(Micro)Algas como plataformas para a produção de químicos
Plataformas sustentáveis para a produção de químicos
Olá, leitoras e leitores.
Já mencionamos as algas anteriormente neste espaço (O churrasco do seu neto vai ser bem diferente do seu, QD-633), sobre a introdução de ao menos 0,25% de algas vermelhas (Asparagopsis taxiformis) à dieta para reduzir a emissão de metano por fermentação entérica.
Contudo, o potencial de algas e microalgas para a produção sustentável de químicos merece um texto inteiro.
As algas são plantas aquáticas que apresentam um grande potencial para a produção de produtos químicos.
Riquíssimas em substâncias como polissacarídeos, lipídios e proteínas, podem ser cultivadas em água doce ou salgada.
São uma fonte de produtos químicos que para diversas aplicações, desde a agricultura até a indústria de cosméticos.
As microalgas são um tipo especial de alga que apresenta uma série de vantagens para a produção química.
As microalgas são extremamente eficientes na produção de substâncias como carotenóides, ácidos graxos e proteínas, e aceitam ser cultivadas em ambientes extremamente restritivos quanto a temperatura, radiação, pressão, salinidade, pH ou oxigênio.
As algas são organismos unicelulares ou multicelulares de diferentes tamanhos e formas, compreendendo grupos de microalgas (microscópicas) e macroalgas/algas marinhas (macroscópicas).
Além disso, as microalgas podem se organizar em colônias e filamentos macroscopicamente visíveis.
A espécie de macroalga Macrocystis pyrifera, também conhecida como alga gigante, atinge 60 m de comprimento, enquanto as microalgas são um grupo heterogêneo menor, com organismos de tamanhos que variam de 1 µm a 1 mm, como a Chlorella, que vive em água doce ou no solo e possui células esféricas com diâmetro que varia de 2 µm a 10 µm.
As algas não compartilham um ancestral comum e são consideradas um grupo polifilético (sem um único ancestral), cujo próprio termo “algas” não possui valor taxonômico.
Ainda, as algas apresentam características diferentes quanto à sua morfologia e fisiologia.
Normalmente, as microalgas podem ser encontradas como procariontes e eucariontes e são classificadas em grupos secundários de acordo com o pigmento.
As cores das microalgas são consequência de pigmentos produzidos no cloroplasto, como clorofilas e ficobiliproteínas.
As microalgas de células procarióticas são representadas pelo filo cianobactérias e, no caso das espécies eucarióticas, existem principalmente grupos de microalgas verdes (Chlorophyta), microalgas vermelhas (Rhodophyta) e diatomáceas (Bacillariophyta).
A relação da humanidade com algas e microalgas é antiga.
Há registros de que maias, astecas e tribos nômades do norte da África adicionassem Spirulina sp às suas dietas.
Algas-marinhas marrom gigantes (kelp, ou algas laminariales, Phaeophyceae sp) eram coletadas no litoral da Escócia e queimadas para produzir álcalis nos primórdios da Revolução Industrial.
Mais recentemente, as algas e, especialmente, as microalgas vem recebendo crescente atenção por serem estruturas autotróficas, ou seja, capazes de produzir o seu próprio alimento.
Especificamente, algas absorvem luz solar e gás carbônico para se desenvolver e se reproduzir, produzindo no caminho substâncias químicas de interesse econômico.
Essa característica é extremamente atraente em um mundo cada vez mais preocupado com o acúmulo de gases de efeito estufa (GEE), entre os quais o gás carbônico é o principal, na atmosfera.
Especificamente, a explosão no interesse na produção de microalgas se deve à sua capacidade de acumular óleo, que poderia ser facilmente utilizado na produção de biodiesel e outros combustíveis.
Microalgas podem crescer de 5 a 10 vezes mais rápido do que plantas terrestres convencionais e normalmente acumulam de 20% a 50% de sua massa seca em lipídios.
Tudo isso absorvendo CO2 da atmosfera.
Enquanto os oceanos do planeta cobrem uma área consideravelmente maior do que a massa de terra, a utilização e exploração de recursos semelhantes a plantas oceânicas em uma indústria de escala ainda estão na infância.
Com a área disponível que os oceanos oferecem para a cultura e com o desenvolvimento do conhecimento sobre as algas, há um potencial inexplorado para o surgimento de uma indústria baseada em materiais extraídos de algas.
Produção Industrial
Segundo estatísticas da Organização das Nações Unidas para Agricultura e Alimentação (FAO), 137 algas cultivadas forneceram 97% da produção mundial total anual de algas em 2018, com cerca de 32,4 milhões de toneladas em base úmida.
A aquicultura de algas marinhas está localizada principalmente em países do Sudeste Asiático – China, Indonésia e Filipinas.
