Potencialidades biotecnológicas de microalgas

Carlos Augusto Cabral Kramer (LAQOA-IQ-
UFRN/PPGQ/PRH30)
Drª Marta Costa (IQ-UFRN)
1

Ementa
• Aspectos biológicos e Contexto ambiental;
•Definição: macroalgas e microalgas;
• Aplicações Industriais (algas): farmacêuticas , alimentícias, tratamento de efluentes,
produção de bioetanol, biodiesel, biogás, bio-óleo.
• Formas e técnicas de cultivo e Etapas de crescimento;
•Composição e formas de reserva energética;
• Créditos de carbono;
• Técnicas de extração de lipídios;
• Análise instrumental;
• Linhas de pesquisas associadas e Projetos inovadores;
•Planta piloto de produção de microalgas do RN. 2

Sistemas aquáticos
Plâncton Bentos
3
Algas

Plâncton
Do grego “andarilho”: Organismos em geral microscópicos, pouco
móveis (vivem em suspensão), não muito complexos, base da cadeia
alimentar aquática
FitoplânctonZooplâncton Bacterioplâncton
pulga d`água dáfnia
(Daphnia pulex),
Exemplo de
Bacterioplacton (Não
realiza fotossíntese)
Microalga Spirulina –
suplemento protéico
e vitamínico
4

Bentos
Podwój wielki
Zoobentos Fitobentos
Alga verde Parenquimatosa Codium sp
5

Algas
•“Algae” – Erva do mar (Latin);
• Sem vasos condutores de seiva;
• Não possuem folhas, caules e raízes legítimos
•Uni ou pluricelulares;
•Células eucariontes;
•Seres autotróficos – fotossíntese.
6

Fotossíntese
Armazenar energia
7

Macroalgas
Algas verdes Algas vermelhas
Algas marrons
9

Macroalgas
• São fotossintéticos;
• Estão presentes em água doce e salgada;
• Espécies macro ou microscópicas;
10

Algas verdes
• Únicas algas presentes no reino plantae*
* Ancestral em comum com as plantas terrestres
11
• Parede celular: Celulose;
• Substância de reserva: Amido;
• Presença de becaroteno;
• Nos cloroplastos presença da clorofila A e B
•Absorvem na região no vermelho e do azul, espalham a luz verde

Celulose
12
Biopolímero de glicose
Glicose aberta Beta glicose

Betacaroteno
Pigmento carotenoide
•Atividade antioxidante;
•Precursor da vitamina A;
•Benefício à visão noturna;
•Melhora elasticidade da pele;
•Dar força e brilho às unhas e cabelos
13
Algas verdes

Algas verdes
Clorofila A e B
14

Curiosidade: Semelhança entre hemoglobina e
clorofila
15

• Carboidrato formado por ligações glicosídicas;
• Fonte de energia;
• Encontrado também no arroz, no milho, na mandioca e em
outros vegetais.
16
Algas verdes
Amido
Alfa glicose

Amido
Monômero
17
Algas verdes

Algas marrons
•Parede celular: Celulose;
•Substância de reserva: Manitol (um tipo de açúcar);
•Nos cloroplastos presença da clorofila A e C
•Pigmento Fucoxantina (cor marrom)
Fucoxantina
18

Algas marrons
19
Macroscópica
Microscópica

Algas vermelhas
• Presentes em salgada (maioria)
• Podem se reproduzir de forma sexuada e assexuada;
• Parede celular: Celulose;
• Substância de reserva: Amido
• Nos cloroplastos presença da clorofila A
20

Principais usos de algas
•Alimentação;
•Fabricação de fertilizantes;
•Produção de cosméticos;
•Investigação fitoquímicas;
•Extração de produtos naturais (antioxidantes, corantes, ácidos graxos,
pigmentos);
•Produção de bio combustíveis (biodiesel; bioetanol; biogás)
•Tratamento de efluentes industriais e domésticos;
•Captura de gás carbônico industrial;
21

Consumo de humano de algas
• Uso desde antiguidade no extremo oriente (uso associado à saúde) e com os nativos
americanos;
• Atualmente a FAO (Organização de comida e agricultura – ONU) estimam a
produção anual de 7.000.000 t de algas (metade destinado apenas para alimentação
humana);
Gellidum – espécie de algas muito
utilizada no consumo humano
Gelatina de Gellidum (ágar-ágar)
22

Consumo humano de algas
Principais espécies de Macroalgas cultivadas para consumo humano
•Monostroma
•Enteromorpha
•Laminaria
•Porphyra
•Eucheuma
•Kappaphycus
•Glacilaria
Monostroma
Cultivo Monostroma
Uso Monostroma no Sushi
23

Benefícios do consumo
•Fonte natural de ferro, magnésio, iodo, fósforo;
•Vitaminas A,C, E e B12;
•Aminoácidos essenciais e proteínas;
•Presença de fibras (Abaixa o LDL);
•Baixo teor calórico;
Kombu – comida típica
japonesa, comum em sopas.
Macroalga do gênero Laminária
•Algumas algas podem vir com muito sódio;
•A presença de arsênio pode ser um problema
(diarréia, dores abdominais; fastio; problemas no
coração e fígado);
•Dependendo do lugar do cultivo as algas podem
se contaminar com metais tóxicos e pesados;
Cuidados
24

Coréia do Sul, Japão e China
•Maiores produtor e consumidor de algas;
•Histórico de produção deste antiguidade;
•Boa parte das comidas típicas contém algas;
Vista área do Japão
Obentô comida
típica feita de algas
brancas
Nori – muito utilizado no sushi
e bolo de arroz 25

