12.3 Algaepônica

12.3.1 Fundo

As microalgas são fotoautotróficos unicelulares (variando de 0,2 μm a 100 μm) e são classificadas em vários grupos taxonômicos. Microalgas podem ser encontradas na maioria dos ambientes, mas são encontradas principalmente em ambientes aquáticos. O fitoplâncton é responsável por mais de 45% da produção primária mundial, além de gerar mais de 50% do OSub2/sub atmosférico. Em geral, não há grande diferença na fotossíntese de microalgas e plantas superiores (Deppeler et al. 2018). No entanto, devido ao seu tamanho menor e à redução de um número de organelas fisiológicas competitivas internamente, as microalgas podem crescer muito mais rápido do que as plantas mais altas (Moheimani et al. 2015). As microalgas também podem crescer sob condições de nutrientes limitadas e ter a capacidade de se adaptar a uma gama mais ampla de condições ambientais (Gordon and Polle 2007). Mais importante ainda, a cultura de microalgas não compete com a produção de alimentos em terras aráveis e água doce (Moheimani et al. 2015). Além disso, as microalgas podem utilizar eficientemente nutrientes inorgânicos de efluentes residuais (Ayre et al. 2017). Em geral, a biomassa microalgal contém até 50% de carbono, tornando-os um candidato perfeito para biorremediação atmosférica de COSub2/Sub (Moheimani et al. 2012).

O aumento da agricultura e da produção animal em todo o mundo resultou em aumentos significativos do nitrogênio e fósforo biologicamente disponíveis que entram na biosfera terrestre (Galloway et al. 2004). Os sistemas de cultivo e animal e de esgoto contribuem com quantidades significativas para essas cargas de nutrientes (Schoumans et al. 2014). A infiltração desses nutrientes em riachos de água pode causar problemas ambientais maciços, como flores nocivas de algas e mortalidade em massa de peixes. Por exemplo, nos EUA, a poluição nutritiva proveniente da agricultura é reconhecida como uma das principais fontes de eutrofização (Sharpley et al. 2008). Controlar o fluxo de nutrientes das operações agrícolas para o ambiente circundante resulta em desafios técnicos e econômicos que devem ser superados para reduzir tais efeitos. Houve vários processos bem sucedidos desenvolvidos para tratar efluentes residuais com altas cargas orgânicas. No entanto, quase todos esses métodos não são muito eficazes na remoção de elementos inorgânicos da água. Além disso, alguns desses métodos são bastante caros de operar. Um método simples para o tratamento de resíduos orgânicos é a digestão anaeróbica (AD). O processo AD é bem compreendido e, quando operado de forma eficiente, pode converter mais de 90% das matérias orgânicas de águas residuais em bio-metano e CoSub2/Sub (Parkin e Owen 1986). O metano pode ser usado para gerar eletricidade e o calor gerado pode ser usado para vários fins adicionais. No entanto, o processo AD resulta na criação de um efluente de digestão anaeróbio (EDA) que é muito rico em fosfato inorgânico e nitrogênio, bem como alta CQO (demanda de oxigênio de carbono). Em certos locais, este efluente pode ser tratado com microalgas e macroalgas (Ayre et al. 2017).

12.3.2 Sistemas de crescimento de algas

Uma vez que o comité das Nações Unidas recomendou que as culturas agrícolas convencionais fossem complementadas com alimentos ricos em proteínas de origem não convencional, as microalgas tornaram-se candidatas naturais (Richmond e Becker 1986). O primeiro cultivo de microalgas foi alcançado em 1890 pela cultura\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). Devido ao fato de que as microalgas normalmente se dividem em uma determinada hora do dia, o termo ciclostato foi desenvolvido para introduzir um ciclo claro/escuro (circadiano) para a cultura (Chisholm e Brand 1981). A cultura em grande escala de microalgas e o uso parcial de sua biomassa especialmente como base para certos produtos, como lipídios, foi provavelmente iniciado seriamente em 1953 com o objetivo de produzir alimentos a partir de uma cultura em larga escala de *chlorela\ * (Borowitzka 1999). Normalmente, as algas podem ser cultivadas em líquido usando lagoas abertas (Borowitzka e Moheimani 2013), fotobiorreatores fechados (Moheimani et al. 2011) ou uma combinação desses sistemas. As algas também podem ser cultivadas como biofilmes (Wijihastuti et al. 2017).

