A biogasolina é a gasolina produzida a partir de biomassa . Como a gasolina tradicionalmente produzida, ela contém entre 6 ( hexano ) e 12 ( dodecano ) átomos de carbono por molécula e pode ser usada em motores de combustão interna .

Biogás

O biogás é composto principalmente de metano ( CH
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) e dióxido de carbono ( CO
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), com alguns traços de sulfeto de hidrogênio , oxigênio, nitrogênio e hidrogênio . Macroalgas tem alta taxa de produção de metano em comparação com a biomassa vegetal. A produção de biogás a partir de macroalgas é tecnicamente mais viável em comparação com outros combustíveis, mas não é economicamente viável devido ao alto custo da matéria-prima de macroalgas. Carboidratos e proteínas nas microalgas podem ser convertidos em biogás por meio da digestão anaeróbica, que inclui as etapas de hidrólise, fermentação e metanogênese. A conversão da biomassa de algas em metano pode potencialmente recuperar tanta energia quanto ela obtém, mas é mais lucrativa quando o teor de lipídios das algas é inferior a 40%. A produção de biogás a partir de microalgas é relativamente baixa devido à alta proporção de proteína nas microalgas, mas as microalgas podem ser co-digeridas com produtos de alta proporção C / N, como papel usado. Outro método para produzir biogás é por meio da gaseificação, onde o hidrocarboneto é convertido em gás de síntese por meio de uma reação de oxidação parcial em alta temperatura (normalmente 800 ° C a 1000 ° C). A gaseificação geralmente é realizada com catalisadores. A gaseificação não catalisada requer que a temperatura seja cerca de 1300 ° C. Syngas pode ser queimado diretamente para produzir energia ou usado como combustível em motores de turbina. Também pode ser usado como matéria-prima para outras produções químicas.

Metano

O metano , principal constituinte do gás natural, pode ser produzido a partir de algas por vários métodos, nomeadamente gaseificação , pirólise e digestão anaeróbia . Nos métodos de gaseificação e pirólise, o metano é extraído sob alta temperatura e pressão. A digestão anaeróbia é um método direto envolvido na decomposição de algas em componentes simples, em seguida, transformando-as em ácidos graxos usando micróbios como bactérias acidogênicas, seguido pela remoção de quaisquer partículas sólidas e finalmente adicionando arquéias metanogênicas para liberar uma mistura de gás contendo metano. Vários estudos mostraram com sucesso que a biomassa de microalgas pode ser convertida em biogás por digestão anaeróbica. Portanto, a fim de melhorar o balanço geral de energia das operações de cultivo de microalgas, foi proposto recuperar a energia contida na biomassa residual por meio da digestão anaeróbia em metano para a geração de eletricidade.

Etanol

O sistema Algenol que está sendo comercializado pela BioFields em Puerto Libertad , Sonora , México, utiliza água do mar e exaustão industrial para produzir etanol. Porphyridium cruentum também se mostrou potencialmente adequado para a produção de etanol devido à sua capacidade de acumular grande quantidade de carboidratos.

Diesel verde

As algas podem ser usadas para produzir ' diesel verde ' (também conhecido como diesel renovável, óleo vegetal com hidrotratamento ou diesel renovável derivado de hidrogênio) por meio de um processo de refinaria de hidrotratamento que quebra as moléculas em cadeias de hidrocarbonetos mais curtas usadas nos motores a diesel . Ele tem as mesmas propriedades químicas do diesel à base de petróleo, o que significa que não requer novos motores, dutos ou infraestrutura para distribuição e uso. Ainda não foi produzido a um custo competitivo com o do petróleo . Embora o hidrotratamento seja atualmente a via mais comum para produzir hidrocarbonetos semelhantes a combustível por meio de descarboxilação / descarbonilação, existe um processo alternativo que oferece uma série de vantagens importantes sobre o hidrotratamento. A esse respeito, o trabalho de Crocker et al. e Lercher et al. é particularmente notável. Para o refino de petróleo, pesquisas estão em andamento para a conversão catalítica de combustíveis renováveis ​​por descarboxilação . Como o oxigênio está presente no petróleo bruto em níveis bastante baixos, da ordem de 0,5%, a desoxigenação no refino de petróleo não é muito preocupante e nenhum catalisador é especificamente formulado para hidrotratamento de oxigenados. Portanto, um dos desafios técnicos críticos para tornar o processo de hidrodesoxigenação do óleo de algas economicamente viável está relacionado à pesquisa e ao desenvolvimento de catalisadores eficazes.

Combustível de avião

Os testes de uso de algas como biocombustível foram realizados pela Lufthansa e pela Virgin Atlantic já em 2008, embora haja poucas evidências de que o uso de algas seja uma fonte razoável de biocombustíveis para aviação. Em 2015, o cultivo de ésteres metílicos de ácidos graxos e alcenonas das algas, Isochrysis , estava sendo pesquisado como uma possível matéria-prima de biocombustível para aviação .

Em 2017, houve pouco progresso na produção de combustível de aviação a partir de algas, com uma previsão de que apenas 3 a 5% das necessidades de combustível poderiam ser fornecidas a partir de algas até 2050. Além disso, as empresas de algas que se formaram no início do século 21 como base para uma indústria de biocombustíveis de algas fechou ou mudou seu desenvolvimento de negócios para outras commodities, como cosméticos , ração animal ou produtos derivados de petróleo especiais.

Espécies

A pesquisa em algas para a produção em massa de óleo concentra-se principalmente em microalgas (organismos capazes de fotossíntese com menos de 0,4 mm de diâmetro, incluindo as diatomáceas e cianobactérias ) em oposição a macroalgas, como as algas marinhas . A preferência por microalgas surgiu em grande parte devido à sua estrutura menos complexa, taxas de crescimento rápidas e alto teor de óleo (para algumas espécies). No entanto, algumas pesquisas estão sendo feitas sobre o uso de algas marinhas para biocombustíveis, provavelmente devido à alta disponibilidade deste recurso.

A partir de 2012, pesquisadores em vários locais em todo o mundo começaram a investigar as seguintes espécies quanto à sua adequação como produtores em massa de óleo:

A quantidade de óleo que cada cepa de algas produz varia amplamente. Observe as seguintes microalgas e seus vários rendimentos de óleo:

Além disso, devido à sua alta taxa de crescimento, Ulva foi investigado como um combustível para uso no ciclo SOFT , (SOFT significa Solar Oxygen Fuel Turbine), um sistema de geração de energia de ciclo fechado adequado para uso em regiões áridas e subtropicais regiões.

Outras espécies usadas incluem Clostridium saccharoperbutylacetonicum , Sargassum , Gracilaria , Prymnesium parvum e Euglena gracilis .

Nutrientes e insumos de crescimento

A luz é o que as algas precisam principalmente para o crescimento, pois é o fator mais limitante. Muitas empresas estão investindo no desenvolvimento de sistemas e tecnologias de fornecimento de luz artificial. Um deles é a OriginOil que desenvolveu um Helix BioReactorTM que apresenta um eixo vertical giratório com luzes de baixa energia dispostas em um padrão de hélice. A temperatura da água também influencia as taxas metabólicas e reprodutivas das algas. Embora a maioria das algas cresça a uma taxa baixa quando a temperatura da água fica mais baixa, a biomassa das comunidades de algas pode aumentar devido à ausência de organismos pastando. Os modestos aumentos na velocidade da corrente de água também podem afetar as taxas de crescimento de algas, uma vez que a taxa de absorção de nutrientes e a difusão da camada limite aumentam com a velocidade da corrente.