Coréia do Sul, Japão e China
Sopa de frutos do mar com algas –
Coréia do Sul
Caulerpa lentillifera – consumidas nas
Filipinas
26

Ocidente
•No Brasil – índios pataxó consomem algas verdes na
alimentação;
•Na America do Norte , índios consumia a alga Porphyra;
•Aos poucos o consumo de algas na cultura ocidental vem
se tornando algo comum
Indios Pataxó – reservas na BahiaPorphyra – alga vermelha 27

Alga Arame (Eisenia bicyclis)
Tipo de algas
“Normalmente são compradas secas e podem
ser hidratadas rapidamente, levando cerca de
cinco minutos para que isso aconteça. A
Arame tem como características a coloração
castanha, tem um sabor suave, semi-doce e
uma textura firme. Ele é adicionada no
preparo de aperitivos, cozidos, bolos, pilafs,
sopas, pratos com torradas, e muitos outros
tipos de pratos culinários. Seu sabor leve faz
com que esse tipo de alga marinha seja
adaptável para muitos usos.”
Fonte: http://portal.konbini.com.br/produtos-
orientais/algas-marinhas/
28

Kombu (Saccharina japonica)
Tipo de algas
“Usado para preparar caldo usado em sopas
chamado dashi. Ele é usualmente vendido
seco, em pedaços grandes ou esfarelado
assim sendo chamado. Também consumido
fresco com peixe cru cortado em fatias
(Sashimi).Pode-se comer kombu em tiras
acompanhado de chá verde, temperando com
vinagre doce .É também uma fonte rica de
Ácido glutâmico.”
Ácido glutâmico,
usado para prepara
o glutamato de
sódio (realçador de
sabor)
29

Nori (Porphyra)
Tipo de algas
“Pode ser usada para enrolar oniguiris e
sushis , muito populares no Japão, também
são muito usadas em migalhas, ou cortadas
em pequenas tiras misturadas ou polvilhadas
por cima da comida. A alga Nori é rica em
proteína, cálcio, ferro, vitamina A, B e C. A
alga nori contém duas vezes mais proteína
do que algumas carnes.”
30

Hiziki (Sargassum fusiforme):
Tipo de algas
“ Cresce em litorais rochosos no Japão, Coreia
e China. O nome significa literalmente
grama. É um alimento tradicional e vem sendo
parte da dieta balanceada japonesa por
séculos. Rico em fibras e minerais, como
cálcio, ferro e magnésio. De acordo com o
folclore japonês, o hiziki ajuda a melhorar a
saúde e a beleza; e cabelos finos, negros e
lustrosos estão associados ao consumo
regular de pequenas quantidades da alga. O
hijiki vem sendo vendido nas lojas de produtos
naturais do Reino Unido por 30 anos e pratos
que levam a alga vem sendo adotados na
América do Norte.”
orientais/algas-marinhas/ 31

Usos farmacêuticos
•Há cerca de 14000 anos atrás os primeiros colonos da América já
consumia algas para curar doenças.
•Um documento de 2700 anos na China
mostra o uso de algas em fins
terapéuticos.
32

Usos farmacêuticos
•Na idade contemporânea na Europa costumava-se usar o musgo-do-mar
(Chondrus crispus) para tratar dores de barriga e problemas respiratórios.
•Fonte de carregenina (espessante e
estabilizante alimentar – sorvetes,
etc.
•O suco de alga ainda é utilizado
como clarificante de bebidas
33

Usos farmacêuticos
Fava do mar (Focus Vesiculus)
“Utilizada para problemas de tireoide,
asma, tosse, distúrbios estomacais,
doenças urinárias, diabetes, colesterol
alto, desequilíbrio hormonal, dores de
cabeça, úlceras. As propriedades
medicinais da Fucus vesiculosus se
estendem para a prevenção e
tratamento de cânceres e tumores,
redução de açúcares no sangue,
desintoxicação por metais pesados,
efeitos antioxidantes e até mesmo
utilidade em dietas para perda de peso.”
“Possui algina, carragenina, iodo, potássio,
bromina, mucopolissacarídeos, manitol,
ácido algínico, ácido caínico, laminina,
histamina, zeaxantina, proteína, vitaminas B-
2 e vitamina C. Na culinária, a alga é
consumida crua ou cozida em sopas e grãos
por seu sabor salgado e os minerais que
possui. Acrescentada ao feijão, melhora a
digestibilidade e absorção dos nutrientes.”
Fonte:
http://www.plantasmedicinaisefitoterapia.com
/fucus-vesiculosus.html 34

Usos farmacêuticos
Cultivo de microalgas para extração de ácidos graxos tipo Omega-3
Atum fonte secundária de O-3 Microalgas – fonte natural de ácido graxos
35

Usos farmacêuticos
Anti-oxidante – Tocoferol
Radial estabilizado
por mesomeria
Presença de sítios alílicos – ácidos
mais suscetíveis à oxidação
37

Usos farmacêuticos
Cultivo de microalgas para extração de ácidos graxos tipo Omega-3
Ilhas Canárias
As empresas Clean Algae e
AlgaeBiotech se destacam na
produção de microalgas para
extração do ácido graxo.
38

Histórico do cultivo de algas
China (2700 a.C)
Cultivo de algas na Indonésia
50’s início das
pesquisas com
microalgas
60’s produção em
escala industrail de
Clorella - Japão
39