Fotobioreatores fechados (após Moheimani et al. 2011): Culturas de algas fechadas (fotobiorreatores) não são expostas à atmosfera, mas são cobertas com um material transparente ou contidas dentro de tubos transparentes. Os fotobiorreatores têm a vantagem distinta de prevenir a evaporação. Os fotobiorreatores fechados e semi-fechados são usados principalmente para a produção de produtos de algas de alto valor. Devido ao custo global das despesas operacionais (OPEX) e das despesas de capital (CAPEX), os fotobiorreatores fechados são menos económicos do que os sistemas abertos. Por outro lado, há menos contaminação e menos perdas de COSub2/Sub, e ao criar condições de cultivo reprodutíveis e flexibilidade no design técnico, isso os torna um bom substituto para lagoas abertas. Algumas das fraquezas dos sistemas fechados podem ser superadas por (a) redução do caminho da luz, (b) resolução da complexidade do cisalhamento (turbulência), redução da concentração de oxigênio e (c) um sistema de controle da temperatura. Os fotobiorreactores fechados dividem-se principalmente em (a) carboys, (b) tubular, (c) transporte aéreo e (d) fotobiorreactores em placa.

Lagoas abertas (depois de Borowitzka e Moheimani 2013): Lagoas abertas são mais comumente usadas para o cultivo de microalgas ao ar livre em larga escala. A grande produção comercial de algas é baseada em canais abertos (pistas) que são menos caros, mais fáceis de construir e operar quando comparados com fotobiorreatores fechados. Além disso, o crescimento de microalgas encontra menos dificuldades em sistemas de cultivo abertos do que fechados. No entanto, apenas algumas espécies de microalgas (por exemplo, Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) foram cultivadas com sucesso em lagoas abertas. Os custos de produção de microalgas comerciais são elevados, aproximados entre 4 e 20\ $US/GSUP-1/Sup. A cultura de microalgas comerciais de lagoas abertas ao ar livre desenvolveu-se ao longo dos últimos 70 anos, e ambas as lagoas ainda (não agitadas) e agitadas foram desenvolvidas e utilizadas em uma base comercial. As grandes lagoas abertas não agitadas são simplesmente construídas a partir de lagoas de água naturais com camas abertas que geralmente têm menos de 0,5 m de profundidade. Em algumas lagoas menores, a superfície pode ser revestida com folhas de revestimento de plástico. Os lagos abertos não agitados representam o mais econômico e menos técnico de todos os métodos de cultura comercial e têm sido comercialmente utilizados para a produção de β-caroteno Dunaliella salina na Austrália. Tais lagoas são principalmente limitadas a microalgas em crescimento que são capazes de sobreviver em condições precárias ou têm uma vantagem competitiva que lhes permite superar contaminantes como protozoários, microalgas indesejadas, vírus e bactérias. As lagoas agitadas, por outro lado, têm a vantagem de um regime de mistura. A maioria das lagoas agitadas são (a) lagoas circulares com agitadores rotativos ou (b) lagoas de pista simples ou unidas.

