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O princípio por trás do desenvolvimento e produção de microalgas é relativamente simples. Para responder aos requisitos biológicos destas culturas, foram desenvolvidos vários tipos de tecnologias. A tecnologia mais favorável à produção de microalgas depende do produto alvo, por isso, é necessário ter atenção cuidada na seleção da espécie e no conhecimento da sua fisiologia (Dimitrov 2007).

1.7.1. _{Sistemas de produção fotoautotróficos}

Neste tipo de sistemas de produção, as microalgas usam luz como fonte de energia única

e CO2 como fonte de carbono. Foram os primeiros sistemas a ser criados, sendo atualmente os

mais difundidos. Os sistemas de produção fotoautotróficos podem ser abertos, fechados ou híbridos.

22 | INTRODUÇÃO

1.7.1.1. _{Sistemas de cultura abertos}

Os sistemas de cultura abertos são os mais baratos para produção de biomassa microalgal em grande escala porque, como podem ser implementados em áreas com potencial produtivo de cultura marginal, não competem forçosamente por terra com culturas agrícolas.

Quando comparados com os sistemas de cultura fechados, os sistemas de cultura abertos são menos dispendiosos para construir e operar, mais duráveis e com grande capacidade de produção. No entanto, geralmente são mais suscetíveis às condições meteorológicas, devido a ciclos diurnos e variações sazonais, não permitindo o controlo da temperatura da água, nem o

controlo dos níveis de CO2, devido à sua difusão na atmosfera. Para além disso, normalmente

possuem mecanismos de agitação ineficientes; apresentam riscos de contaminação elevados, nomeadamente por outras espécies de algas, protozoários, bactérias e outros contaminantes biológicos. Para as microalgas receberem energia solar suficiente para crescer, o nível de água não pode ser mantido muito mais alto do que 15 cm (Benemann & Oswald 1996; Carlsson et al. 2007). Todos estes fatores tornam estes sistemas menos eficientes, quando comparados com os sistemas fechados (Richmond 2004).

Normalmente, os sistemas de cultura abertos são projetos "raceway", nos quais as microalgas são cultivadas (Figura 4). Estes representam o design mais eficiente para a produção em larga escala (Spolaore et al. 2006). A água é normalmente mantida em movimento por rodas de pás ou estruturas rotativas (Mata et al. 2010). Os nutrientes podem ser fornecidos através de águas de escoamento de terras próximas, ou através da canalização da água das estações de tratamento de resíduos (Spolaore et al. 2006).

INTRODUÇÃO | 23 As lagoas circulares representam os sistemas mais antigos de cultivo de algas, em grande escala. Estes sistemas possuem um agitador rotativo articulado central e a sua profundidade é de

cerca de 0,3 m. A conceção destes sistemas limita o tamanho da lagoa a cerca de 10,000 m2

porque misturar usando o braço rotativo não é possível em tanques maiores. Estes sistemas têm a limitação de requerer uma construção em cimento caro e entradas de alta energia para satisfazer as necessidades de mistura (Borowitzka 2005).

No que diz respeito aos sistemas inclinados, a cultura é continuamente bombeada a partir do topo para o fundo de uma superfície inclinada, obtendo um fluxo altamente turbulento, que conduz à existência de camadas muito finas de cultura (menos de 1 cm). Estas características

conduzem a concentrações de células mais elevadas (até 10 g L-1) (Šetlík et al. 1970).

1.7.1.2. _{Sistemas de cultura fechados}

Devido às dificuldades encontradas na operação dos sistemas abertos, foi proposta uma outra abordagem para a produção de biomassa de microalgas. Esta nova abordagem baseia-se em sistemas fechados, mais conhecidos como fotobiorreatores (FBRs), onde a maioria dos problemas associados aos sistemas abertos são resolvidos. No entanto, isso não significa que os sistemas fechados não têm obstáculos técnicos e operacionais a serem superados. Os FBRs são caracterizados pela regularização e controlo de parâmetros quase todos bióticos e abióticos importantes para o cultivo de microalgas e têm uma série de benefícios, quando comparados com os sistemas abertos (Pulz 1992). A maioria da investigação atual e experiências relativas ao cultivo de microalgas acontecem em FBRs (Eriksen 2008). Os mais utilizados são os FBRs tubulares, planos e em coluna (Eriksen 2008).