Embora cerca de 220 espécies sejam cultivadas em todo o mundo, apenas seis gêneros das algas marinhas fornecem mais de 95% das algas marinhas cultivadas: Saccharina, Undaria e Pyropia são essencialmente para aplicações alimentares, e Eucheuma/Kappaphycus e Gracilaria são usados principalmente para extrações de carragenina e ágar.
As algas cultivadas são predominantemente fornecidas por sistemas baseados no mar aberto (offshore).
No oceano, dependendo da espécie, as algas marinhas podem ser produzidas no fundo do mar, presas a um substrato duro, ou em linhas ancoradas flexíveis ou redes que são semeadas.
A viabilidade econômica dos sistemas agrícolas offshore continua a ser um desafio, uma vez que enfrenta muitos problemas.
Para cultivo offshore, as algas marinhas devem ser robustas, resistentes a doenças e ao crescimento de epífitas (plantas parasitas) ao longo das estações.
O local de cultura pode ser exposto a efeitos extremos das condições meteorológicas e oceânicas e estar sujeito a condições ambientais variadas.
Por essas razões, o cultivo offshore atualmente depende de algumas cepas de algas robustas, fornecendo um grande volume de biomassas monoespecíficas de baixo custo, e oferecendo uma diversidade fraca de matéria-prima de algas com qualidade variável, o que não é necessariamente adequado para o desenvolvimento de biomateriais de alto valor.
O cultivo de algas marinhas em terra (onshore) ocorre em sistemas fechados como tanques, pistas, piscinas ou lagoas.
Na maioria dos casos, a água fica sob agitação para manter as algas livremente suspensas e expostas à luz.
Uma diversidade mais ampla de gêneros de algas marinhas (exceto as maiores espécies de algas) podem ser produzidas desta forma com um maior rendimento por área em comparação com sistemas offshore.
Em terra, os sistemas oferecem um alto nível de controle sobre o ambiente incluindo nutrientes, CO2, salinidade, pH e até exposição à luz e aos raios UV, em alguns casos.
Além disso, gêneros específicos de algas marinhas podem ser selecionados para obter biopolímeros direcionados ou compostos químicos.
No entanto, a construção de infraestrutura e a manutenção das condições da fazenda têm um custo maior em comparação com a cultura offshore, e a disponibilidade de terra e a qualidade adequada da água é limitada.
Uma grande vantagem dos sistemas terrestres de fazendas de algas, em relação à coleta em oceano, é a possibilidade de produzir biomassas mais padronizadas, cuja composição química é mais previsível, atendendo assim aos requisitos para produzir produtos de alto valor, ingredientes de algas marinhas para novos mercados.
Cada uma das principais famílias de polissacarídeos de algas (ágar, alginato, carragenina) é produzida industrialmente em larga escala desde a primeira metade do século XX.
Embora os processos variem para cada tipo de polissacarídeo e dependam da espécie utilizada, todos eles são baseados em várias características comuns, explorando a natureza iônica do polissacarídeo (ajustes de pH, troca iônica, precipitação) e propriedades do hidrogel (gelificação), que pode ser precedida por um tratamento alcalino para melhorar as propriedades de gelificação e isolamento.
Esses processos foram otimizados ao longo dos anos e viram poucas mudanças fundamentais devido principalmente à limitação da quantidade de novas fábricas, uma vez que são necessários investimentos pesados para redesenhar um processo industrial, enquanto o preço de venda de polissacarídeos de algas é geralmente baixo.
A produção industrial de microalgas, por sua vez, é sempre em terra. Em 2018, a FAO registrou 87,0 toneladas de cultivo de microalgas em 11 países, sendo 86,6 t apenas da China.
Os dados disponíveis não incluíam informações de outros produtores, como Austrália, República Tcheca, França, Islândia, Índia, Israel, Itália, Japão, Malásia, Mianmar e Estados Unidos da América. Em um estudo recente, a União Europeia apresentou 23 países mapeados com 447 produtores de algas e espirulina. As principais regiões produtoras de microalgas foram Alemanha, Espanha e Itália.
Quando se fala em produção industrial de microalgas, a Spirulina sp é a espécie dominante, além de Chlorella sp, Nannochloropsis sp, e Haematococcus pluvialis.
A produção de microalgas pode ocorrer em sistemas abertos, como piscinas ou lagoas, ou em sistemas fechados, nos chamados fotobiorreatores.
Evidentemente, estes últimos permitem maior controle de qualidade e maiores produtividades às custas de maiores custos de produção.
Fotobiorreatores também permitem que se controle melhor a quantidade de água consumida no cultivo – este um grande obstáculo à expansão do cultivo de microalgas.