As lagoas de cultivo circulares têm sido utilizadas principalmente para o cultivo em larga escala de microalgas, especialmente no Sudeste Asiático. As lagoas circulares de até 45 m de diâmetro e geralmente 0,3-0,7 m de profundidade são descobertas, mas há alguns exemplos que são cobertos por cúpulas de vidro. As baixas tensões de cisalhamento que são necessárias para a produção de microalgas são produzidas nestes sistemas, particularmente no centro da lagoa, e esta é uma vantagem distinta destes tipos de sistemas. Algumas desvantagens incluem estruturas de concreto caras, uso ineficiente do solo com grandes pegadas, dificuldades em controlar o movimento do dispositivo de agitação e o custo adicional no fornecimento de CoSub2/Sub.

As pistas conduzidas por rodas de pás são o sistema de cultivo de microalgas comerciais mais comum. As pistas geralmente são construídas em um único canal ou como canais vinculados. As pistas são geralmente rasas (0,15 a 0,25 m de profundidade), são construídas em um loop e normalmente cobrem uma área de aproximadamente 0,5 a 1,5 ha. Raceways são principalmente utilizados e recomendados para a maior cultura comercial de três espécies de microalgas, incluindo Chlorella, Spirulina e Dunaliella. Um alto risco de contaminação e baixa produtividade, resultante principalmente de maus regimes de mistura e penetração de luz, são as principais desvantagens desses sistemas abertos. Nas pistas, foram demonstradas possíveis concentrações de biomassa de até 1000 mg de peso seco. LSUP-1/Sup e produtividades de 20 g de peso seco.msup2/sup.dsup-1/sup.

O preço da produção de microalgas torna a realização económica altamente dependente da comercialização de produtos caros e exclusivos, para os quais a procura é naturalmente restrita. As pistas também são o sistema de cultivo mais utilizado para o tratamento de águas residuais (Parks and Craggs 2010).

Cultivo Sólido (após Wijihastuti et al. 2017): Um método alternativo de cultivo de microalgas é imobilizar as células em uma matriz polimérica ou anexá-las à superfície de um suporte sólido (biofilme). Em geral, o rendimento de biomassa dessas culturas é, pelo menos, 99% mais concentrado do que as culturas de base líquida. A desidratação é uma das partes mais caras e intensas de energia de qualquer produção de algas em massa. A principal vantagem do crescimento do biofilme é o potencial de reduzir o processo de desidratação e o respectivo consumo de energia e, portanto, os custos. O cultivo de biofilmes também pode aumentar a captura de luz celular, reduzir o estresse ambiental (por exemplo, pH, salinidade, toxicidade metálica, irradiância muito elevada), reduzir o custo de produção e reduzir o consumo de nutrientes. Métodos de cultivo à base de sólidos podem ser usados para o tratamento de águas residuais (remoção de nutrientes e metais). Existem três métodos principais para o cultivo de biofilme: (a) 100% submerso diretamente em meio, (b) parcialmente submerso em meio e (c) usando um substrato poroso para fornecer os nutrientes e a umidade do meio para as células.

12.3.3 Requisitos de nutrientes para crescimento de algas

Uma série de fatores físicos, químicos e biológicos inibitórios podem inibir a alta produção de microalgas. Estes são descritos no quadro 12.1.

Um conhecimento básico das limitações críticas de crescimento é provavelmente o fator mais essencial antes de aplicar qualquer microalga a qualquer processo. A luz é de longe o fator limitante mais importante que afeta o crescimento de qualquer alga. A temperatura também é um fator crítico para a produção de algas em massa (Moheimani e Parlevliet 2013). No entanto, essas variáveis são difíceis de controlar (Moheimani e Parlevliet 2013). Ao lado da luz e da temperatura, os nutrientes são o fator limitante mais importante que afeta o crescimento de qualquer alga (Moheimani e Borowitzka 2007) e cada espécie de microalgas tende a ter suas próprias necessidades de nutrientes ideais. Os nutrientes mais importantes são o nitrogênio, o fósforo e o carbono (Oswald 1988). A maioria