Microalgas
•São algas unicelulares (em escala de
micrômetros);
•São autotróficas e às vezes heterotróficas
•Podem viver em colônias;
•Presentes em água doce e salgada;
•Reprodução assexuada
Produzem boa parte do
oxigênio terrestre
Base da cadeia alimentar aquática
(constituem boa parte do placton)
40

Gêneros mais comuns de microalgas
Monoraphidium sp.
Monoraphidium arcuatum
•Formato em gancho;
•Alto teor lipídico;
•Boa adaptação no cultivo;
•Resistente à contaminação;
•Algumas espécies podem apresentar
flagelo.
41

Monoraphidium sp.
Análise de CG-MS – Perfil lipídico da Monoraphidium sp;
Costa; Gomes; Souto; Kramer, 2016
42

Chlamydomonas sp.
MEV Chlamydomonas reinhardtii
•Presença de flagelos;
•Geralmente encontrada em ambientes
ricos em amônia;
•Reprodução assexuada e sexuada;
•Parede celular é composta por
glicoproteínas e polissacarídeos-não
celulóicos;
43

Scenedesmus sp.
•Existem cerca de 74 espécies;
•Resistência às condições adversas;
•Boa adaptação;
•Alto teor de proteínas;
•Das mais eficientes fixadoras de CO2;
•Em geral baixo teor de lipídios;
•Comum em água fresca;
•Em 1942, Gaffron e Rubin descobriram a
presença da enzina hidrogenase na
Scenedesmus oblíquo sob condições
anearóbias; Scenedesmus brasiliensis.
44

Desmodesmus sp.
•Boa adaptação à salinidade;
•Microalga de climas moderados;
•Teor lipídico próximo à 30% (m/m);
•Boa produtividade lipídios/dia;
Fonte: Sen Zhang, et al, 2014
45

Clorella sp.
“[...]evada resistência a condições adversas de temperatura, pH e
concentração de CO2, mas também o seu elevado teor em óleo, próximo dos
40% para a Chlorella sp. [...] tempo de duplicação de 4,6 dia. A concentração
máxima atingida foi de 343 mg/L e a produtividade máxima de 0,031 g/(L.dia).
A remoção de carbono foi de 0,8g para 1,4L de meio, o que corresponde à
remoção de 570Kg de CO2 com produção de 310 kg de biomassa algal por cada
1000 m3 de meio em 11 dias de cultivo.”
Fonte: Utilização de microalgas para mitigação de CO2 industrial
(http://comum.rcaap.pt/bitstream/10400.26/5851/1/Relat%C3%B3rio%20de%20est%C3%A1gio.pdf
46

Comparação de algumas propriedades
47

Comparação de perfil lipído entre
microalgas de água doce e salgada
Fonte: Sen Zhang, et al, 2014
48

Etapas do cultivo
Cepa reprodução/crescimento Concentração/colheita
Preparação das
cepas em
laboratório
Os nutrientes fornecidos e as
condições do cultivo tem
impacto na reprodução e
crescimento – Cultivo no telhado
de residências
Diminuição da quantidade
de água do meio das
microalgas – dependendo
do método pode haver
custo elevado
49

Etapas do crescimento
Maior teor substâncias de reserva
Maior teor
substâncias de
reserva
Maior teor proteínas
Escassez de nutrientes, falta luz, etc.
Fonte: Utilização de microalgas para mitigação de CO2 industrial
(http://comum.rcaap.pt/bitstream/10400.26/5851/1/Relat%C3%B3rio%20de%20est%C3%A1gio.pdf
50

Biofixação de CO2
Microalga
Amido
Reação global de formação de carboidratos Substâncias de reserva
51

Biofixação de N
Microalga
Luz
Gás
carbônico nitrogênio
Compostos
inorgânicos
Compostos
orgânicos
Gás oxigênio
Compostos nitrogenados
53

Condições de stress no cultivo
Carência de sais minerais
Diminuir a taxa de reprodução
Ou dependendo do gênero
Aumentar taxa de
reprodução/microalgas desnutridas e
“magras”
Carência de luz e CO2 Diminuir a taxa de reprodução
Excesso de O2 Diminuir a taxa de reprodução
pH muito elevado Precipita carbonatos de
baixa solubilidade Carência de CO2
CO2(g) CO2(aq) + H2O(l) H2CO3(aq) + Mg2+
(aq) MgCO3(s) + 2H+
(aq) 54

Cuidados prévios antes do cultivo
•Escolha do gênero/espécie adequada ao interesse de cultivo;
•Adaptação do gênero/espécie às condições locais;
•Ajuste de pH, salinidade; temperatura; turbidez;
•Cuidados com espécies invasoras ou contaminantes;
•Cuidados com predadores naturais;
•Contaminação com fungos ou bactérias;
Cultivo de microalgas em escala
laboratorial
55

Métodos de cultivo de microalgas
Cultivo
Indoor Outdoor
56

Cultivo Outdoor
Cultivo de macroalgas em Zanzibar
•Ambiente aberto;
•Variáveis de cultivo controladas
pela natureza;
•Menor taxa de reproduzução;
•Maior risco de contaminação;
•Maior espaço ocupada em relação
ao método indoor;
• Vantagem financeira em relação
ao método indoor;
57

Cultivo Outdoor
Tanques de cultivo de microalgas
58

Cultivo OutdoorSistema Raceway
59

Cultivo Outdoor
Sistema Raceway – Influência das posição do aerador na pressão da água
Vermelho: Maior
pressão
Azul: Menor pressão
Fonte: http://kurtliffman.blogspot.com.br/2014/01/comparing-different-high-rate-algal.html
60