Além do consumo de água, o gasto energético para recuperação dos metabólitos pode ser significativo.
A concentração mássica das microalgas no líquido durante o cultivo é baixa, tipicamente abaixo de 1%.
A etapa de colheita, utilizando flotação, floculação ou centrifugação, responde por 20% a 30% do custo de produção para levar a concentração das microalagas para algo entre 2% e 7%.
Após a colheita, há a etapa de secagem, que busca levar a umidade para menos de 10%, e responde por 80% dos custos com energia.
Depois da secagem, pode ser necessária a extração dos compostos de interesse propriamente dita.
Cabe observar que o uso de floculantes para colher as microalgas dificulta o reaproveitamento da água.
Por essas razões, o uso de microalgas para a produção de biocombustíveis não deslanchou como se esperava e, mais recentemente, busca-se a obtenção de produtos com maior valor agregado.
Para ilustrar este fato, temos que após investir € 45 milhões, a Eletricidade da Madeira desistiu da produção de algas no Porto Santo (Portugal).
O plano era usar as emissões de CO2 da termoelétrica local para produzir algas e a partir daí biocombustível.
A ideia falhou e agora a Eletricidade da Madeira tenta reaver os € 45 milhões de dinheiro público investido.
A fábrica de produção de algas, uma instalação industrial à saída do porto do Porto Santo, está à venda.
A Eletricidade da Madeira desistiu do projeto após 14 anos.
Contudo, o potencial das algas e microalgas ainda é real.
A disponibilidade de terras cultiváveis é limitada e a demanda por alimentos e químicos sustentáveis é crescente.
A utilização de água residuárias e a produção de produtos de maior valor agregado do que combustíveis ainda é promissora.
As microalgas podem crescer em condições autotróficas ou mixotróficas (aproveitando também os nutrientes presentes no líquido).
A utilização de águas residuárias, portanto, além de diminuir a demanda por água potável, ainda aumenta a produtividade do cultivo.
E como as microalgas não ocupam o solo diretamente, não há o risco de contaminação ou salinização do solo pelos compostos presentes na água residuária.
Produção de nutracêuticos, cosméticos e aplicações biomédicas
Nutracêuticos, combinação das palavras “nutrientes” e “farmacêuticos” são substâncias que podem servir de alimento, ou serem ingeridas com os alimentos, e que teriam valor terapêutico, além do nutricional.
Choudary e colaboradores (2021) revisaram o potencial nutracêutico de algas marinhas.
Segundo os autores, as algas marinhas são uma rica fonte de compostos bioativos naturais, incluindo antioxidantes, flavonóides, compostos fenólicos, e alcaloides que podem ser usados como fonte alternativa de material alimentar.
Algas marinhas contêm uma grande quantidade de vitaminas, como A, D, E, C e B, e minerais, incluindo cálcio, potássio, magnésio e ferro, além de substâncias como carragenina, ágar e outros polissacarídeos que não apenas atuam como fonte de fibras, mas também podem atuar como prebióticos, o que pode beneficiar as bactérias presentes no intestino grosso.
Contudo, a falta de tecnologias para processar algas marinhas para consumo humano em escala industrial é uma séria limitação ao crescimento do setor de alimentos funcionais à base de algas marinhas, ainda que alginatos sejam há vários anos obtidos de algas.
A utilização de algas marinhas para a produção de aplicações biomédicas esbarra na ausência de métodos industrialmente viáveis para eliminação de endotoxinas, que não são um obstáculo para o consumo como alimentos, mas podem impedir o uso como medicamento (Beaumont et al., 2021).
Enquanto os biomateriais de origem animal, como o colágeno, continuam sendo a principal fonte de hidrogéis à base de proteínas, os polissacarídeos formadores de hidrogel de algas representam uma alternativa viável e não animal, e podem ser processados de forma eficiente em biomateriais de alto valor agregado com baixos níveis de impureza e reprodutibilidade lote a lote.
A Tabela 1 resume o potencial nutracêutico das algas marinhas.
Tabela 1: Potencial nutracêutico das algas-marinhas
Aslam et al (2021) descreve em artigo de revisão o potencial das (micro)algas para a indústria de cosméticos.
O extrato da cepa comercialmente conhecida Tetraselmis spp contém substâncias bioativas que reduzem o tamanho dos melanócitos e a quantidade de hiperpigmentação.
Carotenóide extraído de Tetraselmis spp também estimula o crescimento do tecido epidérmico e reduz a tensão da pele.
Um alto nível de florotaninos fenólicos bioquímicos foi relatado em algas marrons, especialmente em Desmarestiales, que pode chegar a 12% do peso seco.
Esses compostos toleram a radiação UV e atuam como antioxidantes, o que abre um potencial promissor para o setor cosmecêutico.
