Fotobiorreactores | Laboratório Online

Um fotobiorreactor é um biorreactor que utiliza a luz como fonte de energia para o cultivo de microorganismos fototróficos. Estes organismos realizam fotossíntese para gerar biomassa a partir da luz e de dióxido de carbono, podendo ser plantas, musgos, macro e microalgas, cianobactérias e bactérias púrpura. Estes reactores permitem estabelecer ambientes artificiais com condições controladas específicas para o tipo de organismo a cultivar.

Tipos de fotobiorreactores

Sistemas abertos

A primeira abordagem para a produção controlada de organismos fototróficos compreende o cultivo em lagos, naturais ou artificiais. Nestes sistemas, a cultura, que contém todos os nutrientes necessários, é bombeada em círculo, estando esta directamente em contacto com a luz solar e com o dióxido de carbono atmosférico através da superfície do líquido.

Trata-se do sistema mais simples de crescer microrganismos fototróficos. Mas, devido à sua reduzida profundidade (até 30 cm) e ao seu reduzido fornecimento de luz, os sistemas têm taxas de crescimento limitadas. Além disso, o consumo de energia é relativamente elevado, dado que se tem que processar um grande volume de cultura para obter o produto final. O espaço aberto é também dispendioso em zonas com elevada densidade populacional, enquanto a água é escassa nas restantes zonas. O recurso a este tipo de sistemas também leva a grandes perdas de água por evaporação.

Sistemas fechados

Desde os anos 50 que se têm desenvolvido diversos sistemas fechados que, teoricamente, permitem o crescimento de microrganismos fototróficos em densidades mais elevadas com um menor consumo de água.

Adicionalmente, o cultivo em sistemas fechados evita perdas de água relacionadas com evaporação e o risco de contaminação por parte de partículas suspensas no ar ou por aves. A construção dos sistemas fechados modernos tenta ter em consideração a suspensão das culturas em camadas finas, a optimização da distribuição da luz, a minimização do consumo de energia, os custos de produção e a pureza da cultura. Muitos sistemas foram testados, mas só alguns é que têm sido utilizados para a produção à escala industrial.

Fermentadores adaptados

A abordagem mais simples é a adaptação dos fermentadores de vidro, que se tratam dos sistemas topo de gama em biotecnologia e em bioprodução a nível global. O reactor usado para o crescimento de musgos, por exemplo, consiste num recipiente de vidro fechado, com fonte externa de luz. Válvulas são usadas para controlar as trocas gasosas. Este sistema é comum à escala de laboratório, mas nunca fora desenvolvido para produção em massa.

 

Fotobiorreactor tubular

Este tipo de fotobiorreactor consiste num conjunto de tubos de plástico ou de vidro, orientados verticalmente ou horizontalmente, regulados por uma instalação central com sistema de bombeamento e sensores e alimentados por esta com nutrientes e CO₂. São utilizados em todo o mundo, tanto para fins de investigação laboratorial, como à escala industrial (e.g. produção do carotenóide astaxantina a partir da alga verde Haematococcus pluvialis e a produção de suplemento nutricional a partir da alga verde Chlorella vulgaris). Estes reactores permitem a obtenção de uma grande quantidade de biomassa com elevado grau de pureza e, consequentemente, a um posterior processamento das culturas de forma energeticamente eficiente. No entanto, dados os custos os fotobiorreactores, estes só se têm mostrado economicamente viáveis para a produção de compostos de elevado valor de mercado, como suplementos nutricionais ou cosméticos.

Fotobiorreactor em formato “Árvore de Natal”

Este reactor constitui uma abordagem alternativa ao tradicional reactor tubular. Em vez de ser construído num só plano (horizontal ou vertical), este é construído com uma geometria cónica e possui um circuito duplo de mangueiras translúcidas disposto em forma helicoidal, resultando numa estrutura que se assemelha a uma árvore de Natal. Os sistemas tubulares são modulares e podem ser usados no exterior, para usos agrícolas. Dado poder ser construído em qualquer zona (sendo sistema fechado, não requer necessariamente que a área onde é construído possua características favoráveis ao cultivo), esta abordagem pode ser empregue em zonas que não sejam aráveis.

Fotobiorreactor laminar

Em vez de tubos, este reactor permite o crescimento das culturas em placas. Placas de vidro ou de plástico, com diferentes especificações técnicas, são montadas de forma a permitir o crescimento das culturas em camadas finas. Adicionalmente, a construção simples, comparada com o sistema de tubos, permite o uso de menos material de construção, o que reduz aos custos de construção. Existem diferentes formatos: fluxo de suspensão em serpentina, crescimento com fluxo de ar ascendente, etc. No entanto apresentam alguns problemas que são difíceis de resolver, como a estabilidade do tempo de vida dos materiais ou a formação de biofilmes. A aplicação à escala industrial é limitada à capacidade de desenvolver placas de grandes dimensões.

Fotobiorreactor horizontal

Este tipo de reactor consiste numa superfície horizontal em ziguezague, com picos e vales com espaçamento regular. Esta geometria causa a distribuição da luz incidente por uma maior área, o que corresponde a um efeito de diluição. Também ajuda a resolver um problema básico no cultivo de organismos fototróficos: certas culturas são sensíveis a elevadas intensidades luminosas. A maioria das microalgas apresenta saturação luminosa a intensidades substancialmente inferiores à intensidade média da luz do dia. Simultaneamente, a luz pode ser aproveitada de forma mais eficiente para fotoconversão. O fluxo da cultura líquida é estabelecido por uma bomba de palhetas rotativas, que causa a rotação cilíndrica da cultura. Contrariamente aos reactores verticais, estes contêm apenas pequenas camadas de meio com uma pressão hidrodinâmica baixa.

Fotobiorreactor em folha

A pressão exercida pelos preços do mercado levou ao desenvolvimento de reactores em formato de folha. Usando materiais de baixo custo, como PVC ou PE, folhas são montadas para formar bolsas ou recipientes que cobrem suspensões de algas e expõem-nas à luz. No entanto, é necessário ter em consideração quês estes tipos de fotobiorreactores têm uma sustentabilidade limitada, dado que as folhas têm que ser substituídas periodicamente.

Visão geral

As discussões sobre o cultivo de microalgas e o seu potencial para sequestração de CO₂ e para produção de biocombustíveis têm causado elevada pressão nos produtores de fotobiorreactores. Actualmente, nenhum dos tipos sistemas supracitados permite a obtenção de elevada quantidade de biomassa a preços que compitam com o petróleo. Ainda assim, novas abordagens têm sido estudadas, como a criação de camadas ultra-finas ou o crescimento das culturas em águas residuais. A manipulação genética dos microrganismos também tem contribuído para um avanço deste ramo da Biotecnologia e para a viabilidade da produção em escala industrial recorrendo-se a fotobiorreactores.

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Fonte: Wikipédia