Além de luz e água, fósforo, nitrogênio e certos micronutrientes também são úteis e essenciais no cultivo de algas. O nitrogênio e o fósforo são os dois nutrientes mais importantes necessários para a produtividade das algas, mas outros nutrientes, como carbono e sílica, também são necessários. Dos nutrientes necessários, o fósforo é um dos mais essenciais, pois é utilizado em inúmeros processos metabólicos. A microalga D. tertiolecta foi analisada para ver qual nutriente mais afeta seu crescimento. As concentrações de fósforo (P), ferro (Fe), cobalto (Co), zinco (Zn), manganês (Mn) e molibdênio (Mo), magnésio (Mg), cálcio (Ca), silício (Si) e enxofre ( As concentrações S) foram medidas diariamente usando análise de plasma acoplado indutivamente (ICP). Entre todos esses elementos sendo medidos, o fósforo resultou na diminuição mais dramática, com uma redução de 84% ao longo da cultura. Esse resultado indica que o fósforo, na forma de fosfato, é necessário em grandes quantidades por todos os organismos para o metabolismo.

Existem dois meios de enriquecimento que têm sido amplamente usados ​​para cultivar a maioria das espécies de algas: o meio Walne e o meio F / 2 de Guillard . Essas soluções nutritivas disponíveis comercialmente podem reduzir o tempo de preparação de todos os nutrientes necessários para o cultivo de algas. Porém, devido à complexidade do processo de geração e ao alto custo, não são utilizados para operações de cultura em larga escala. Portanto, os meios de enriquecimento usados ​​para a produção em massa de algas contêm apenas os nutrientes mais importantes com fertilizantes de grau agrícola, em vez de fertilizantes de grau de laboratório.

Cultivo

Fotobiorreator de tubos de vidro
Projeto de uma lagoa aberta de corrida comumente usada para cultura de algas

As algas crescem muito mais rápido do que as culturas alimentares e podem produzir centenas de vezes mais óleo por unidade de área do que as culturas convencionais, como colza, palma, soja ou jatropha . Como as algas têm um ciclo de colheita de 1 a 10 dias, seu cultivo permite várias colheitas em um período de tempo muito curto, uma estratégia diferente daquela associada às colheitas anuais. Além disso, as algas podem ser cultivadas em terras inadequadas para culturas terrestres, incluindo terras áridas e terras com solo excessivamente salino, minimizando a competição com a agricultura. A maioria das pesquisas sobre o cultivo de algas tem se concentrado no cultivo de algas em fotobiorreatores limpos, mas caros , ou em lagos abertos, que são baratos para manter, mas sujeitos à contaminação.

Sistema de malha fechada

A falta de equipamentos e estruturas necessárias para iniciar o cultivo de algas em grandes quantidades inibiu a produção em massa de algas para a produção de biocombustíveis. O uso máximo de processos agrícolas e hardware existentes é o objetivo.

Sistemas fechados (não expostos ao ar livre) evitam o problema de contaminação por outros organismos soprados pelo ar. O problema de um sistema fechado é encontrar uma fonte barata de CO estéril
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. Vários experimentadores encontraram o CO
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de uma chaminé funciona bem para o cultivo de algas. Por razões de economia, alguns especialistas pensam que o cultivo de algas para biocombustíveis terá que ser feito como parte da cogeração , onde pode aproveitar o calor residual e ajudar a absorver a poluição.

Para produzir microalgas em grande escala em ambiente controlado usando o sistema PBR, estratégias como guias de luz, pulverizador e materiais de construção PBR necessários devem ser bem consideradas.

Fotobiorreatores

A maioria das empresas que buscam as algas como fonte de biocombustíveis bombeiam água rica em nutrientes através de tubos de plástico ou de vidro de borossilicato (chamados de " biorreatores ") que são expostos à luz solar (e os chamados fotobiorreatores ou PBR).

Operar um PBR é mais difícil do que usar um tanque aberto e mais caro, mas pode fornecer um nível mais alto de controle e produtividade. Além disso, um fotobiorreator pode ser integrado a um sistema de cogeração de circuito fechado com muito mais facilidade do que tanques ou outros métodos.

Lagoa aberta

Os sistemas de lagoas abertas consistem em lagoas simples no solo, que muitas vezes são misturadas por uma roda de pás. Esses sistemas têm baixos requisitos de energia, custos operacionais e custos de capital quando comparados aos sistemas de fotobiorreator de circuito fechado. Quase todos os produtores comerciais de algas para produtos de algas de alto valor utilizam sistemas de lagoas abertas.

Purificador de grama

Sistema ATS de 2,5 acres, instalado pela Hydromentia em um riacho de fazenda na Flórida

O purificador de algas é um sistema projetado principalmente para limpar nutrientes e poluentes da água usando gramados de algas. O ATS imita os gramados de algas de um recife de coral natural, absorvendo água rica em nutrientes de córregos ou fontes naturais de água e impulsionando-a sobre uma superfície inclinada. Essa superfície é revestida com uma membrana de plástico áspera ou uma tela, que permite que os esporos de algas que ocorrem naturalmente se assentem e colonizem a superfície. Uma vez que as algas tenham sido estabelecidas, elas podem ser colhidas a cada 5–15 dias e podem produzir 18 toneladas métricas de biomassa de algas por hectare por ano. Em contraste com outros métodos, que se concentram principalmente em uma única espécie de algas de alto rendimento, este método se concentra em policulturas de algas que ocorrem naturalmente. Como tal, o conteúdo lipídico das algas em um sistema ATS é geralmente mais baixo, o que o torna mais adequado para um produto de combustível fermentado, como etanol, metano ou butanol. Por outro lado, as algas colhidas poderiam ser tratadas com um processo de liquefação hidrotérmica , o que possibilitaria a produção de biodiesel, gasolina e combustível para aviação.

Existem três vantagens principais do ATS em relação a outros sistemas. A primeira vantagem é documentada uma maior produtividade em relação aos sistemas de lagoas abertas. A segunda é a redução dos custos operacionais e de produção de combustível. O terceiro é a eliminação de problemas de contaminação devido à dependência de espécies de algas que ocorrem naturalmente. Os custos projetados para produção de energia em um sistema ATS são de $ 0,75 / kg, em comparação com um fotobiorreator que custaria $ 3,50 / kg. Além disso, devido ao fato de que o objetivo principal do ATS é remover nutrientes e poluentes da água, e esses custos têm se mostrado mais baixos do que outros métodos de remoção de nutrientes, isso pode incentivar o uso desta tecnologia para remoção de nutrientes como o função primária, com a produção de biocombustíveis como um benefício adicional.

Algas sendo colhidas e secas de um sistema ATS

Produção de combustível

Após a colheita das algas, a biomassa é normalmente processada em uma série de etapas, que podem variar de acordo com a espécie e o produto desejado; esta é uma área ativa de pesquisa e também é o gargalo dessa tecnologia: o custo de extração é superior aos obtidos. Uma das soluções é usar alimentadores de filtro para "comê-los". Animais melhorados podem fornecer alimentos e combustíveis. Um método alternativo para extrair as algas é cultivar as algas com tipos específicos de fungos. Isso causa a bio-floculação das algas, o que permite uma extração mais fácil.

Desidratação

Freqüentemente, as algas são desidratadas e, em seguida, um solvente como o hexano é usado para extrair compostos ricos em energia, como triglicerídeos, do material seco. Em seguida, os compostos extraídos podem ser processados ​​em combustível usando procedimentos industriais padrão. Por exemplo, os triglicerídeos extraídos são reagidos com metanol para criar biodiesel por meio de transesterificação . A composição única de ácidos graxos de cada espécie influencia a qualidade do biodiesel resultante e, portanto, deve ser levada em consideração ao selecionar espécies de algas como matéria-prima.