Cultivo Outdoor
Sistema Raceway – Influência das posição do aerador na velocidade da água
Vermelho: Maior
velocidade
Azul: Menor
velocidade
Depósito de
nutrientes e algas
61

Cultivo Outdoor
Sistema Raceway – Influência das geometria do raceway na pressão da água
Vermelho: Maior
pressão
Azul: Menor pressão
62

Cultivo Outdoor
Sistema Raceway – Influência das geometria do raceway na velocidade da água
Vermelho: Maior
velocidade
Azul: Menor
velocidade
Depósito de nutrientes
e algas
63

Cultivo Outdoor
Sistema Raceway – Influência das geometria do raceway e posição do aerador no
consumo de energia
Energia gasta
desnecessariamente
(efeito da curva do
raceway)
64

Cultivo Outdoor
Sistema Raceway – Melhor geometria e posição do aerador
65

Cultivo Indoor
•Ambiente fechado
•Variáveis de cultivo controladas;
•Maior taxa de reprodução;
•Menor risco de contaminação;
•Método mais caro
Esquema de um otobiorreator
66

Cultivo Indoor
Fotobiorreatores tubulares
67

Cultivo Indoor
Fotobiorreatores tubulares
Luz artificial
Produção em larga escala
68

Cultivo Indoor
Fotobiorreatores de placas paralelas
69

Comparação Indoor x Outdoor
70

Métodos para secagem da microalga
Secagem natural ao sol
Vantagens
•Menor custo;
•Secagem em grande escala;
Desvantagens
•Secagem heterogênea;
•Secagem mais lenta;
•Risco de contaminação biológica;
•Amostra sujeita intempéries; Microalga seca ao sol
73

Estufas
Vantagens
•Secagem em grande escala;
•Controle de temperatura;
•Secagem rápida;
Desvantagens
•Risco de degradação do material de
interesse;
•Perda de propriedades naturais da
microalga;
Estufa industrial
74

Liofilização
Vantagens
•Secagem rápida;
•Integridades do material de interesse;
•Secagem homogênea;
Desvantagens
•Alto custo;
•Pequena à média escala;
Modelo de liofilizador
75

Uso de microalgas como ração de peixe
*Referência:
http://www.caunesp.unesp.br/publicacoes/dissertacoes_teses/dissertacoes/Dissertacao%20Flavia%20Almeid
a%20Berchielli%20Morais.pdf
•Alimento natural de peixes (fazem parte do
plâcton);
•Alimento barato;
•Fonte de ácidos graxos essenciais;
•Os pigmentos naturais das microalgas
melhoram as cores dos peixes*;
•70 a 90% dos custos com ração está ligado
a alimentos protéicos de origem animal
como a sardinha – as microalgas podem
substituí-los e diminuir tais custos;
•A propriedades da ração à base de
microalgas podem ser fonte de alimentação
de ruminantes e aves também.
Ração para peixe
comercializada pela Algae
76

Uso de microalgas para tratamento de efluentes
Descarte direto de efluente num rio
Altas concentração de
compostos de N, P e
compostos orgânicos
Baixa luminosidade e
oxigênio dissolvido
Crescimento de
algas na camada
superior da água
EUTROFIZAÇÃO
DA ÁGUA
Morte de organismo
aeróbios
Acúmulo de matéria
orgânica
Multiplicação de
bactéria anaeróbias,
como as coliformes
Toxinas e doenças
ETE
Aeróbio Anaeróbio
77

ETE – processo Aeróbio
Algas e bactérias
presentes no esgoto
consomem/digerem
o material orgânico e
inorgânico
78

ETE – processo Anaeróbio
Bio-reatores anaeróbios da S. Carlos
Os compostos inorgânicos?
Ref: http://www.bdtd.ufscar.br/htdocs/tedeSimplificado//tde_busca/arquivo.php?codArquivo=611979

Altas concentração de
compostos de N, P e
compostos orgânicos
Ambiente ideal
para crescimento
de microalgas
Redução de custos
na produção de
microalgas e no
tratamento de
efluentes
Consumo de
nitratos e fosfato e
algumas formas de
matéria orgânica
ETE
Resultado após
tratamento do
efluente
80

Dissertação de mestrado: Cultivo de Microalgas e redução de coliformes em efluente de
tratamento anaeróbio – Adriano Evandir Marchello*
* http://www.bdtd.ufscar.br/htdocs/tedeSimplificado//tde_busca/arquivo.php?codArquivo=6119
Efluente municipal
de S. Carlos-SP
Tratamento com
microalgas (dentre
elas Clorella
Vulgaris)
Teste Não-
aerado
Teste Aerado
Resultados
insatisfatórios
– morte de
microalgas
Redução de
matéria
orgânica e
inorgânica
Redução de
99,9% das
bactérias
anaeróbias
Efluente mais
limpo
81

82

Resumo das espécies presentes
83

Material lipídicos das microalgas
•Fonte secundária de energia;
•As microalgas são ricas em HUFAs (Highly unsatured fatty
acids);
•Os gêneros e espécies possuem tipos e quantidades de lipídos
variáveis;
•As condições de cultivo influenciam na quantidade de lipídios
(em geral deficiencia de N e diminuinção da temperatura fazem
aumentar quantidades de lipídios);
•Em geral os lipídos são extraídos com muitos pigmentos;
Ceras são lipídios comuns
em microalgas
Óleos Vegetais
A primeira forma de reserva das
microalgas, os carboidrados liberam
4cal/g e as gorduras 9cal/g
84