tabela tbody tr Fatores Thabióticos/th td Luz (qualidade, quantidade) /td /tr tr class=“ímpar” td/td td A temperatura /td /tr tr class=“mesmo” td/td td Concentração de nutrientes /td /tr tr class=“ímpar” td/td td OSUB2/Sub /td /tr tr class=“mesmo” td/td td Cosub2/sub e pH /td /tr tr class=“ímpar” td/td td Salinidade /td /tr tr class=“mesmo” td/td td Produtos químicos tóxicos /td /tr tr class=“ímpar” thFatores bióticos/th td Patógenos (bactérias, fungos, vírus) /td /tr tr class=“mesmo” td/td td Concorrência de outras algas /td /tr tr class=“ímpar” oFactores operacionais/th td Cisalhamento produzido por mistura /td /tr tr class=“mesmo” td/td td Taxa de diluição /td /tr tr class=“ímpar” td/td td profundidade /td /tr tr class=“mesmo” td/td td Frequência da colheita /td /tr tr class=“ímpar” td/td td Adição de bicarbonato /td /tr /tbody /tabela

Quadro 12.1 Limites ao crescimento e produtividade das microalgas (Moheimani e Borowitzka 2007)

As algas respondem à limitação de N aumentando seu teor lipídico (Moheimani 2016). Por exemplo, Shifrin e Chisholm (1981) relataram que em 20 a 30 espécies de microalgas que examinaram, as algas aumentaram seu conteúdo lipídico sob privação de N. O fósforo é também um importante nutriente necessário para o crescimento de microalgas, uma vez que desempenha um papel essencial no metabolismo e regulação celular, estando envolvido na produção de enzimas, fosfolípidos e compostos abastecedores de energia (Smith 1983). Estudos de Brown e Button (1979) sobre alga verde Selenastrum capricornutum mostraram uma aparente limitação de crescimento quando a concentração de fosfato do meio foi inferior a 10 nM. CoSub2/Sub é também um nutriente crítico para alcançar alta produtividade de algas (Moheimani 2016). Por exemplo, se CoSub2/Sub adicional não for adicionado à cultura de algas, a produtividade média pode ser reduzida em até 80% (Moheimani 2016). No entanto, a adição de CoSub2/Sub a lagoas de algas é bastante dispendiosa (Moheimani 2016). A maneira mais econômica de introduzir CoSub2/Sub a um meio de cultura é a transferência direta do gás para a mídia borbulhando através de pedras porosas sinterizadas ou usando tubos sob folhas de plástico submersas como injetores Cosub2/Sub (Moheimani 2016). Infelizmente, em todos estes métodos ainda há uma grande perda de COSub2/sub para a atmosfera devido ao curto tempo de retenção das bolhas de gás na suspensão de algas.

Embora a adição de N, P e C seja crítica, outros nutrientes também afetam o crescimento e o metabolismo das microalgas. A falta de outros nutrientes, como o manganês (Mn) e vários outros catiões (MgSup2+/Sup, KSUP+/Sup e CasuP2+/Sup), também é conhecida por reduzir o crescimento de algas (Droop 1973). Os oligoelementos também são críticos para o crescimento das microalgas e algumas microalgas também necessitam de vitaminas para o seu crescimento (Croft et al. 2005). Uma maneira eficaz e barata de fornecer nutrientes é combinando cultura de algas e tratamento de águas residuais, que é discutido imediatamente abaixo.