Liquefação hidrotérmica

Uma abordagem alternativa chamada liquefação hidrotérmica emprega um processo contínuo que sujeita as algas úmidas colhidas a altas temperaturas e pressões - 350 ° C (662 ° F) e 3.000 libras por polegada quadrada (21.000 kPa).

Os produtos incluem petróleo bruto, que pode ser posteriormente refinado em combustível de aviação, gasolina ou óleo diesel usando um ou mais processos de atualização. O processo de teste converteu entre 50 e 70 por cento do carbono das algas em combustível. Outras saídas incluem água limpa, gás combustível e nutrientes como nitrogênio, fósforo e potássio.

Nutrientes

Nutrientes como nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K), são importantes para o crescimento das plantas e são partes essenciais do fertilizante. A sílica e o ferro, assim como vários oligoelementos, também podem ser considerados nutrientes marinhos importantes, pois a falta deles pode limitar o crescimento ou a produtividade de uma área.

Dióxido de carbono

Bubbling CO
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através de sistemas de cultivo de algas pode aumentar muito a produtividade e o rendimento (até um ponto de saturação). Normalmente, cerca de 1,8 toneladas de CO
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será utilizado por tonelada de biomassa de algas (seca) produzida, embora isso varie com as espécies de algas. A Destilaria Glenturret em Perthshire percola CO
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feito durante a destilação do whisky através de um biorreator de microalgas. Cada tonelada de microalgas absorve duas toneladas de CO
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. A Scottish Bioenergy, que dirige o projeto, vende as microalgas como alimento de alto valor e rico em proteínas para pesca . No futuro, eles usarão os resíduos de algas para produzir energia renovável por meio da digestão anaeróbia .

Azoto

O nitrogênio é um substrato valioso que pode ser utilizado no crescimento de algas. Várias fontes de nitrogênio podem ser usadas como nutriente para algas, com capacidades variadas. O nitrato foi considerado a fonte preferida de nitrogênio, no que diz respeito à quantidade de biomassa cultivada. A uréia é uma fonte prontamente disponível que mostra resultados comparáveis, tornando-se um substituto econômico para a fonte de nitrogênio na cultura de algas em grande escala. Apesar do claro aumento no crescimento em comparação com um meio sem nitrogênio, foi demonstrado que as alterações nos níveis de nitrogênio afetam o conteúdo de lipídios nas células de algas. Em um estudo, a privação de nitrogênio por 72 horas fez com que o conteúdo total de ácidos graxos (por célula) aumentasse 2,4 vezes. 65% do total de ácidos graxos foram esterificados a triacilglicerídeos em corpos oleosos, quando comparados à cultura inicial, indicando que as células algais utilizaram a síntese de novo de ácidos graxos. É vital que o conteúdo de lipídios nas células de algas seja em quantidade alta o suficiente, enquanto mantém os tempos de divisão celular adequados, de modo que os parâmetros que podem maximizar ambos estão sob investigação.

Esgoto

Uma possível fonte de nutrientes são as águas residuais do tratamento de esgoto, escoamento agrícola ou de planícies de inundação, todos atualmente grandes poluentes e riscos à saúde. No entanto, essa água residual não pode alimentar as algas diretamente e deve primeiro ser processada por bactérias, por meio da digestão anaeróbia . Se a água residual não for processada antes de chegar às algas, ela contaminará as algas no reator e, no mínimo, matará grande parte da cepa de algas desejada. Em instalações de biogás , o lixo orgânico é freqüentemente convertido em uma mistura de dióxido de carbono, metano e fertilizante orgânico. O fertilizante orgânico que sai do digestor é líquido e quase adequado para o crescimento de algas, mas primeiro deve ser limpo e esterilizado.

A utilização de águas residuais e oceânicas em vez de água doce é fortemente defendida devido ao esgotamento contínuo dos recursos de água doce. No entanto, metais pesados, traços de metais e outros contaminantes em águas residuais podem diminuir a capacidade das células de produzir lipídios biossinteticamente e também impactar vários outros trabalhos na máquina das células. O mesmo é verdade para a água do oceano, mas os contaminantes são encontrados em diferentes concentrações. Assim, fertilizantes de qualidade agrícola são a fonte preferida de nutrientes, mas os metais pesados ​​são novamente um problema, especialmente para variedades de algas que são suscetíveis a esses metais. Em sistemas de lagoas abertas, o uso de cepas de algas que podem lidar com altas concentrações de metais pesados ​​pode impedir que outros organismos infestem esses sistemas. Em alguns casos, foi mesmo demonstrado que cepas de algas podem remover mais de 90% do níquel e zinco das águas residuais industriais em períodos de tempo relativamente curtos.

Impacto ambiental

Em comparação com culturas de biocombustíveis de base terrestre, como milho ou soja, a produção de microalgas resulta em uma pegada de terra muito menos significativa devido à maior produtividade de óleo das microalgas do que todas as outras culturas de óleo. As algas também podem ser cultivadas em terras marginais inúteis para culturas comuns e com baixo valor de conservação, e podem usar água de aquíferos salinos que não são úteis para a agricultura ou para beber. As algas também podem crescer na superfície do oceano em sacos ou telas flutuantes. Assim, as microalgas podem fornecer uma fonte de energia limpa com pouco impacto no fornecimento de alimentos e água adequados ou na conservação da biodiversidade. O cultivo de algas também não requer subsídios externos de inseticidas ou herbicidas, removendo qualquer risco de geração de fluxos de resíduos de pesticidas associados. Além disso, os biocombustíveis de algas são muito menos tóxicos e se degradam muito mais rapidamente do que os combustíveis derivados do petróleo. No entanto, devido à natureza inflamável de qualquer combustível combustível, há potencial para alguns perigos ambientais se inflamado ou derramado, como pode ocorrer em um descarrilamento de trem ou vazamento de oleoduto. Este perigo é reduzido em comparação com os combustíveis fósseis, devido à capacidade dos biocombustíveis de algas serem produzidos de uma maneira muito mais localizada e devido à menor toxicidade geral, mas o perigo ainda existe. Portanto, os biocombustíveis de algas devem ser tratados de maneira semelhante aos combustíveis de petróleo no transporte e uso, com medidas de segurança suficientes em vigor o tempo todo.

Estudos determinaram que a substituição dos combustíveis fósseis por fontes renováveis ​​de energia, como os biocombustíveis, tem a capacidade de reduzir o CO
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emissões em até 80%. Um sistema baseado em algas pode capturar aproximadamente 80% do CO
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emitido por uma usina de energia quando a luz solar está disponível. Embora este CO
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mais tarde será lançado na atmosfera quando o combustível for queimado, este CO
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teria entrado na atmosfera de qualquer maneira. A possibilidade de reduzir o CO total
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emissões, portanto, reside na prevenção da liberação de CO
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de combustíveis fósseis. Além disso, em comparação com combustíveis como diesel e petróleo, e mesmo em comparação com outras fontes de biocombustíveis, a produção e combustão de biocombustíveis de algas não produz nenhum óxido de enxofre ou óxido nitroso e produz uma quantidade reduzida de monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e redução emissão de outros poluentes nocivos. Uma vez que as fontes vegetais terrestres de produção de biocombustíveis simplesmente não têm a capacidade de produção para atender às necessidades atuais de energia, as microalgas podem ser uma das únicas opções para abordar a substituição completa dos combustíveis fósseis.