Relembrando o conceitos de lipídios
Toda biomolécula
solúvel em solvente
orgânicos
Lipídios polares
Lipídios apolares
Fosfolipídios – componente de
membrana celular
Triglicerídeo – presente em óleos e gorduras
85

Lipídios que encontramos nas microalgas
Ceras
•São extremamente insolúveis em água;
•Sensíveis à temperatura;
•São formados por um álcool e um ácido graxo;
•Alto peso molecular;
•Podem sofrer reação de hidrólise;
•Nos extrato lipídicos de microalgas as ceras costumas
se depositar no fundo e nas paredes do recipiente;
•Precipitam quando resfriadas;
86

Fosfolipídios
•Compõe as membranas, fazem interface entre
os meios intra e extracelular;
•Formam gomas no extrato lipídico;
•São retirados dos óleos vegetais;
•São agentes emulsificantes;
Estrutura de fosfolipídio
87

Esteróides
•São terpenóides;
•Desempenham função hormonal;
•São sintetizados a partir do colesterol;
Progesterona –
hormônio sexual
feminino
Testosterona–
hormônio sexual
masculino
Colesterol
88

Ácidos graxos
•São ácidos carboxílicos com apenas um grupo carboxilato;
•Contém cadeias carbônicas saturadas ou insaturadas com números pares
(sob raras exceções) de carbono, entre 4 e 28;
Ácido
Graxo
Saturados
Insaturados
Monoinsaturados
(MUFA)
Poli-insaturados
(PUFA)
Essencial
Não
essencial
Ômega-3 Ômega-6
Ômega-9
89

Ácidos graxos saturados
Algumas de suas aplicações são sabores artificiais de queijo e manteiga.
Butanoato de cálcio é utilizado na tratamento do couro, e os ésteres de glicol
e triglicerol são usados como agentes plastificantes.
Ácido hexanóico (capróico), Presente na maioria do
óleos animais e leite de cabra e derivados
90

Ácidos graxos monoinsaturados (MUFA)
Estrutura geral de um MUFA
Benefícios ômega-9
•Propriedades anti-inflamatórias,
•Antioxidante;
•Protege o sistema cardiovascular;
•Redução do mau colesterol (LDL) e da
aterosclerose,
•Melhora as funções imunológicas e
•Prevenção contra o câncer.
91

Ácido oléico
•Ácido graxo essencial;
•Presente na membrana celular;
•Sólido a baixo dos 15°C
•Presente na epiderme;
•Encontrado nos lídios de origem,
animal, vegetal e microalgal;
•Usado em cremes e sabões;
•Poder substituir gorduras
saturadas na cozinha
92

•Ácido erúcico: Uma gordura monoinsaturada que tem suscitado
alguma preocupação. Com base em testes feitos em animais,
supõe-se que pode ser perigoso para os seres humanos.
•Ácido nervônico: uma gordura monoinsaturada importante
para a saúde do cérebro. É encontrado no salmão, nozes
(especialmente macadâmia), e sementes.
Fonte: http://www.mundoboaforma.com.br/acido-oleico-beneficios-propriedades-alimentos-e-para-que-
serve/
Ácido erúcico Ácido nervônico
93

Ácidos graxos Poli-insaturados (PUFA) essenciais
São tipos de ácidos graxos insaturados que não são sintetizados pelos seres
humanos e muitos outros mamíferos e que se apresentam como
fundamentais ao correto funcionamento biológico deste seres, e portanto
devem ser incluído na dieta.
Os ácidos graxos essenciais são subdivididos em ômega-3 e ômega-6
94

Ômega-3
•Atividade anti-inflamatória;
•Diminuição da pressão arterial;
•Redução dos níveis de colesterol de baixa densidade e
triglicerídeos;
•Atividade anti entupimento vascular;
•Atividade anti-oxidante.
Ácido Alfa-Linolênico
Encontra-se líquido em temperatura
ambiente, coloração acastanhada, Apresenta
propriedades benéficas ao sistema cardíaco
Sítio bi-alílico
95

Ômega-3
•Atividade anti-inflamatória;
•Diminuição da pressão arterial;
•Redução dos níveis de colesterol de baixa densidade e
triglicerídeos;
•Atividade anti entupimento vascular;
•Atividade anti-oxidante.
Ácido Eicosapentanóico
Tipo de ácido ômega-3, presente em óleos,
peixes, azeite de Olivia, e muito comum nas
microalgas
96

Ômega-6
Estudos apontam que o consumo excessivo de gordura omega-6 em relação ao ômega-
3 podem provocar um desequilíbrio, trazendo consequências negativas, como
processos inflamatórios
•Pele saudável;
•Combate à alergias;
•Efeitos positivos no humor;
•Atividade antioxidante;
Ácido linoléico, encontrado em
naturalmente em peixes e vegetais –
líquido à temperatura ambiente.
Obtido naturalmente pela conversão do ácido
linoléico por alguns mamíferos. Segundo o Jornal
britânico The Guardian (ver link abaixo), estudos
apontam que moléculas do ácido araquidômico
provocam a destruição de neurônio, provocando o mal
de Alzheimer
Ácido Araquidônico, presente em
nozes, frutas e vegetais em geral
http://www.theguardian.com/science/2008/oct/20/alzheimers-disease-omega-6
97