12.3.4 Tratamento de algas e águas residuais

Com o aumento da deterioração ambiental e a maior necessidade de gerar fontes alternativas de alimentação e energia, há o impulso para explorar a viabilidade de tratamentos biológicos de águas residuais, juntamente com a recuperação de recursos. Os tratamentos de águas residuais microalgas têm sido particularmente atraentes, devido às atividades fotossintéticas de algas, onde a luz é transferida para biomassa rentável. Sob certas condições, a biomassa microalga cultivada em águas residuais pode ser equivalente ou superior na produção de biomassa a espécies vegetais superiores. Assim, o processo pode transformar um produto residual em produtos úteis (por exemplo, alimentos para animais, alimentos para aquicultura, bio-fertilizantes e bioenergia). Assim, o efluente residual não é mais um produto residual negativo, mas torna-se um substrato valioso para a produção de substâncias importantes e a biorremediação bem-sucedida de águas residuais microalgas tem sido relatada há mais de meio século (Oswald e Gotass 1957; Delrue et al. 2016). De fato, a fitorremediação de algas fornece uma solução ambientalmente favorável para o tratamento de águas residuais, uma vez que pode utilizar nutrientes orgânicos e inorgânicos de forma eficiente (Nwoba et al. 2017). As culturas microalgas possuem um enorme potencial para as etapas posteriores do tratamento de águas residuais, especialmente para a redução de ‘N’, ‘P’ e ‘CQO’ (Nwoba et al. 2016). Além disso, a capacidade adicional das microalgas para crescer através de diferentes condições nutricionais, tais como condições fotoautotróficas, mixotróficas e heterotróficas, também aumenta suas capacidades na remoção de vários tipos diferentes de poluentes e produtos químicos de matrizes aquosas. A capacidade das microalgas em sequestrar carbono (CoSub2/Sub) permite a biorremediação Cosub2/Sub. A relação alga-bactéria sincronizada estabelecida também é idealmente sinergética para a biorremediação de águas residuais (Munoz e Guieysse 2006). Através da fotossíntese, as microalgas fornecem oxigênio requerido por bactérias aeróbias para a mineralização da matéria orgânica, bem como a oxidação de NHsub4/SubSUP+/SUP (Munoz e Guieysse 2006). Em troca, as bactérias fornecem dióxido de carbono para o crescimento de microalgas, reduzindo significativamente a quantidade de oxigênio necessária para o processo geral de tratamento de águas residuais (Delrue et al. 2016). Em geral, os efluentes residuais com baixas relações de carbono e azoto são fundamentalmente adequados ao crescimento de organismos fotossintéticos. Mais importante ainda, os tratamentos de águas residuais domésticas e agrícolas microalgas são uma opção atraente, uma vez que a tecnologia é relativamente fácil e eles exigem energia muito baixa em comparação com o padrão de tratamento de efluentes. A otimização do tratamento de águas residuais microalgas em lagoas de pista de grande escala é atraente, uma vez que combina o tratamento eficaz de um produto residual nocivo e a produção de biomassa de algas potencialmente valiosa rica em proteínas. A Figura 12.1 resume um sistema de circuito fechado para o tratamento de qualquer resíduo orgânico por combinação de digestão anaeróbica e cultivo de algas.

12.3.5 Algas e aquapônica

As microalgas na aquicultura e nos sistemas aquánicos são muitas vezes vistas como um incômodo, pois podem restringir os fluxos de água entupindo os tubos, consomem oxigênio,

Fig. 12.1 Sistema de processo integrado para usar a cultura de algas para o tratamento de resíduos orgânicos e potenciais usuários finais. (O processo é projetado com base em informações de Ayre et al. 2017 e Moheimani et al. 2018)

pode atrair insetos, reduzir a qualidade da água e quando a decomposição pode esgotar o oxigênio. No entanto, um experimento de Addy et al. (2017) mostra que as algas podem melhorar a qualidade da água em um sistema aquapônico, ajudar a controlar quedas de pH relacionadas ao processo de nitrificação, gerar oxigênio dissolvido no sistema, ‘produzir ácidos graxos poliinsaturados como alimento de peixe de valor agregado e adicionar diversidade e melhorar resiliência ao sistema”. Um dos “grãos sagrados” da aquapônica é produzir pelo menos parte do alimento que é alimentado aos peixes como parte do sistema e é aqui que a pesquisa é necessária na produção de algas que poderiam ser cultivadas com parte da água aquapônica, provavelmente em um loop separado, que pode então ser alimentado como parte do dieta para os peixes.