A produção de microalgas também inclui a capacidade de usar resíduos salinos ou resíduos de CO
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córregos como fonte de energia. Isso abre uma nova estratégia para produzir biocombustível em conjunto com o tratamento de águas residuais, ao mesmo tempo em que é capaz de produzir água limpa como subproduto. Quando usado em um biorreator de microalgas, as microalgas colhidas irão capturar quantidades significativas de compostos orgânicos, bem como contaminantes de metais pesados ​​absorvidos de fluxos de águas residuais que, de outra forma, seriam diretamente descarregados em águas superficiais e subterrâneas. Além disso, este processo também permite a recuperação do fósforo dos resíduos, elemento essencial mas escasso na natureza, cujas reservas se estima terem esgotado nos últimos 50 anos. Outra possibilidade é o uso de sistemas de produção de algas para limpar a poluição de origem difusa, em um sistema conhecido como algal turf scrubber (ATS). Foi demonstrado que isso reduz os níveis de nitrogênio e fósforo em rios e outros grandes corpos d'água afetados pela eutrofização, e estão sendo construídos sistemas que serão capazes de processar até 110 milhões de litros de água por dia. O ATS também pode ser usado para tratar poluição de origem pontual, como as águas residuais mencionadas acima, ou no tratamento de efluentes de gado.

Policulturas

Quase todas as pesquisas em biocombustíveis de algas se concentraram no cultivo de espécies únicas, ou monoculturas, de microalgas. No entanto, a teoria ecológica e os estudos empíricos demonstraram que as policulturas de plantas e algas, ou seja, grupos de múltiplas espécies, tendem a produzir rendimentos maiores do que as monoculturas. Os experimentos também mostraram que comunidades microbianas aquáticas mais diversas tendem a ser mais estáveis ​​ao longo do tempo do que comunidades menos diversas. Estudos recentes descobriram que as policulturas de microalgas produziram rendimentos de lipídios significativamente maiores do que as monoculturas. As policulturas também tendem a ser mais resistentes a surtos de pragas e doenças, bem como à invasão por outras plantas ou algas. Assim, o cultivo de microalgas na policultura pode não apenas aumentar os rendimentos e a estabilidade dos rendimentos de biocombustíveis, mas também reduzir o impacto ambiental de uma indústria de biocombustíveis de algas.

Viabilidade econômica

Há claramente uma demanda pela produção sustentável de biocombustíveis, mas se um determinado biocombustível será usado, em última análise, não depende da sustentabilidade, mas da eficiência de custos. Portanto, a pesquisa está se concentrando em cortar o custo da produção de biocombustíveis de algas a ponto de poder competir com o petróleo convencional. A produção de diversos produtos a partir de algas tem sido apontada como o fator mais importante para viabilizar economicamente a produção de algas. Outros fatores são a melhoria da eficiência de conversão de energia solar em biomassa (atualmente 3%, mas 5 a 7% é teoricamente atingível) e facilitando a extração do óleo das algas.

Em um relatório de 2007, uma fórmula foi derivada estimando o custo do óleo de algas para que seja um substituto viável para o diesel de petróleo:

C (óleo de algas) = 25,9 × 10 −3 C (petróleo)

onde: C (óleo de algas) é o preço do óleo de microalgas em dólares por galão e C (petróleo) é o preço do petróleo bruto em dólares por barril. Esta equação assume que o óleo de algas tem cerca de 80% do valor calórico do petróleo bruto.

Com a tecnologia atual disponível, estima-se que o custo de produção de biomassa microalgal é de $ 2,95 / kg para fotobiorreatores e $ 3,80 / kg para tanques abertos. Essas estimativas pressupõem que o dióxido de carbono está disponível gratuitamente. Se a capacidade anual de produção de biomassa for aumentada para 10.000 toneladas, o custo de produção por quilograma reduz para cerca de $ 0,47 e $ 0,60, respectivamente. Supondo que a biomassa contenha 30% de óleo por peso, o custo da biomassa para fornecer um litro de óleo seria de aproximadamente $ 1,40 ($ 5,30 / gal) e $ 1,81 ($ 6,85 / gal) para fotobiorreatores e pistas, respectivamente. O óleo recuperado da biomassa de menor custo produzida em fotobiorreatores é estimado em $ 2,80 / L, assumindo que o processo de recuperação contribua com 50% para o custo do óleo final recuperado. Se os projetos de algas existentes puderem atingir as metas de preço de produção de biodiesel de menos de US $ 1 por galão, os Estados Unidos podem realizar sua meta de substituir até 20% dos combustíveis de transporte até 2020 usando combustíveis ambientalmente e economicamente sustentáveis ​​da produção de algas.

Enquanto os problemas técnicos, como a colheita, estão sendo tratados com sucesso pela indústria, o alto investimento inicial em instalações de algas para biocombustíveis é visto por muitos como um grande obstáculo para o sucesso dessa tecnologia. Apenas alguns estudos sobre a viabilidade econômica estão disponíveis publicamente e muitas vezes devem se basear nos poucos dados (geralmente apenas estimativas de engenharia) disponíveis no domínio público. Dmitrov examinou o fotobiorreator do GreenFuel e estimou que o óleo de algas só seria competitivo a um preço de US $ 800 por barril. Um estudo de Alabi et al. examinou condutores, fotobiorreatores e fermentadores anaeróbicos para fazer biocombustíveis a partir de algas e descobriu que fotobiorreatores são muito caros para produzir biocombustíveis. Os canais adutores podem ser econômicos em climas quentes com custos de mão de obra muito baixos, e os fermentadores podem se tornar econômicos após melhorias significativas no processo. O grupo descobriu que o custo de capital, custo de mão de obra e custos operacionais (fertilizantes, eletricidade, etc.) por si só são altos demais para os biocombustíveis de algas serem competitivos em termos de custo com os combustíveis convencionais. Resultados semelhantes foram encontrados por outros, sugerindo que, a menos que novas formas mais baratas de aproveitamento de algas para a produção de biocombustíveis sejam encontradas, seu grande potencial técnico pode nunca se tornar economicamente acessível. Recentemente, Rodrigo E. Teixeira demonstrou uma nova reação e propôs um processo de colheita e extração de matéria-prima para a produção de biocombustíveis e produtos químicos que requer uma fração da energia dos métodos atuais, ao mesmo tempo que extrai todos os constituintes celulares.

Uso de subprodutos

Muitos dos subprodutos produzidos no processamento de microalgas podem ser usados ​​em várias aplicações, muitas das quais têm um histórico de produção mais longo do que o biocombustível de algas. Alguns dos produtos não usados ​​na produção de biocombustíveis incluem corantes e pigmentos naturais, antioxidantes e outros compostos bioativos de alto valor. Esses produtos químicos e o excesso de biomassa encontraram uso inúmeros em outras indústrias. Por exemplo, os corantes e óleos encontraram um lugar nos cosméticos, comumente como agentes espessantes e aglutinantes de água. As descobertas dentro da indústria farmacêutica incluem antibióticos e antifúngicos derivados de microalgas, bem como produtos naturais para a saúde, que têm crescido em popularidade nas últimas décadas. Por exemplo, a espirulina contém numerosas gorduras poliinsaturadas (ômega 3 e 6), aminoácidos e vitaminas, bem como pigmentos que podem ser benéficos, como beta-caroteno e clorofila.

Vantagens

Facilidade de crescimento

Uma das principais vantagens do uso de microalgas como matéria-prima em comparação às culturas mais tradicionais é que ela pode ser cultivada com muito mais facilidade. As algas podem ser cultivadas em terras que não seriam consideradas adequadas para o crescimento das plantações regularmente utilizadas. Além disso, a água residual que normalmente impediria o crescimento das plantas tem se mostrado muito eficaz no cultivo de algas. Por causa disso, as algas podem ser cultivadas sem ocupar terras aráveis ​​que, de outra forma, seriam usadas para a produção de alimentos, e os melhores recursos podem ser reservados para a produção normal das culturas. As microalgas também requerem menos recursos para crescer e pouca atenção é necessária, permitindo que o crescimento e o cultivo de algas sejam um processo muito passivo.