Triglicerídeos
Exemplo de triglicerídeo
•Insolúveis em água;
•Função de armazenar energia e
manter temperatura;
•Formado pela reação entre três
ácidos graxos com um glicerol.
98

99

Material
lipídico de
microalgal
20 a 30%
ácidos graxos
essenciais
Ceras
Fosfolipídidios
Ácidos graxos
Triglicerídeos
70 a 80%
Principalmente
Funções
metabólicas
Reserva de energia
100

Principais ácidos graxos em gêneros de microalgas
101

Métodos para extração de lipídios
Extração
Moagem
Solvente
Blyer e Dyer
Etanólica
Hexânica
Concentração de
lipídios
102

Métodos para extração de lipídios
Parede celular, formada com
carboidratos complexos,
garantem a integridade da
célula
Núcleo da célula que
guarda o material
genético
Cápsulas intracelulares com
guardam o material lipídico
Outros materiais
intracelulares
Estrutura da célula da microalga
103

Esquema geral para extrair material
lipídico via uso de solvente
Amostra de biomassa
(preferencialmente seca)
Concentração
Contato com solvente +
agitação
Extrato lipídico +
solvente
Extrato lipídico
Pesagem
Separação da biomassa
Extração com hexano em um agitador
magnético
104

Modelo para extração via solvente
Solvente
orgânico
Poucas moléculas do
solvente conseguem
penetrar pela parede
celular
Formação do
complexo Solvente-
Lipídio
Migração do complexo para fora da
parede celular (mais uma vez é
necessário passar pela parede)
Métodos de
separação
105

Concentração do material lipídico
Evaporador rotativo – método geralmente aplicado em escala laboratorial
Solvente - Lipídios
Solvente
Controle de
temperatura e
rotação
Ambiente fechado
106

Amostra de extrato lipídico
Extrato lipídico de Clamidomonas sp.
107

Técnicas que auxiliam a extração de lipídios
Método Soxhlet
Franz Ritter von Soxhlet
Fonte de aquecimento
Concentração da amostra
Biomassa de microalga
Condensador
108

Ultrassom
Equipamento de ultrassom
Escala de nível sonoro
•Variação brusca da pressão do sistema;
•Cavitação;
•Desintegração da parede celular;
•Pode catalisar reações de degradação do
material de interesse;
Hélice gerando cavitação na água
109

Ultrassom vs Soxhlet
COMPARAÇÃO ENTRE MÉTODOS DE EXTRAÇÃO DE ÓLEO DE MICROALGAS -
Revista Iniciação Científica, v. 12, n. 1, 2014, Criciúma, Santa Catarina. ISSN 1678-7706
Ambos sistemas sob solvente hexano – livre de agitação externa
2,1% (m/m) 32% (m/m)
110

Agitação mecânica
Tensão de cisalhamento
Exemplo de agitador mecânico
•Ambiente aberto – evaporação do solvente;
•Não promove degradação direta do material de
interesse;
Extração de lipídios de
microalgas
111

Agitação mecânica acoplada com ultrassom
Dissertação: Extração e análise de fração lipídica da
microalga Monoraphidium sp., síntese e
caracterização do seu biodiesel – Anderson
Fernandes Gomes
Disponível em: http://repositorio.ufrn.br/jspui/bitstream/123456789/17702/1/AndersonFG_DISSERT.pdf
Extração com solvente
hexano
112

Vantagens
•Aumenta consideralvemente o rendimento da extração lípidica;
•Reduz o tempo de extração;
•Diminui a quantidade de solventes orgânicos utilizado;
Desvantagens
• Reduz a qualidade o material extraído
•O uso de agentes oxidantes torna o processo mais insalubre;
Oxidação da parede celular
113

Uso de peróxido de
hidrogênio a baixas
concentrações
Rápida diluição com solvente
orgânico para barrar ação
oxidante e proteger os lipídios
114

Microscopia
Parede celular rompida por ação oxidante
115

Biocombustíveis
1ª Geração de
bicombustíveis
2ª Geração de
bicombustíveis
3ª Geração de
bicombustíveis
Biodiesel de óleo de
vegetal/gordura animal
Álcool de Cana
Álcool de celulose
Biogás de resíduo animal
Biodiesel de microalga
Bio-óleo de origem
animal/vegetal
116

Potencial de produção de biodiesel a partir de
microalgas
Busca por energia renovável
•Segunda a U. S. Energy Information Administration a demanda
por energia deve aumentar 49% entre 2007 e 2035;
•Estima-se que o consumo de petróleo está de 2 litro para 1litro de
petróleo descoberto;
•300 milhões de litros de petróleo são consumidos por dia;
•Equilíbrio do ciclo do carbono;
•Aquecimento global(?);
117

microalgas
O que é o biodiesel?
Mistura de ésteres sintetizado a partir da reação entre lipídios transesterificáveis
com um álcool de cadeia curta, cuja função é utilização como combustível
Amostra de biodiesel
Reação de transesterificação de um TAG
Reação de esterificação de um ácido graxo livre
118

microalgas
O que é o biodiesel?
Fonte: http://tpqb.eq.ufrj.br/download/determinacao-do-indice-de-iodo-em-biodiesel-b100.pdf
O Metanol e etanol são o álcoois mais empregados na síntese.
119

microalgas
Principais propriedades do biodiesel
•Menor viscosidade que o diesel e óleo vegetal;
•Maior número de cetano ;
•Baixo teor de enxofre em relação ao diesel;
•B20 pode queimar em qualquer motor ciclo diesel;
•Alto ponto de fulgor;
Estrutura química do cetano (C16H34 – usado
padão na avaliação de ignição do diesel)
120