Os FBRs tubulares podem ser dispostos na horizontal, inclinados, na vertical, ou em forma de espiral. Em relação ao modo de operação, existem dois tipos de FBRs tubulares: os reatores em que a mistura é levada a cabo através de bombeamento mecânico, ou tecnologia airlift, o meio líquido existe apenas no reator e as trocas de gás ocorrem num compartimento separado; e os reatores nos quais o líquido e a fase de gás estão presentes no mesmo compartimento, ocorrendo por isso a transferência contínua de gás no reator. Hoje em dia, os FBRs maiores usam a configuração tubular (Pulz 2001). Este FBR permite a troca de gases com o meio ambiente onde

ocorre a saída de O2 e entrada de CO2 no meio de cultura. Além disso, este sistema proporciona

24 | INTRODUÇÃO

cultura de microalgas à luz solar. Tipicamente, os tubos têm diâmetros limitados a 0,1 m ou menos, porque com diâmetros maiores, a luz torna-se um fator limitante, uma vez que não pode penetrar completamente na cultura (Chisti 2007). O tamanho dos tubos também é limitado devido

à potencial acumulação de O2 que limita a fotossíntese e, por conseguinte, provoca uma

diminuição na produtividade, esgotamento do CO2 e mudanças de pH no meio de cultura (Eriksen

2008).

No que diz respeito aos FBRs planos, estes ganharam atenção especial devido a dois fatores muito importantes que influenciam a produção de microalgas: maior superfície de captação solar e elevada densidade de biomassa obtida. Este facto é extremamente importante, uma vez que reduz muito o custo do processo. Além disso, os FBRs planos têm baixa acumulação de oxigénio dissolvido e alta eficiência fotossintética (Brennan & Owende 2010). As desvantagens associadas a FBRs planos incluem dificuldade em controlar a temperatura da cultura, algum grau de crescimento na parede, possibilidade de stresse hidrodinâmico para algumas estirpes de microalgas e o aumento de escala requer muitos compartimentos e materiais de apoio.

Em relação aos FBRs estes são constituídos por uma unidade de geração de bolhas de ar, que tem duas funções distintas: misturar o meio de cultura para aumentar a eficiência fotossintética e realizar a transferência de gases. Em comparação com os outros tipos de FBRs, estes proporcionam uma mistura mais eficiente da cultura, maior transferência de gás volumétrico e um maior controlo sobre as condições do meio de cultura (Eriksen 2008; Mata et al. 2010; Suzuki et al. 1995).

1.7.1.3. _{Sistemas híbridos}

Sistemas híbridos combinam os FBRs fechados e os sistemas abertos para a produção de biomassa de microalgas. Estes sistemas foram concebidos a fim de maximizar as vantagens e minimizar as desvantagens inerentes a ambos, sem aumentar muito o custo de produção (Huntley & Redalje 2007). A operação dos sistemas híbridos ocorre em duas fases distintas. A primeira fase consiste na produção de biomassa em FBRs num meio de cultura rico em nutrientes e com as condições de cultura controladas. A segunda fase opera em sistemas de lagoas abertas, onde a biomassa produzida no passo 1 é sujeita a pressões ambientais, tais como o défice de azoto e de fósforo e de elevada luminosidade, que aumenta a síntese do produto lipídico e dos carbohidratos.

INTRODUÇÃO | 25 Os stresses ambientais podem ocorrer naturalmente por meio da transferência da cultura do FBR para o sistema aberto (Huntley & Redalje 2007; Rodolfi et al. 2009).