Impacto na comida

Muitas matérias-primas tradicionais para biodiesel, como milho e palma, também são usadas como ração para gado em fazendas, bem como uma valiosa fonte de alimento para humanos. Por isso, utilizá-los como biocombustível reduz a quantidade de alimentos disponíveis para ambos, resultando em um aumento do custo tanto dos alimentos quanto do combustível produzido. O uso de algas como fonte de biodiesel pode aliviar esse problema de várias maneiras. Primeiro, as algas não são usadas como fonte primária de alimento para humanos, o que significa que podem ser usadas exclusivamente como combustível e haveria pouco impacto na indústria de alimentos. Em segundo lugar, muitos dos extratos de resíduos produzidos durante o processamento de algas para biocombustível podem ser usados ​​como ração animal suficiente. Esta é uma maneira eficaz de minimizar o desperdício e uma alternativa muito mais barata aos alimentos mais tradicionais à base de milho ou grãos.

Minimalização de resíduos

O cultivo de algas como fonte de biocombustível também demonstrou ter inúmeros benefícios ambientais e se apresentou como uma alternativa muito mais ecológica aos biocombustíveis atuais. Por um lado, é capaz de utilizar o escoamento, água contaminada com fertilizantes e outros nutrientes que são um subproduto da agricultura, como sua principal fonte de água e nutrientes. Por isso, evita que essa água contaminada se misture com os lagos e rios que atualmente abastecem nossa água potável. Além disso, a amônia, nitratos e fosfatos que normalmente tornariam a água insegura, na verdade servem como nutrientes excelentes para as algas, o que significa que menos recursos são necessários para cultivar as algas. Muitas espécies de algas usadas na produção de biodiesel são excelentes bio-fixadores, o que significa que são capazes de remover dióxido de carbono da atmosfera para usar como forma de energia para si mesmas. Por isso, encontraram uso na indústria como forma de tratar gases de combustão e reduzir as emissões de GEE.

Desvantagem

Alta necessidade de água

O processo de cultivo de microalgas é altamente intensivo em água. Estudos de ciclo de vida estimam que a produção de 1 litro de biodiesel à base de microalgas requer entre 607 e 1944 litros de água.

Viabilidade comercial

O biodiesel de algas ainda é uma tecnologia relativamente nova. Apesar de a pesquisa ter começado há mais de 30 anos, ela foi suspensa em meados da década de 1990, principalmente devido à falta de financiamento e ao custo do petróleo relativamente baixo. Nos anos seguintes, os biocombustíveis com algas receberam pouca atenção; não foi até o pico do gás, no início dos anos 2000, que finalmente teve uma revitalização na busca por fontes alternativas de combustível. Embora exista a tecnologia para colher e converter algas em uma fonte utilizável de biodiesel, ela ainda não foi implementada em uma escala grande o suficiente para atender às necessidades atuais de energia. Mais pesquisas serão necessárias para tornar a produção de biocombustíveis de algas mais eficiente, e neste momento ela está sendo retida por lobistas em apoio a biocombustíveis alternativos, como os produzidos a partir de milho e grãos. Em 2013, o presidente e CEO da Exxon Mobil , Rex Tillerson, disse que depois de se comprometer originalmente a gastar até US $ 600 milhões no desenvolvimento de uma joint venture com a J. Craig Venter 's Synthetic Genomics , as algas estão "provavelmente mais longe" do que "25 anos" de viabilidade comercial, embora a Solazyme e a Sapphire Energy já tenham iniciado vendas comerciais em pequena escala em 2012 e 2013, respectivamente. Em 2017, a maioria dos esforços foi abandonada ou alterada para outros aplicativos, com apenas alguns restantes. Espera-se que, devido às economias de escala e mecanização, o preço dos custos de produção do combustível de algas marinhas ainda possa ser reduzido em até 100%.

Estabilidade

O biodiesel produzido a partir do processamento de microalgas difere de outras formas de biodiesel no teor de gorduras poliinsaturadas. As gorduras poliinsaturadas são conhecidas por sua capacidade de reter fluidez em temperaturas mais baixas. Embora isso possa parecer uma vantagem na produção durante as temperaturas mais frias do inverno, as gorduras poliinsaturadas resultam em menor estabilidade durante as temperaturas sazonais regulares.

Pesquisar

Projetos atuais

Estados Unidos

O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) é o principal laboratório nacional do Departamento de Energia dos EUA para pesquisa e desenvolvimento de energia renovável e eficiência energética. Este programa está envolvido na produção de energias renováveis ​​e eficiência energética. Uma de suas divisões mais atuais é o programa de biomassa, que está envolvido na caracterização de biomassa, tecnologias de conversão bioquímica e termoquímica em conjunto com engenharia e análise de processo de biomassa. O programa visa a produção de tecnologias eficientes em termos de energia, econômicas e ecologicamente corretas que apoiem as economias rurais, reduzam a dependência das nações do petróleo e melhorem a qualidade do ar.

No Woods Hole Oceanographic Institution e no Harbor Branch Oceanographic Institution, as águas residuais de fontes domésticas e industriais contêm compostos orgânicos ricos que estão sendo usados ​​para acelerar o crescimento de algas. O Departamento de Engenharia Biológica e Agrícola da Universidade da Geórgia está explorando a produção de biomassa microalgal usando águas residuais industriais. A Algaewheel , com sede em Indianápolis , Indiana, apresentou uma proposta para construir uma instalação em Cedar Lake, Indiana, que usa algas para tratar águas residuais municipais , usando o subproduto do lodo para produzir biocombustível. Uma abordagem semelhante está sendo seguida pela Algae Systems , uma empresa com sede em Daphne, Alabama.

A Sapphire Energy (San Diego) produziu cru verde a partir de algas.

Solazyme ( South San Francisco, Califórnia ) produziu um combustível adequado para alimentar aviões a jato a partir de algas.

A Estação de Pesquisa Marinha em Ketch Harbor, Nova Scotia , está envolvida no cultivo de algas há 50 anos. O Conselho Nacional de Pesquisa (Canadá) (NRC) e o Programa Nacional de Subprodutos forneceram US $ 5 milhões para financiar este projeto. O objetivo do programa é construir uma planta piloto de cultivo de 50.000 litros nas instalações do porto de Ketch. A estação tem estado envolvida na avaliação da melhor forma de cultivar algas para biocombustível e está envolvida na investigação da utilização de numerosas espécies de algas em regiões da América do Norte. O NRC uniu forças com o Departamento de Energia dos Estados Unidos, o Laboratório Nacional de Energia Renovável no Colorado e os Laboratórios Nacionais Sandia no Novo México.

Europa

As universidades no Reino Unido que estão trabalhando na produção de óleo de algas incluem: University of Manchester , University of Sheffield , University of Glasgow , University of Brighton , University of Cambridge , University College London , Imperial College London , Cranfield University e Newcastle University . Em Espanha, é também relevante a pesquisa realizada pelo CSIC 's Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosintesis (Microalgas Biotechnology Group, Sevilha ).

A European Algae Biomass Association (EABA) é a associação europeia que representa a pesquisa e a indústria no campo das tecnologias de algas, atualmente com 79 membros. A associação está sediada em Florença, Itália. O objetivo geral da EABA é promover o intercâmbio e a cooperação mútuos no campo da produção e uso de biomassa, incluindo o uso de biocombustíveis e todas as outras utilizações. Visa criar, desenvolver e manter a solidariedade e os laços entre os seus membros e defender os seus interesses a nível europeu e internacional. Seu principal objetivo é atuar como um catalisador para fomentar sinergias entre cientistas, industriais e tomadores de decisão para promover o desenvolvimento de pesquisa, tecnologia e capacidades industriais na área de Algas.