microalgas
Uma das principais vantagens do biodiesel de microalga é o potencial baixo custo de produção
de lipídios por área
Estimativa produção de óleo de microalga: 15.000-
30.000 l/Km², cerca de 120 - 240kg/ha
Fonte: https://www.agencia.cnptia.embrapa.br/Repositorio/agroenergia+_PDeI_Biodiesel_Algas_000g6f3kcwr02wx5ok0o71pxt430fm5w.pdf
121

microalgas
Comparação biodiesel oleaginosa x microalga
0,50
122

Principais métodos analíticos para o biodiesel de
microalga
GC-MS (Gas chromatography–
mass spectrometry)
123

microalga
GC-MS (Gas chromatography–
mass spectrometry)
124

microalga
FTIR - Fourier transform infrared spectroscopy
125

microalga
FTIR - Fourier transform infrared spectroscopy
126

microalga
RMN ¹H
127

Análise RMN ¹H Monoéster microalga
-OCH3
-CH3
-CH2CH2CO-
-CH2CH2CO-
-(CH2)n-
-CH=CH-CH2-
Resquícios de mono
e/ou diglicerol
-CH=CH-
CHCl3 -
traços
128

microalgas
Cenário atual das microalgas na produção do biodiesel
Anos 80Anos 50
Estudos pioneiros nos EUA
e Japão
Primeiro biodiesel de
microalga
Anos 70
Crise do petróleo
Aumento de 400% no
preço em 1974
Preocupação com fontes
renováveis
Investimentos pesado em
bicombustível, dentre eles
biodiesel de microalga
Anos 90
Estabilização do preço do
petróleo.
Amortecimento das
pesquisas
129

microalgas
Cenário atual das microalgas na produção do biodiesel
Anos 2000
Interesse no biocombustíveis
Ressurgem pesquisas sobre
microalgas
Anos 2010
Forte presença de trabalhos
acadêmicos nacionais na área
130

Potencial de produção de bioetanol a partir de
microalgas
Biomassa rica em
amido/carboidratos
Hidrólise enzimática
à sacarose
C12H22O11 → C6H12O6 + C6H12O6
Sacarose Glicose Frutose
Quebra da
sacarose
Fermentação
Ag. Fermentador mais comum:
Saccharomyces cerevisiae
Destilação simples
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2
Glicose ou frutose Etanol Gás ou carbônico
Bioálcool
131

Vantagens do bioálcool de microalgas
Baixo custo
de produção
Fermentação de microalgas
“Vinhaça” reutilizada na
própria produção de
microalgas
Não competição com
mercado de alimentos
Alta eficiência
fotossintética/Ciclo
do carbono
132

Pré-tratamento microalgas
para produção de bio-etanol
Pré-tratamento (Quebrar
parede celular)
Físicos Químicos Biológicos
Micro-organismos EnzimaÁcido BásicoUltrassom
Autoclave
Banho
hidrotérmico
133

Microalgas promissoras
Fonte: TECNO-LÓGICA, Santa Cruz do Sul, v. 16, n. 2, p. 108-116, jul./dez. 2012
134

Potencial de produção de biogás a partir de
microalgas
Biodigestores
Biomassa
Biodigestor
Bactérias anaeróbias
(ausência de O2)
Biogás
135

Usos de biomassa residual de microalgas
•Fertilização de solo para agricultura;
•Fermentação;
•Biodigestão;
•Ração animal (Depende da presença de contaminantes)
•Nutrição de Raceways;
•Pirólise;
136

Potencial de produção de bio-óleo a partir da pirólise
de microalgas
•Do grego “pyros” fogo e “lise” –
quebra;
•O craqueamento ou pirólise de
óleos, gorduras ou ácidos graxos
•Temperaturas acima de 350 ºC;
•Pesquisas apontam o uso de altas
pressões
Bio-óleo a partir de pirólise de biomassaReator autoclave
137

Potencial de produção de bio-óleo a partir da pirólise
de microalgas
Biomassa sem
tratamento
Reator auto-clave
Carvão
ativado
Gás Natural
(principalmente o
metano)
Gás
hidrogênio
Bio-óleoAromáticos
Betume e
materiais
carbonizados
Altas temperaturas
Pressão ambiente/alta pressão
Presença ou não de craqueadores
catalíticos
Óxidos de
carbono/enxofr
e/nitrogênio
138

Comparação querosene vs Bioquerosene
139

Perspectivas futuras –
melhoramento genético
Melhoramento
genético
Melhoramento
Clássico
Biotecnologia
Avançada
Agentes mutagênicos
Seleção/reprodução –
características
naturais
Químicos Radiação
Transgenia
Caracterização
genética
Manipulação
genética
140

Créditos de Carbono
Produção de
microalga
CO2
Atmosférico
1t de CO2 = 1 crédito de C
Pessoa física
ou jurídica Guardar os créditos -> Contribuir para
redução de gases puluentes
Negociar créditos = lucro = investiment0
na produção de microalgas
Ajudar a empresas a
bater metas de
redução de poluentes
141

7% de energia solar é
absorvida o resto é refletido
de volta ou dissipado na
forma de calor
As microalgas fixam CO2 35
vezes mais eficientemente
que o milho
Fonte:
http://www.repositorio.furg.br/bitstream/handle/1/672/POTENCIAL%20DE%20ABSOR%C3%87%C3%83O%20DE%20CARBONO%20POR%20E
SP%C3%89CIES%20DE%20MICROALGAS%20USADAS.pdf?sequence=1
Microalgas
Absorção de de C: 11–36 t ha-1/ano
Floresta
Absorção de C: 3-4 t de ha-1/ano
142