O extrato da alga marrom Padina australis foi relatado como um agente antioxidante natural para proteger a pele da poluição ambiental.
Cada espécie de alga compreende muitos componentes que restauram a pele danificada, melhoram o crescimento do cabelo, refrescam a cobertura externa do corpo e aumentam o processo de cicatrização e são usados na formulação de cosméticos para a pele.
Produção de Biofertilizantes e Bioestimulantes
Biofertilizantes são produtos que contêm microrganismos vivos capazes de melhorar as propriedades químicas e biológicas dos solos, estimulando o crescimento das plantas e restaurando a fertilidade dos solos.
Os bioestimulantes são produtos produzidos pelos microrganismos que, quando aplicados em pequenas doses nas sementes, nas culturas ou nos solos, são capazes de regular e melhorar os processos fisiológicos das culturas.
Certas cianobactérias e microalgas para além de terem a capacidade de realizar a fotossíntese e fixar o carbono atmosférico, são também, por vezes, capazes de fixar o nitrogênio atmosférico.
Certas espécies possuem uma enzima, denominada nitrogenase redutase, responsável pela conversão do nitrogênio atmosférico em amônia (NH3), a qual origina depois diferentes compostos azotados, como os polipeptídeos, aminoácidos, vitaminas e auxinas, as quais são posteriormente libertadas por secreção ou degradação microbiana após a morte celular.
As cianobactérias e microalgas têm demonstrado ser ferramentas bastante eficientes na restauração de solos degradados afetados pelo excesso de sais.
Estas são capazes de produzir uma camada de exopolissacarídeos (EPS) na superfície do solo, que conserva o carbono orgânico, nitrogênio e fósforo.
Estes organismos adicionam ainda matéria orgânica e nitrogênio aos solos contribuindo assim para a ligação das partículas do solo, aumentando a permeabilidade e o arejamento.
Os EPSs produzidos por estes organismos podem também servir como um reservatório de armazenamento de água em condições de escassez, e ser metabolicamente ativos quando hidratados.
Certas cianobactérias e microalgas, por serem capazes de produzir compostos com atividade antibiótica, antifúngica ou antiviral, podem interferir na fisiologia e no metabolismo de alguns patógenos e, dessa forma, protegem alguns cultivos de serem comprometidos por essas ameaças.
Assim, cianobactérias e microalgas também podem ser utilizadas como agentes de biocontrole para evitar doenças, protegendo as plantações e promovendo um maior rendimento agrícola.
Em resumo
É possível conceber uma biorrefinaria algal.
Figura 1: A biorrefinaria algal (adaptado de Oliveira e Bragotto, 2022; Loke Show, 2022).
A Figura 1 ajuda a entender o conceito.
Consumindo apenas gás carbônico, luz solar e água, mas muito menos água do que cultivos de vegetais e podendo utilizar água residuária sem o risco de salinização do solo, as algas podem fornecer alimentos, bioprodutos ou biocombustíveis.
O Brasil tem a maior planta de spirulina da América Latina, localizada em Diamantino-MT, mas um potencial ainda inexplorado para o cultivo algal.
A viabilidade da produção de microalgas em vinhaça biodigerida já foi demonstrada (Candido et al., 2021).
Assim, considerando a conversão de usinas de açúcar e álcool em biorrefinarias, um assunto-obsessão deste espaço, a vinhaça permitiria a produção de biogás e poderia ser modificada pela produção de microalgas para fertilizar ainda melhor o solo.
Isso sem contar a possibilidade de produzir alimentos ou químicos, dispondo ainda do líquido para fertirrigação.
Referências
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Beaumont M, Tran R, Vera G, Niedrist D, Rousset A, Pierre R, Shastri P, Forget A. Hydrogel-Forming Algae Polysaccharides: From Seaweed to Biomedical Applications. Biomacromolecules 2021, 22, 1027-1052. https://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.0c01406
Candido, C; Bernardo, A; Lombardi, A T . Optimization and qualitative comparison of two vinasse pre-treatments aiming at microalgae cultivation. ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL (ONLINE), v. 26, p. 359-367, 2021.
Choudhary B, Chauhan OP, Mishra A (2021) Edible Seaweeds: A Potential Novel Source of Bioactive Metabolites and Nutraceuticals WithHuman Health Benefits. Front. Mar. Sci. 8:740054. doi: 10.3389/fmars.2021.740054
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Rocha et al. 2021 Cianobactérias e Microalgas: Organismos Promissores para a Agricultura e para a Reabilitação dos Solos. CAPTAR X(1): 01-08
O AUTOR
André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar.
Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. contato: abernardo@ ufscar.br
ABEQ
A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos.
Mais informações: https://www.abeq.org.br/
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