Inovações CMCL e a Universidade de Cambridge estão realizando um estudo de projeto detalhado de uma planta C-FAST (Combustíveis de carbono negativo derivados de Algal and Solar Technologies). O objetivo principal é projetar uma planta piloto que possa demonstrar a produção de combustíveis de hidrocarbonetos (incluindo diesel e gasolina) como transportadores de energia negativa de carbono sustentáveis ​​e matérias-primas para a indústria de commodities químicas. Este projeto apresentará relatório em junho de 2013.

A Ucrânia planeja produzir biocombustível usando um tipo especial de algas.

O Projeto Algae Cluster da Comissão Europeia , financiado pelo Sétimo Programa-Quadro , é composto por três projetos de biocombustíveis de algas, cada um procurando projetar e construir uma instalação de biocombustível de algas diferente cobrindo 10 hectares de terra. Os projetos são BIOFAT, All-Gas e InteSusAl.

Uma vez que vários combustíveis e produtos químicos podem ser produzidos a partir de algas, foi sugerido investigar a viabilidade de vários processos de produção (extração / separação convencional, liquefação hidrotérmica, gaseificação e pirólise) para aplicação em uma biorrefinaria integrada de algas.

Índia

Reliance Industries, em colaboração com a Algenol , EUA, encomendou um projeto piloto para produzir bio-óleo de algas no ano de 2014. A espirulina, que é uma alga rica em proteínas, foi cultivada comercialmente na Índia. As algas são usadas na Índia para tratar esgoto em lagoas de oxidação natural / aberta. Isso reduz a Demanda Biológica de Oxigênio (DBO) do esgoto e também fornece biomassa de algas que pode ser convertida em combustível.

De outros

A Algae Biomass Organization (ABO) é uma organização sem fins lucrativos cuja missão é "promover o desenvolvimento de mercados comerciais viáveis ​​para commodities renováveis ​​e sustentáveis ​​derivadas de algas".

A National Algae Association (NAA) é uma organização sem fins lucrativos de pesquisadores de algas, empresas de produção de algas e a comunidade de investimentos que compartilham o objetivo de comercializar óleo de algas como uma matéria-prima alternativa para os mercados de biocombustíveis. O NAA oferece aos seus membros um fórum para avaliar com eficiência várias tecnologias de algas para oportunidades potenciais de empresas em estágio inicial.

A Pond Biofuels Inc. em Ontário, Canadá, tem uma planta piloto em funcionamento onde as algas são cultivadas diretamente das emissões da chaminé de uma fábrica de cimento e secas com o calor residual. Em maio de 2013, a Pond Biofuels anunciou uma parceria com o National Research Council of Canada e a Canadian Natural Resources Limited para construir uma biorrefinaria de algas em escala de demonstração em um local de areias betuminosas perto de Bonnyville, Alberta.

Ocean Nutrition Canada em Halifax, Nova Scotia, Canadá encontrou uma nova cepa de algas que parece capaz de produzir óleo a uma taxa 60 vezes maior do que outros tipos de algas usados ​​para a geração de biocombustíveis.

A VG Energy, uma subsidiária da Viral Genetics Incorporated, afirma ter descoberto um novo método para aumentar a produção de lipídios das algas, interrompendo as vias metabólicas que, de outra forma, desviariam a energia fotossintética para a produção de carboidratos. Usando essas técnicas, a empresa afirma que a produção de lipídios poderia ser aumentada várias vezes, potencialmente tornando os biocombustíveis de algas competitivos em relação aos combustíveis fósseis existentes.

A produção de algas a partir da descarga de água quente de uma usina nuclear foi pilotada por Patrick C. Kangas na Peach Bottom Nuclear Power Station , de propriedade da Exelon Corporation. Este processo aproveita a temperatura relativamente alta da água para sustentar o crescimento de algas, mesmo durante os meses de inverno.

Empresas como Sapphire Energy e Bio Solar Cells estão usando engenharia genética para tornar a produção de combustível de algas mais eficiente. De acordo com Klein Lankhorst da Bio Solar Cells, a engenharia genética pode melhorar muito a eficiência do combustível das algas, pois as algas podem ser modificadas para construir apenas cadeias de carbono curtas em vez de cadeias longas de carboidratos. A Sapphire Energy também usa mutações induzidas quimicamente para produzir algas adequadas para uso como cultivo.

Alguns interesses comerciais em sistemas de cultivo de algas em grande escala estão procurando se conectar a infraestruturas existentes, como fábricas de cimento, usinas de carvão ou instalações de tratamento de esgoto. Esta abordagem transforma resíduos em recursos para fornecer as matérias-primas, CO
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e nutrientes, para o sistema.

Um estudo de viabilidade usando microalgas marinhas em um fotobiorreator está sendo feito pelo The International Research Consortium on Continental Margins na Jacobs University Bremen .

O Departamento de Ciência Ambiental da Universidade Ateneo de Manila, nas Filipinas , está trabalhando na produção de biocombustível a partir de uma espécie local de algas.

Engenharia genética

As algas de engenharia genética têm sido usadas para aumentar a produção de lipídios ou as taxas de crescimento. A pesquisa atual em engenharia genética inclui a introdução ou a remoção de enzimas . Em 2007, Oswald et al. introduziu uma monoterpeno sintase de manjericão doce em Saccharomyces cerevisiae , uma cepa de levedura . Esta monoterpeno sintase particular causa a síntese de novo de grandes quantidades de geraniol , ao mesmo tempo que o secreta para o meio. Geraniol é um componente primário do óleo de rosa , óleo de palmarosa e óleo de citronela , bem como óleos essenciais, tornando-o uma fonte viável de triacilglicerídeos para a produção de biodiesel.

A enzima ADP-glicose pirofosforilase é vital na produção de amido, mas não tem conexão com a síntese de lipídios. A remoção desta enzima resultou no mutante sta6, que apresentou aumento no teor de lipídios. Após 18 horas de crescimento em meio deficiente em nitrogênio, os mutantes sta6 tinham em média 17 ng de triacilglicerídeos / 1000 células, em comparação com 10 ng / 1000 células em células WT. Esse aumento na produção de lipídios foi atribuído à realocação de recursos intracelulares, uma vez que as algas desviaram energia da produção de amido.

Em 2013, os pesquisadores usaram um "knock-down" de enzimas redutoras de gordura (lipase / fosfolipase / aciltransferase multifuncional) para aumentar os lipídios (óleos) sem comprometer o crescimento. O estudo também introduziu um processo de triagem eficiente. As cepas knockdown de expressão antisense 1A6 e 1B1 continham teor de lipídios 2,4 e 3,3 vezes maior durante o crescimento exponencial e teor de lipídios 4,1 e 3,2 vezes maior após 40 h de privação de silício.

Em 2014, a Ecover anunciou um produto de lavanderia, feito de óleo de algas, cujas algas foram geneticamente modificadas.