Cada vaca emite 80
a 110 kg de
metano/ano
Uma fazenda com 50
vagas irá emir cerca
de 5t de metano/ano
105 créditos de
carbono são
necessários = U$
770,00 ou cerca de R$
2.500,00
Cerca de 0,15 ha
(1.500m²) de
microalgas
Valores baseados no
potencial de efeito estufa
de cada gás
143

Empresas que produzem e comercializam algas
Link: https://hdoisall.wordpress.com/sobre/
Cede: Blumenau (SC)
Início de atividade: 2001
Financiadores: Fundação de Apoio à
Pesquisa Científica e Tecnológica de Santa
Catarina (Fapesc) e pela Financiadora de
Estudos e Projetos (Finep)
Principais projetos: Estudo do uso de
painéis como fotobioreatores de microalgas
em telhados residenciais; Estudo da pirólise
da microalga senedesmius;
Principal fonte de renda: Venda créditos de
carbono
H2all
144

Algae
Cede: Piracicaba (SP)
Financiadores:
Principais projetos: Tratamento de
efluentes; Biofixação de CO2; Nutrição
animal; Saúde Humana; Biocombustíveis.
Principal fonte de renda: Venda de reação
para peixes, aves e ruminante. Tratamento de
efluentes.
http://www.algae.com.br/site/pt/
145

Algae Biotech
Cede:
Financiadores:
Principais projetos:
http://www.algae.com.br/site/pt/
146

Cenário brasileiro na produção de biocombustíveis de
microalgas
•Início das pesquisas tardio em relação a outro países;
•No início do anos 2000 começa o interesse brasileiro nas
pesquisas;
•Pesquisas ainda descentralizadas;
•Ainda não há tecnologia nacional para produção em
larga escala de biocombustível;
•Surgimento de pequenas empresas
Pesquisadoras;
•Número significante de patentes no
Assunto;
UFPR, UFBA, UFRJ, UFRN, UFSC e
FURG
Principais universidades com
linhas de pesquisa no assunto.
Matriz energética brasileira 147

Cenário brasileiro na produção de biocombustíveis de
microalgas
Projetos financiadores de pesquisa
•Já se insistiu cerca de R$ 130 milhões em projetos no Brasil;
•Principais entidades financiadores: Petróbrás, Finep e Embrapa;
Pioneira em financiamento
no Brasil, desde 2005
estabelece programas com
instituições de pesquisa,
principalmente o CENPES.
Segundo grande edital para
financiamento de pesquisas
de biocombustíveis, dede
2008 conta com 10
universidades.
Financiamento deste 2013 em
instituições de pesquisa, além
de laboratório próprios desde
o cultivo à pesquisa.
148

Vantagens do Brasil na produção de
microalgas
•Diversidade de gêneros;
•Boa insolação;
•Áreas pouco usadas na agricultura (Como cerrado e caatinga);
•Presença de pesquisadores na área;
•Incentivos do governo;
•Tradição em uso de energia limpa.
149

Avanços nacionais na produção de algas
150

Avanços na produção de algas
151

Avanços na produção de algas
152

Urban Algae Canopy
“Árvore de plástico”
Produção de 2Kg de O2/dia =
25 árvores de grande porte
Desenvolvido pelo escritório de arquitetura
ecoLogicStudio, fundado em Londres pelos
arquitetos Marco Poletto e Claudia Pasquero
Polímero ETFE –
Resistente ao sol e
altas temperaturas
Spirulina – Rica em vitaminas,
lipídios e proteínas
6 anos de pesquisas ->
Cobertura de prédios, casas, etc.
Alimentação Bioenergia
153

Linhas de pesquisa em algas da UFRN
Fonte: SIGAA
154

Grupos de pesquisa no Brasil
Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável (Paraná)
http://npdeas.blogspot.com.br/2013/10/um-pouco-da-historia-do-npdeas-e-
da.html
155

Planta piloto RN
“a produção de microalgas é um dos projetos de pesquisa prioritários, devido à
potencialidade de produção, além de atuar na absorção de CO2 e limpeza da
água.” Miguel Rossetto – Presidente da petroleira na época
Custo do projeto: R$ 2.241.960,20.
156

Planta piloto RN
Primeiros tanques com capacidade para 4 mil litros
157

Laboratório de Química Orgânica Aplicada
Laboratório
160

Laboratório de Química Orgânica Aplicada
Equipe
Drª Marta Costa –
Coordenadora
PRH 30
Drª Suzan Medeiros–
Pesquisadora
Anderson Gomes
(Doutorado) Carlos Kramer
(Mestrado)
Elizeu Mazzo (IC)
Jéssica Sant’ana
(IC)
Eloiza Santos
(mestrado)
Edmilson Matias
(IC)
Dr. Carlos Souto
(Professor orientador)
Victor Reis (IC)
161

LAQOA – linhas de pesquisa
•Biorrefinaria de microalgas;
•Estudo da oxidação da parede celular e impactos na qualidade
dos lipídios;
•Uso de enzimas na transestericação de lipídios de microalgas;
•Estudos de catálises químicas na extração lipídica;
•Estudo de propriedades do óleo de cártamo.
162

Instituto CO2 Zero
http://www.co2zero.eco.br/ 163

Instituto CO2 Zero/Calculadora de CO2
164

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165

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