Cultivo de microalgas em fotobiorreatores

Este artigo é um breve relato sobre o cultivo de microalgas e os principais tipos de reatores.

Figura: Fotobiorreatores para cultivo de microalgas: a) lagoa aberta; b) tubular horizontal; c) painel; d) tanque agitado; e) coluna de bolhas; f) airlift com loop interno; g) airlift com loop interno concêntrico; h) airlift com loop externo. Fonte: Adaptado de CHEN et al. (2016) e GUPTA; LEE; CHOI (2015).

Breve histórico

A ideia de se cultivar algas em grande quantidade foi concebida em 1952, no Instituto Carnegie em Washington (EUA).

Na década de 1960, pesquisadores japoneses experimentaram um cultivo aberto com sistema de circulação, utilizando uma lagoa aberta na qual uma suspensão de algas circulou através de uma série de tubos móveis para a injeção de meio de cultura fresco (BOROWITZKA, 2013). A tecnologia mais empregada para cultivo de microalgas em larga escala, ainda, é o uso de lagoas abertas.

Lagoas abertas: vantagens e desvantagens

Apesar de serem relativamente baratos e fáceis de colocar em operação, estes biorreatores oferecem maior risco de contaminação, problemas como menor taxa de transferência de massa gás-líquido, evaporação da água, difícil agitação e pouco controle da temperatura, além de serem necessárias grandes áreas para sua implementação. Esses fatores fazem desse reator um sistema de cultivo não apropriado para produção de fármacos e ingredientes para a indústria alimentícia (GUPTA; LEE; CHOI, 2015; AMINI et al., 2016). Além disso, a concentração de biomassa nesses sistemas é normalmente baixa (0,5 a 1,0 kg m-3) (HUESEMANN et al., 2016), o que requer que um grande volume de água seja removido na recuperação da biomassa, encarecendo o processo. Na tentativa de superar as desvantagens do cultivo aberto, existem diversos fotobiorreatores fechados de variadas formas e volumes.

Fotobiorreatores fechados

Com base na superfície iluminada, os fotobiorreatores são categorizados em planos, tubulares ou em coluna. Com base no modo de fluxo de líquido, eles podem ser agrupados em tipo agitado, coluna de bolhas ou airlift.

Idealmente, os fotobiorreatores devem ter grande superfície transparente, mínimo de partes não iluminadas, altas taxas de transferência de massa e deve atingir elevado crescimento de biomassa (GUPTA; LEE; CHOI, 2015).

Apesar dos reatores fechados reduzirem o risco de contaminação e possibilitarem a produção de produtos para fins farmacêuticos e alimentícios, algumas desvantagens ainda fazem esse tipo de biorreator economicamente inviável para produtos finais de baixo custo. Para volumes maiores que 100 L, há limitação da difusão de luz, agravada também pela formação de biofilme na superfície (GUPTA; LEE; CHOI, 2015).

No cultivo de microalgas, a agitação deve ser considerada para promover uma exposição homogênea das células à luz, aumentando a disponibilidade de nutrientes por mantê-las em suspensão e evitando, assim, a sedimentação das microalgas. A não agitação resultaria na exposição somente das primeiras camadas, sendo as camadas subsequentes sub-expostas (MONTEIRO; LUCHESE; ABSHER, 2010).

• Tanques agitados

São os reatores convencionais, nos quais a agitação é feita por um impelidor, cujas funções são homogeneizar a mistura e garantir a transferência de calor e massa, incluindo a aeração. Dessa forma, a dispersão da luz é alta, já que há pouca incidência de zonas escuras no interior do reator, consequentemente a produção de biomassa também é alta. No entanto, a agitação mecânica gera muito mais calor do que o borbulhamento de gases, além dos custos de operação serem mais elevados (GUPTA; LEE; CHOI, 2015). Uma das vantagens deste reator é a possibilidade de variar o tipo de operação do processo, podendo ser em batelada, batelada alimentada ou em modo contínuo. O modo de operação contínuo é particularmente interessante devido ao constante suprimento de nutrientes. No entanto, a configuração deve ser apropriada para garantir a condição de estado contínuo e evitar a lavagem das células ou contaminação. Um dos estudos nesta área propôs o uso de membranas de troca iônica para o contínuo suprimento de nutrientes, o que proporcionou aumento na produção de biomassa (FU et al., 2016).

• Tubular

É um dos mais apropriados para o cultivo em ambientes externos, principalmente pela elevada área de superfície de iluminação. Dos reatores tubulares, a coluna de bolhas é uma alternativa ao tanque agitado, sendo a agitação e a mistura promovidas pelo borbulhamento de gás. O desenho é simples, com a altura maior do que duas vezes o diâmetro. Como a luz é provida externamente, a eficiência fotossintética depende principalmente da vazão do gás, a qual depende do ciclo claro/escuro, com o líquido sendo circulado regularmente da zona central escura para a zona mais externa de acordo com a vazão do gás (GUPTA; LEE; CHOI, 2015).

Dos reatores tubulares, o mais popular e relativamente fácil de escalonar em ambientes abertos é o tubular horizontal. Estes reatores são constituídos por tubos transparentes, de vidro ou plástico, arranjados de diversas maneiras de modo a maximizar a captura da luz solar, sendo a circulação das algas promovida por bombas ou por sistema de bolhas (ILUZ; ABU-GHOSH, 2016). Normalmente, esses tubos possuem diâmetros de 10 a 60 mm e comprimentos de até 100 m (GUPTA; LEE; CHOI, 2015). Apesar das diversas vantagens, o fenômeno de fotoinibição é muito comum, e tubos muito longos são caracterizados por gradientes de O2 e CO2 ao longo dos mesmos. Uma nova adaptação ao tradicional fotobiorreator tubular foi empregada com simples ajustes para gerar ciclos de alta/baixa iluminação (efeito de luz combinada/flutuante) para aumentar significativamente, acima de 55%, o crescimento de microalgas (ILUZ; ABU-GHOSH, 2016). Ainda, a produção em larga escala requer um sistema de refrigeração eficiente devido a alta relação área superficial e volume, que tende a superaquecer o sistema (GUPTA; LEE; CHOI, 2015).

• Airlift

O reator airlift se difere da coluna de bolhas pela separação física das duas zonas interconectadas (correntes que sobem e descem). O gás é borbulhado na corrente ascendente, resultando na elevação das bolhas, que pela diminuição da densidade do fluido faz com que este se mova para cima. Como as bolhas se desprendem do líquido no topo da coluna, o líquido mais pesado é naturalmente recirculado para baixo, promovendo sempre um fluxo de líquido baseado nas diferenças de densidade. Isso faz com que a eficiência de mistura seja melhor do que na coluna de bolhas (GUPTA; LEE; CHOI, 2015).

• Painel

Outra configuração são os reatores em painel, os quais possuem geometria simples e reduzem a profundidade do caminho da luz na superfície. A principal característica é a alta razão entre área superficial e volume e ausência de meios mecânicos para a circulação das células. Contudo, este sistema é mais utilizado para cultivos em pequena escala ou em pesquisa, pela necessidade de diversos compartimentos e materiais de suporte, dificuldade no controle da temperatura e alguns problemas associados ao estresse hidrodinâmico resultante da aeração (GUPTA; LEE; CHOI, 2015).