Programas de financiamento

Vários programas de financiamento foram criados com o objetivo de promover o uso de energias renováveis. No Canadá, a iniciativa de capital de biocombustíveis ecoAgriculture (ecoABC) fornece US $ 25 milhões por projeto para ajudar os agricultores na construção e expansão de uma instalação de produção de combustível renovável. O programa tem US $ 186 milhões reservados para esses projetos. O programa de desenvolvimento sustentável (SDTC) também aplicou US $ 500 milhões ao longo de 8 anos para ajudar na construção de combustíveis renováveis ​​de próxima geração. Além disso, nos últimos 2 anos, US $ 10 milhões foram disponibilizados para pesquisa e análise de combustíveis renováveis

Na Europa, o Sétimo Programa-Quadro (FP7) é o principal instrumento de financiamento da pesquisa. Da mesma forma, o NER 300 é um portal não oficial e independente dedicado a projetos de energia renovável e integração com a rede. Outro programa inclui o programa Horizonte 2020 , que terá início em 1 de janeiro, e reunirá o programa-quadro e outros financiamentos de inovação e pesquisa da CE em um novo sistema de financiamento integrado

O norte-americano NBB 's programa de Desenvolvimento de matéria-prima está se dirigindo a produção de algas no horizonte para expandir o material disponível para o biodiesel de forma sustentável.

Políticas Internacionais

Canadá

Numerosas políticas foram postas em prática desde a crise do petróleo de 1975, a fim de promover o uso de combustíveis renováveis ​​nos Estados Unidos, Canadá e Europa. No Canadá, isso incluiu a implementação de impostos especiais de consumo isentos de propano e gás natural, que foi estendido ao etanol feito de biomassa e metanol em 1992. O governo federal também anunciou sua estratégia de combustíveis renováveis ​​em 2006, que propôs quatro componentes: aumentar a disponibilidade de combustíveis renováveis ​​por meio regulamentação, apoiando a expansão da produção canadense de combustíveis renováveis, auxiliando os agricultores a aproveitar novas oportunidades neste setor e acelerando a comercialização de novas tecnologias. Esses mandatos foram rapidamente seguidos pelas províncias canadenses:

BC introduziu uma exigência de 5% de etanol e 5% de diesel renovável que entrou em vigor em janeiro de 2010. Também introduziu uma exigência de combustível de baixo carbono para 2012-2020.

Alberta introduziu um requisito de 5% de etanol e 2% de diesel renovável implementado em abril de 2011. A província também introduziu um requisito mínimo de redução de emissões de GEE de 25% para os combustíveis renováveis ​​qualificados.

Saskatchewan implementou uma exigência de 2% de diesel renovável em 2009.

Além disso, em 2006, o Governo Federal Canadense anunciou seu compromisso de usar seu poder de compra para estimular a indústria de biocombustíveis. A seção três da lei de combustíveis alternativos de 2006 declarou que quando for economicamente viável fazê-lo - 75% por cento de todos os órgãos federais e corporações da coroa serão veículos motorizados.

O Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá estabeleceu a pesquisa sobre a conversão de carbono de algas como um de seus principais programas. Como parte desse programa, o NRC fez um anúncio em maio de 2013 de que está formando uma parceria com a Canadian Natural Resources Limited e a Pond Biofuels para construir uma biorrefinaria de algas em escala de demonstração perto de Bonnyville, Alberta.

Estados Unidos

As políticas dos Estados Unidos incluíram uma redução nos subsídios fornecidos pelos governos federal e estadual à indústria do petróleo, que geralmente chegam a US $ 2,84 bilhões. Isso é mais do que o que é realmente reservado para a indústria de biocombustíveis. A medida foi discutida no G20 em Pittsburgh, onde os líderes concordaram que " subsídios ineficientes aos combustíveis fósseis incentivam o consumo perdulário, reduzem nossa segurança energética, impedem o investimento em fontes limpas e minam os esforços para lidar com a ameaça da mudança climática". Se esse compromisso for cumprido e os subsídios forem eliminados, será criado um mercado mais justo no qual os biocombustíveis de algas podem competir. Em 2010, a Câmara dos Deputados dos Estados Unidos aprovou uma legislação que busca dar aos biocombustíveis à base de algas paridade com os biocombustíveis de celulose em programas de crédito tributário federal. A lei de promoção de combustível renovável à base de algas (HR 4168) foi implementada para dar aos projetos de biocombustíveis acesso a um crédito de imposto de produção de $ 1,01 por galão e depreciação de bônus de 50% para a propriedade da planta de biocombustíveis. O governo dos Estados Unidos também introduziu a Lei de Combustível para Reforçar a Segurança Nacional, implementada em 2011. Esta política constitui uma emenda à Lei de Serviços Administrativos e de Propriedade Federal de 1949 e às disposições de defesa federal, a fim de estender para 15 o número de anos que o Departamento de O contrato plurianual de defesa (DOD) pode ser celebrado no caso de compra de biocombustível avançado. Os programas federais e do DOD são geralmente limitados a um período de 5 anos

De outros

A União Europeia (UE) também respondeu quadruplicando os créditos para biocombustíveis de algas de segunda geração, que foi estabelecido como uma emenda às Diretivas de Qualidade de Combustíveis e Biocombustíveis

Empresas

Sendo o biocombustível de algas uma alternativa relativamente nova aos produtos petrolíferos convencionais, ele deixa inúmeras oportunidades para avanços drásticos em todos os aspectos da tecnologia. A produção de biocombustíveis de algas ainda não é uma substituição econômica da gasolina, mas as alterações nas metodologias atuais podem mudar isso. Os dois alvos mais comuns para avanços são o meio de crescimento (lagoa aberta vs. fotobiorreator) e métodos para remover os componentes intracelulares das algas. Abaixo estão as empresas que estão atualmente inovando em tecnologias de biocombustíveis de algas.

Algenol Biofuels

Fundada em 2006, a Algenol Biofuels é uma empresa global de biotecnologia industrial que está comercializando sua tecnologia patenteada de algas para a produção de etanol e outros combustíveis. Com sede no sudoeste da Flórida, a tecnologia patenteada da Algenol permite a produção dos quatro combustíveis mais importantes (etanol, gasolina, jato e óleo diesel) usando algas, luz solar, dióxido de carbono e água salgada proprietários por cerca de US $ 1,27 por galão e em níveis de produção de 8.000 total de galões de combustível líquido por acre por ano. A tecnologia da Algenol produz altos rendimentos e conta com fotobiorreatores patenteados e técnicas proprietárias downstream para produção de combustível de baixo custo usando dióxido de carbono de fontes industriais. A empresa originalmente pretendia produzir comercialmente até 2014, mas sofreu um retrocesso quando o governador da Flórida, Rick Scott, assinou um projeto de lei em 2013 eliminando o mandato do estado de um mínimo de 10% de etanol na gasolina comercial. Isso fez com que o CEO da Algenol, Paul Woods, descartasse um plano de uma planta de US $ 500 milhões para produzir quantidades comerciais de biocombustíveis de algas e buscar outros locais de trabalho. Atualmente, a Algenol é parceira do Escritório de Tecnologias de Bioenergia do Departamento de Energia dos Estados Unidos e, em 2015, iniciou vendas comerciais em menor escala de misturas de etanol E15 e E85 para a Protec Fuel, uma distribuidora de combustível com sede na Flórida.

Produção de mármore azul

Blue Marble Production é uma empresa com sede em Seattle que se dedica a remover algas de água infestada de algas. Isso, por sua vez, limpa o meio ambiente e permite que essa empresa produza biocombustível. Em vez de se concentrar apenas na produção em massa de algas, esta empresa se concentra no que fazer com os subprodutos. Essa empresa recicla quase 100% de sua água por osmose reversa, economizando cerca de 26.000 galões de água por mês. Essa água é então bombeada de volta para o sistema. O gás produzido como subproduto das algas também será reciclado, sendo colocado em um sistema fotobiorreator que contém várias cepas de algas. Qualquer gás remanescente é então transformado em óleo de pirólise por processos termoquímicos. Essa empresa não apenas busca produzir biocombustível, mas também deseja usar algas para uma variedade de outros fins, como fertilizantes, aromatizantes de alimentos, antiinflamatórios e medicamentos anticâncer.

Solazyme

A Solazyme é uma das poucas empresas apoiadas por empresas petrolíferas como a Chevron. Além disso, esta empresa também é apoiada pela Imperium Renewables, Blue Crest Capital Finance e The Roda Group. A Solazyme desenvolveu uma maneira de usar até 80% das algas secas como óleo. Este processo requer que as algas cresçam em um tanque de fermentação escuro e sejam alimentadas por substratos de carbono em seus meios de crescimento. O efeito é a produção de triglicerídeos quase idênticos ao óleo vegetal. Diz-se que o método de produção da Solazyme produz mais óleo do que as algas cultivadas fotossinteticamente ou feitas para produzir etanol. As refinarias de petróleo podem pegar esse óleo de algas e transformá-lo em biodiesel, diesel renovável ou combustíveis para aviação.

Parte dos testes da Solazyme, em colaboração com a Maersk Line e a Marinha dos Estados Unidos, colocou 30 toneladas de combustível de algas Soladiesel (RD) no navio de contêineres de 300 metros e 98.000 toneladas Maersk Kalmar. Este combustível foi usado em misturas de 7% a 100% em um motor auxiliar em uma viagem de um mês de Bremerhaven, Alemanha para Pipavav, Índia em dezembro de 2011. Em julho de 2012, a Marinha dos EUA usou 700.000 galões de biodiesel HRD76 em três navios do USS Nimitz "Green Strike Group" durante o exercício RIMPAC de 2012 no Havaí. O Nimitz também usou 200.000 galões de biocombustível para aviação HRJ5. As misturas de biocombustíveis 50/50 foram fornecidas pela Solazyme e Dynamic Fuels.

Energia Safira

A Sapphire Energy é líder na indústria de biocombustíveis de algas apoiada pela Wellcome Trust, Bill Gates 'Cascade Investment, Monsanto e outros grandes doadores. Depois de experimentar a produção de vários combustíveis de algas começando em 2007, a empresa agora se concentra na produção do que chama de "cru verde" a partir de algas em tanques de canal aberto. Depois de receber mais de $ 100 milhões em fundos federais em 2012, Sapphire construiu a primeira instalação comercial de demonstração de combustível de algas no Novo México e tem produzido biocombustível continuamente desde a conclusão da instalação naquele ano. Em 2013, a Sapphire iniciou as vendas comerciais de biocombustível de algas para a Tesoro , tornando-se uma das primeiras empresas, junto com a Solazyme, a vender combustível de algas no mercado.

Diversified Technologies Inc.

Diversified Technologies Inc. criou uma opção de pré-tratamento com patente pendente para reduzir os custos de extração de óleo de algas. Essa tecnologia, chamada de tecnologia Pulsed Electric Field (PEF), é um processo de baixo custo e baixa energia que aplica pulsos elétricos de alta tensão a uma pasta de algas. Os pulsos elétricos permitem que as paredes celulares das algas se rompam facilmente, aumentando a disponibilidade de todos os conteúdos celulares (lipídios, proteínas e carboidratos), permitindo a separação em componentes específicos a jusante. Este método alternativo para extração intracelular mostrou a capacidade de ser integrado em linha e também escalonável em montagens de alto rendimento. O campo elétrico de pulso sujeita as algas a rajadas curtas e intensas de radiação eletromagnética em uma câmara de tratamento, eletroporando as paredes celulares. A formação de orifícios na parede celular permite que o conteúdo interno flua para a solução circundante para posterior separação. A tecnologia PEF requer apenas pulsos de 1-10 microssegundos, permitindo uma abordagem de alto rendimento para extração de algas.

Cálculos preliminares mostraram que a utilização da tecnologia PEF representaria apenas US $ 0,10 por galão de biocombustível derivado de algas produzido. Em comparação, a secagem convencional e as extrações à base de solvente representam US $ 1,75 por galão. Essa inconsistência entre os custos pode ser atribuída ao fato de que a secagem das algas geralmente é responsável por 75% do processo de extração. Embora seja uma tecnologia relativamente nova, o PEF tem sido usado com sucesso tanto em processos de descomtaminação de alimentos quanto em tratamentos de águas residuais.

Origin Oils Inc.

A Origin Oils Inc. tem pesquisado um método chamado Helix Bioreactor, alterando o sistema comum de crescimento em circuito fechado. Este sistema utiliza luzes de baixa energia em um padrão helicoidal, permitindo que cada célula de algas obtenha a quantidade necessária de luz. A luz solar só consegue penetrar alguns centímetros nas células de algas, tornando a luz um reagente limitante em fazendas de algas em lagoas abertas. Cada elemento de iluminação no biorreator é especialmente alterado para emitir comprimentos de onda específicos de luz, já que um espectro completo de luz não é benéfico para o crescimento de algas. Na verdade, a irradiação ultravioleta é prejudicial, pois inibe a fotossíntese, fotorredução e a mudança de absorvância claro-escuro de 520 nm das algas.

Este biorreator também aborda outra questão importante no crescimento de células de algas; introduzir CO 2 e nutrientes às algas sem interromper ou aerar demais as algas. A Origin Oils Inc. combate esses problemas por meio da criação de sua tecnologia Quantum Fracturing. Esse processo pega o CO 2 e outros nutrientes, fratura-os em pressões extremamente altas e, em seguida, distribui as bolhas do tamanho de um mícron para as algas. Isso permite que os nutrientes sejam entregues a uma pressão muito mais baixa, mantendo a integridade das células.

Proviron

Proviron é uma empresa belga de microalgas que também opera nos Estados Unidos. A empresa está trabalhando em um novo tipo de reator (de placas planas) que reduz o custo do cultivo de algas. Na AlgaePARC, pesquisas semelhantes estão sendo conduzidas usando 4 sistemas de cultivo (1 sistema de tanque aberto e 3 tipos de sistemas fechados). De acordo com René Wijffels, os sistemas atuais ainda não permitem que o combustível de algas seja produzido de forma competitiva. No entanto, utilizando novos sistemas (fechados) e aumentando a produção, seria possível reduzir os custos em 10 vezes, até ao preço de 0,4 € por kg de algas. Atualmente, Proviron se concentra principalmente em usos alternativos de culturas de algas, como plásticos ambientalmente conscientes, processos de esterificação e processos de degelo.

Genifuels

A Genifuel Corporation licenciou o processo de extração de combustível em alta temperatura / pressão e trabalha com a equipe do laboratório desde 2008. A empresa pretende se unir a alguns parceiros industriais para criar uma planta piloto usando esse processo para fazer biocombustível em quantidades industriais. O processo Genifuel combina liquefação hidrotérmica com gaseificação hidrotérmica catalítica em reator funcionando a 350 graus Celsius (662 graus Fahrenheit) e pressão de 20 684,2719 kPa (3 000 PSI).

Qeshm Microalgae Biorefinery Co.

A Qeshm Microalgae Biorefinery Co. (QMAB) é uma empresa de biocombustíveis sediada no Irã que opera exclusivamente na ilha iraniana de Qeshm, no Estreito de Hormuz. A planta piloto original da QMAB está em operação desde 2009 e tem uma capacidade de 25.000 litros. Em 2014, a QMAB lançou o BAYA Biofuel, um biocombustível derivado da alga Nannochloropsis , e desde então especificou que sua cepa única é de até 68% de lipídios por volume de peso seco. O desenvolvimento da fazenda se concentra principalmente em 2 fases, produção de produtos nutracêuticos e óleo cru verde para a produção de biocombustíveis. O principal produto de sua cultura de microalgas é o petróleo bruto, que pode ser fracionado nos mesmos tipos de combustíveis e compostos químicos.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos