O combustível de algas, o biocombustível de algas ou o óleo de algas é uma alternativa aos combustíveis fósseis líquidos que usam algas como fonte de óleos ricos em energia. Além disso, os combustíveis de algas são uma alternativa às fontes conhecidas de biocombustíveis, como milho e cana-de-açúcar. Várias empresas e agências governamentais estão financiando esforços para reduzir custos operacionais e de capital e tornar a produção de combustível de algas comercialmente viável. Como o combustível fóssil, o combustível de algas libera CO2 quando queimado, mas ao contrário do combustível fóssil, o combustível de algas e outros biocombustíveis só liberam CO2 recentemente removido da atmosfera através da fotossíntese, à medida que as algas ou plantas crescem. A crise energética e a crise alimentar mundial despertaram o interesse pela alga (cultivo de algas) para a produção de biodiesel e outros biocombustíveis usando terras inadequadas para a agricultura. Entre as características atrativas dos combustíveis de algas, podem ser cultivadas com impacto mínimo sobre os recursos de água doce, podem ser produzidas com solução salina e águas residuais, têm alto ponto de fulgor e são biodegradáveis ​​e relativamente inofensivas ao meio ambiente se derramadas. As algas custam mais por unidade de massa do que outras culturas de biocombustível de segunda geração devido a altos custos operacionais e de capital, mas dizem que produzem entre 10 e 100 vezes mais combustível por unidade de área. O Departamento de Energia dos Estados Unidos estima que, se o combustível de algas substituir todo o combustível de petróleo nos Estados Unidos, seria necessário 39.000 km2, o que representa apenas 0,42% do mapa dos EUA, ou cerca de metade da área terrestre do país. Maine. Isso é menos de 1⁄7 da área de milho colhida nos Estados Unidos em 2000.

O chefe da Organização de Biomassa de Algas afirmou em 2010 que o combustível de algas poderia atingir a paridade de preço com o petróleo em 2018 se concedesse créditos fiscais de produção. No entanto, em 2013, o presidente e diretor executivo da Exxon Mobil, Rex Tillerson, disse que após se comprometer a gastar até US $ 600 milhões em desenvolvimento em joint venture com a Synthetic Genomics de J. Craig Venter em 2009, a Exxon recuou após quatro anos (US $ 100). milhões) quando percebeu que o combustível de algas é “provavelmente mais” que 25 anos de viabilidade comercial. Por outro lado, Solazyme, Sapphire Energy e Algenol, entre outros, iniciaram a venda comercial de biocombustível de algas em 2012, 2013 e 2015, respectivamente. Em 2017, a maioria dos esforços havia sido abandonada ou alterada para outros aplicativos, com apenas alguns remanescentes.

História
Em 1942, Harder e Von Witsch foram os primeiros a propor que as microalgas fossem cultivadas como fonte de lipídios para alimentação ou combustível. Após a Segunda Guerra Mundial, iniciaram-se pesquisas nos EUA, Alemanha, Japão, Inglaterra e Israel sobre técnicas de cultivo e sistemas de engenharia para cultivar microalgas em escalas maiores, particularmente espécies do gênero Chlorella. Enquanto isso, HG Aach mostrou que a Chlorella pyrenoidosa pode ser induzida por meio da privação de nitrogênio a acumular até 70% de seu peso seco como lipídios. Uma vez que a necessidade de combustível alternativo de transporte diminuiu após a Segunda Guerra Mundial, as pesquisas nessa época se concentraram no cultivo de algas como fonte de alimento ou, em alguns casos, para o tratamento de águas residuais.

O interesse na aplicação de algas para biocombustíveis foi reavivado durante o embargo do petróleo e os aumentos nos preços dos anos 70, levando o Departamento de Energia dos EUA a iniciar o Programa de Espécies Aquáticas em 1978. O Programa Espécies Aquáticas gastou US $ 25 milhões em 18 anos com o objetivo de desenvolver combustível de transporte de líquido a partir de algas que seria competitivo em termos de preço com combustíveis derivados do petróleo. O programa de pesquisa concentrou-se no cultivo de microalgas em tanques abertos ao ar livre, sistemas de baixo custo, mas vulneráveis ​​a distúrbios ambientais, como oscilações de temperatura e invasões biológicas. 3.000 cepas de algas foram coletadas em todo o país e avaliadas quanto a propriedades desejáveis ​​como alta produtividade, teor de lipídios e tolerância térmica, e as cepas mais promissoras foram incluídas na coleção de microalgas SERI no Instituto de Pesquisa de Energia Solar (SERI) em Golden, Colorado e usado para pesquisas futuras. Entre as descobertas mais significativas do programa, o crescimento rápido e a alta produção de lipídios foram “mutuamente excludentes”, uma vez que o primeiro exigia altos nutrientes e o último exigia baixos nutrientes. O relatório final sugeriu que a engenharia genética pode ser necessária para superar essa e outras limitações naturais das cepas de algas, e que as espécies ideais podem variar com o local e a estação. Embora tenha sido demonstrado com sucesso que a produção em larga escala de algas para combustível em lagoas ao ar livre era viável, o programa não conseguiu fazê-lo a um custo que seria competitivo com o petróleo, especialmente quando os preços do petróleo afundaram nos anos 90. Mesmo no melhor cenário, estimou-se que o óleo de algas não extraído custaria US $ 59-186 por barril, enquanto o petróleo custava menos de US $ 20 por barril em 1995. Portanto, sob pressão orçamentária em 1996, o Programa Espécies Aquáticas foi abandonado.

Outras contribuições para a pesquisa de biocombustíveis de algas vieram indiretamente de projetos focados em diferentes aplicações de culturas de algas. Por exemplo, na década de 1990, o Instituto de Pesquisa de Tecnologia Inovadora do Japão (RITE) do Japão implementou um programa de pesquisa com o objetivo de desenvolver sistemas para fixar CO2 usando microalgas. Embora o objetivo não fosse a produção de energia, vários estudos produzidos pela RITE demonstraram que as algas podem ser cultivadas usando gás de combustão de usinas de energia como uma fonte de CO2, um importante desenvolvimento para a pesquisa de biocombustível de algas. Outro trabalho com foco na colheita de gás hidrogênio, metano ou etanol de algas, bem como suplementos nutricionais e compostos farmacêuticos, também ajudou a informar a pesquisa sobre a produção de biocombustível a partir de algas.

Após a dissolução do Programa de Espécies Aquáticas, em 1996, houve uma pausa relativa na pesquisa de biocombustíveis de algas. Ainda assim, vários projetos foram financiados nos EUA pelo Departamento de Energia, Departamento de Defesa, Fundação Nacional de Ciência, Departamento de Agricultura, Laboratórios Nacionais, financiamento estatal e financiamento privado, bem como em outros países. Mais recentemente, o aumento dos preços do petróleo nos anos 2000 estimulou o ressurgimento do interesse em biocombustíveis de algas e o financiamento federal dos EUA aumentou, vários projetos de pesquisa estão sendo financiados na Austrália, Nova Zelândia, Europa, Oriente Médio e outras partes do mundo, e uma onda de empresas privadas entrou em campo (veja Empresas). Em novembro de 2012, a Solazyme e a Propel Fuels fizeram as primeiras vendas de varejo de combustível derivado de algas e, em março de 2013, a Sapphire Energy iniciou as vendas comerciais de biocombustível de algas para a Tesoro.

Suplementação Alimentar
O óleo de algas é utilizado como fonte de suplementação de ácidos graxos em produtos alimentícios, pois contém gorduras mono e poliinsaturadas, em particular EPA e DHA. Seu teor de DHA é aproximadamente equivalente ao do óleo de peixe à base de salmão.

Combustíveis
As algas podem ser convertidas em vários tipos de combustíveis, dependendo da técnica e da parte das células utilizadas. A parte lipídica ou oleosa da biomassa de algas pode ser extraída e convertida em biodiesel através de um processo semelhante ao usado para qualquer outro óleo vegetal, ou convertido em uma refinaria em substitutos “substitutos” para combustíveis à base de petróleo. Alternativamente ou após a extração de lipídios, o teor de carboidratos das algas pode ser fermentado em bioetanol ou butanol.

Biodiesel
O biodiesel é um combustível diesel derivado de lipídios animais ou vegetais (óleos e gorduras). Estudos mostraram que algumas espécies de algas podem produzir 60% ou mais de seu peso seco na forma de óleo. Como as células crescem em suspensão aquosa, onde têm acesso mais eficiente à água, CO2 e nutrientes dissolvidos, as microalgas são capazes de produzir grandes quantidades de biomassa e óleo utilizável em tanques ou fotobiorreatores de alta taxa de algas. Este óleo pode então ser transformado em biodiesel, que pode ser vendido para uso em automóveis. A produção regional de microalgas e processamento em biocombustíveis proporcionará benefícios econômicos para as comunidades rurais.

Como não precisam produzir compostos estruturais como a celulose para folhas, caules ou raízes, e porque podem ser cultivados flutuando em um meio nutricional rico, as microalgas podem ter taxas de crescimento mais rápidas do que as culturas terrestres. Além disso, eles podem converter uma fração muito maior de sua biomassa em óleo do que as culturas convencionais, por exemplo, 60% versus 2-3% para a soja. A produção por unidade de área de óleo de algas é estimada em 58.700 a 136.900 L / ha / ano, dependendo do conteúdo lipídico, que é 10 a 23 vezes maior do que a próxima safra mais produtiva, dendê, em 5.950 L / ha / ano.

O Programa de Espécies Aquáticas do Departamento de Energia dos EUA, 1978-1996, enfocou o biodiesel a partir de microalgas. O relatório final sugeriu que o biodiesel poderia ser o único método viável para produzir combustível suficiente para substituir o atual uso mundial de diesel. Se o biodiesel derivado de algas substituísse a produção global anual de 1,1 bilhão de toneladas de diesel convencional, seria necessária uma massa de terra de 57,3 milhões de hectares, o que seria altamente favorável em comparação com outros biocombustíveis.

Biobutanol
O butanol pode ser feito de algas ou diatomáceas usando apenas uma biorrefinaria movida a energia solar. Este combustível tem uma densidade de energia 10% menor que a gasolina e maior que a do etanol ou metanol. Na maioria dos motores a gasolina, o butanol pode ser usado no lugar da gasolina sem modificações. Em vários testes, o consumo de butanol é semelhante ao da gasolina e, quando misturado à gasolina, proporciona melhor desempenho e resistência à corrosão do que o etanol ou o E85.

O resíduo verde que sobrou da extração de óleo de algas pode ser usado para produzir butanol. Além disso, foi demonstrado que macroalgas (algas marinhas) podem ser fermentadas por bactérias do gênero Clostridia em butanol e outros solventes.

Biogasolina
A biogasolina é a gasolina produzida a partir da biomassa. Como a gasolina produzida tradicionalmente, ela contém entre 6 (hexano) e 12 (dodecano) átomos de carbono por molécula e pode ser usada em motores de combustão interna.

Metano
O metano, o principal constituinte do gás natural, pode ser produzido a partir de algas em vários métodos, nomeadamente a gaseificação, a pirólise e a digestão anaeróbica. Nos métodos de gaseificação e pirólise, o metano é extraído sob alta temperatura e pressão. A digestão anaeróbica é um método direto envolvido na decomposição de algas em componentes simples, transformando-a em ácidos graxos usando micróbios como bactérias acidogênicas, seguido pela remoção de partículas sólidas e finalmente adicionando bactérias metanogênicas para liberar uma mistura de gás contendo metano. Diversos estudos demonstraram com sucesso que a biomassa de microalgas pode ser convertida em biogás por digestão anaeróbica. Portanto, a fim de melhorar o balanço energético global das operações de cultivo de microalgas, foi proposto recuperar a energia contida na biomassa de resíduos via digestão anaeróbica para o metano para geração de eletricidade.

Etanol
O sistema Algenol, que está sendo comercializado pela BioFields em Puerto Libertad, Sonora, no México, utiliza água do mar e exaustão industrial para produzir etanol. O Porphyridium cruentum também se mostrou potencialmente adequado para a produção de etanol devido à sua capacidade de acumular grande quantidade de carboidratos.

Diesel verde
As algas podem ser usadas para produzir ‘diesel verde’ (também conhecido como diesel renovável, óleo vegetal hidrotratante ou diesel renovável derivado de hidrogênio) através de um processo de refinaria hidrotratante que quebra moléculas em cadeias de hidrocarbonetos mais curtas usadas em motores a diesel. Tem as mesmas propriedades químicas que o diesel à base de petróleo, o que significa que não requer novos motores, dutos ou infraestrutura para distribuir e usar. Ainda não foi produzido a um custo competitivo com o petróleo. Embora o hidrotratamento seja atualmente o caminho mais comum para produzir hidrocarbonetos do tipo combustível via descarboxilação / descarbonilação, existe um processo alternativo que oferece uma série de vantagens importantes em relação ao hidrotratamento. Nesse sentido, o trabalho de Crocker et al. e Lercher et al. é particularmente digno de nota. Para o refino de petróleo, estão em andamento pesquisas para conversão catalítica de combustíveis renováveis ​​por descarboxilação. Como o oxigênio está presente no petróleo bruto em níveis bastante baixos, da ordem de 0,5%, a desoxigenação no refino de petróleo não é de grande preocupação, e nenhum catalisador é especificamente formulado para hidrotratamento de oxigenados. Assim, um dos desafios técnicos críticos para tornar a hidrodesoxigenação do processo de óleo de alga economicamente viável está relacionado à pesquisa e desenvolvimento de catalisadores eficazes.

Combustível de avião
Os ensaios de utilização de algas como biocombustível foram realizados pela Lufthansa e pela Virgin Airlines já em 2008, embora haja poucas evidências de que o uso de algas seja uma fonte razoável de biocombustíveis para jatos. Em 2015, o cultivo de metil ésteres e alcenonas de ácidos graxos das algas, Isochrysis, estava sendo pesquisado como possível matéria-prima de biocombustível para jatos.

A partir de 2017, houve pouco progresso na produção de combustível de jato de algas, com uma previsão de que apenas de 3 a 5% das necessidades de combustível poderiam ser fornecidas a partir de algas até 2050. Além disso, as empresas de algas que se formaram no início do século 21 como base para uma indústria de biocombustível de algas ou fechou ou mudou seu desenvolvimento de negócios para outras commodities, como cosméticos, rações para animais ou produtos especializados em óleo.

Espécies
A pesquisa de algas para a produção em massa de petróleo concentra-se principalmente em microalgas (organismos capazes de fotossíntese com menos de 0,4 mm de diâmetro, incluindo as diatomáceas e cianobactérias), em oposição às macroalgas, como as algas marinhas. A preferência por microalgas surgiu em grande parte devido à sua estrutura menos complexa, taxas de crescimento rápido e alto teor de óleo (para algumas espécies). No entanto, algumas pesquisas estão sendo feitas para o uso de algas marinhas para biocombustíveis, provavelmente devido à alta disponibilidade deste recurso.

A partir de 2012, pesquisadores em vários locais do mundo começaram a investigar as seguintes espécies para sua adequação como produtores de óleo em massa:

Botryococcus braunii
Chlorella
Dunaliella tertiolecta
Gracilaria
Pleurochrysis carterae (também chamado de CCMP647).
Sargassum, com 10 vezes o volume de saída da Gracilaria.

A quantidade de óleo que cada linhagem de algas produz varia muito. Observe as seguintes microalgas e seus vários rendimentos de óleo:

Ankistrodesmus TR-87: 28–40% de peso seco
Botryococcus braunii: 29-75% dw
Chlorella sp .: 29% dw
Protothecoides de Chlorella (autotrófico / heterotrófico): 15-55% dw
Crypthecodinium cohnii: 20% dw
Cyclotella DI- 35: 42% dw
Dunaliella tertiolecta: 36-42% dw
Hantzschia DI-160: 66% dw
Nannochloris: 31 (6–63)% dw
Nannochloropsis: 46 (31-68)% dw
Nannochloropsis e biocombustíveis
Neoclassis oleoabundans: 35-54% dw
Nitzschia TR-114: 28–50% dw
Phaeodactylum tricornutum: 31% dw
Scenedesmus TR-84: 45% dw
Schizochytrium 50-77% dw
Stichococcus: 33 (9–59)% dw
Tetraselmis suecica: 15–32% dw
Thalassiosira pseudonana: (21–31)% dw

Além disso, devido a sua alta taxa de crescimento, o Ulva foi investigado como combustível para uso no ciclo SOFT, (SOFT significa Solar Oxygen Fuel Turbine), um sistema de geração de energia de ciclo fechado adequado para uso em regiões áridas e subtropicais. regiões.

Outras espécies usadas incluem Clostridium saccharoperbutylacetonicum, Sargassum, Gracilaria, Prymnesium parvum e Euglena gracilis.

Nutrientes e insumos de crescimento
A luz é o que as algas necessitam principalmente de crescimento, pois é o fator mais limitante. Muitas empresas estão investindo no desenvolvimento de sistemas e tecnologias para fornecer luz artificial. Um deles é OriginOil que desenvolveu um Helix BioReactorTM que possui um eixo vertical rotativo com luzes de baixa energia dispostas em um padrão de hélice. A temperatura da água também influencia as taxas metabólicas e reprodutivas das algas. Embora a maioria das algas cresça a uma taxa baixa quando a temperatura da água diminui, a biomassa das comunidades de algas pode aumentar devido à ausência de organismos em pastoreio. Os modestos aumentos na velocidade da corrente de água também podem afetar as taxas de crescimento de algas, uma vez que a taxa de absorção de nutrientes e a difusão da camada limite aumentam com a velocidade da corrente.

Além da luz e da água, fósforo, nitrogênio e certos micronutrientes também são úteis e essenciais no cultivo de algas. O nitrogênio e o fósforo são os dois nutrientes mais significativos necessários para a produtividade de algas, mas outros nutrientes, como o carbono e a sílica, também são necessários. Dos nutrientes necessários, o fósforo é um dos mais essenciais, pois é usado em vários processos metabólicos. A microalga D. tertiolecta foi analisada para ver qual nutriente afeta mais o seu crescimento. As concentrações de fósforo (P), ferro (Fe), cobalto (Co), zinco (Zn), manganês (Mn) e molibdénio (Mo), magnésio (Mg), cálcio (Ca), silício (Si) e enxofre ( As concentrações de S) foram medidas diariamente utilizando a análise de plasma indutivamente acoplado (ICP). Entre todos esses elementos sendo medidos, o fósforo resultou na redução mais dramática, com uma redução de 84% ao longo da cultura. Este resultado indica que o fósforo, na forma de fosfato, é requerido em grandes quantidades por todos os organismos para o metabolismo.

Existem dois meios de enriquecimento que têm sido extensivamente usados ​​para cultivar a maioria das espécies de algas: meio Walne e meio F / 2 Guillard. Estas soluções nutritivas comercialmente disponíveis podem reduzir o tempo para preparar todos os nutrientes necessários para o cultivo de algas. No entanto, devido à sua complexidade no processo de geração e alto custo, eles não são usados ​​para operações culturais em larga escala. Portanto, os meios de enriquecimento utilizados para a produção em massa de algas contêm apenas os nutrientes mais importantes com fertilizantes de nível agrícola, em vez de fertilizantes de laboratório.

Cultivo
As algas crescem muito mais rapidamente do que as culturas alimentares e podem produzir centenas de vezes mais petróleo por unidade de área do que as culturas convencionais, como a colza, as palmeiras, a soja ou a jatrofa. Como as algas têm um ciclo de colheita de 1 a 10 dias, seu cultivo permite várias colheitas em um período de tempo muito curto, uma estratégia diferente daquela associada às culturas anuais. Além disso, as algas podem ser cultivadas em terras impróprias para culturas terrestres, incluindo terras áridas e terras com solo excessivamente salino, minimizando a competição com a agricultura. A maioria das pesquisas sobre o cultivo de algas concentrou-se no cultivo de algas em fotobiorreatores limpos, mas caros, ou em tanques abertos, que são baratos de manter, mas propensos à contaminação.

Sistema de circuito fechado
A falta de equipamento e estruturas necessárias para começar a cultivar algas em grandes quantidades inibiu a produção em massa de algas para a produção de biocombustíveis. O uso máximo de processos agrícolas e hardware existentes é o objetivo.

Sistemas fechados (não expostos ao ar livre) evitam o problema de contaminação por outros organismos soprados pelo ar. O problema de um sistema fechado é encontrar uma fonte barata de CO2 estéril. Vários pesquisadores descobriram que o CO2 de uma chaminé funciona bem para o cultivo de algas. Por razões de economia, alguns especialistas acham que a agricultura de algas para biocombustíveis terá que ser feita como parte da cogeração, onde ela pode aproveitar o calor residual e ajudar a absorver a poluição.

Fotobiorreatores
A maioria das empresas que buscam as algas como fonte de biocombustíveis bombeiam água rica em nutrientes através de tubos de vidro de borossilicato ou de plástico (chamados “biorreatores”) que são expostos à luz solar (e chamados fotobiorreatores ou PBR).

Executar um PBR é mais difícil do que usar um lago aberto, e mais caro, mas pode fornecer um nível mais alto de controle e produtividade. Além disso, um fotobiorreactor pode ser integrado num sistema de cogeração de ciclo fechado muito mais facilmente do que os tanques ou outros métodos.

Lagoa aberta
Os sistemas de lagoa aberta consistem em lagoas simples, que são frequentemente misturadas por uma roda de pás. Esses sistemas têm baixo consumo de energia, custos operacionais e custos de capital quando comparados aos sistemas de fotobiorreator de ciclo fechado. Quase todos os produtores comerciais de algas para produtos de algas de alto valor utilizam sistemas de lagoas abertas.

Purificador de relva
O purificador de algas é um sistema projetado principalmente para a limpeza de nutrientes e poluentes fora da água usando turfa de algas. O ATS imita os campos de algas de um recife de corais natural, recolhendo água rica em nutrientes de fontes residuais ou fontes naturais de água, e pulsando-o sobre uma superfície inclinada. Esta superfície é revestida com uma membrana de plástico áspero ou uma tela, que permite esporos naturais de algas para estabelecer e colonizar a superfície. Uma vez que as algas tenham sido estabelecidas, elas podem ser colhidas a cada 5 a 15 dias e podem produzir 18 toneladas métricas de biomassa de algas por hectare por ano. Em contraste com outros métodos, que se concentram principalmente em uma única espécie de algas de alto rendimento, este método se concentra em policulturas naturais de algas. Como tal, o conteúdo lipídico das algas em um sistema ATS é geralmente menor, o que o torna mais adequado para um produto de combustível fermentado, como etanol, metano ou butanol. Por outro lado, as algas colhidas poderiam ser tratadas com um processo de liquefação hidrotérmica, o que tornaria possível a produção de biodiesel, gasolina e combustível de aviação.

Existem três grandes vantagens do ATS em relação a outros sistemas. A primeira vantagem é documentada maior produtividade em sistemas de lagoas abertas. O segundo é o menor custo operacional e de produção de combustível. A terceira é a eliminação de problemas de contaminação devido à dependência de espécies de algas que ocorrem naturalmente. Os custos projetados para a produção de energia em um sistema ATS são de US $ 0,75 / kg, em comparação com um fotobiorreator que custaria US $ 3,50 / kg. Além disso, devido ao fato de que o objetivo principal da ATS é remover nutrientes e poluentes da água, e esses custos têm se mostrado mais baixos do que outros métodos de remoção de nutrientes, isso pode incentivar o uso dessa tecnologia para remoção de nutrientes. função primária, com a produção de biocombustíveis como um benefício adicional.

Produção de combustível
Após a colheita das algas, a biomassa é tipicamente processada em uma série de etapas, que podem diferir com base nas espécies e no produto desejado; essa é uma área ativa de pesquisa e também é o gargalo dessa tecnologia: o custo de extração é maior que o obtido. Uma das soluções é usar alimentadores de filtro para “comê-los”. Animais melhorados podem fornecer alimentos e combustíveis. Um método alternativo para extrair as algas é cultivar as algas com tipos específicos de fungos. Isso causa bio-floculação das algas, o que permite uma extração mais fácil.

Desidratação
Muitas vezes, as algas são desidratadas e, em seguida, um solvente como o hexano é usado para extrair compostos ricos em energia, como triglicerídeos, do material seco. Então, os compostos extraídos podem ser processados ​​em combustível usando procedimentos industriais padrão. Por exemplo, os triglicerídeos extraídos são reagidos com metanol para criar biodiesel via transesterificação. A composição única de ácidos graxos de cada espécie influencia a qualidade do biodiesel resultante e, portanto, deve ser levada em consideração na seleção de espécies de algas para matéria-prima.

Liquefação hidrotermal
Uma abordagem alternativa chamada liquefação hidrotérmica emprega um processo contínuo em que os sujeitos coletam algas úmidas a altas temperaturas e pressões – 350 ° C (662 ° F) e 3.000 libras por polegada quadrada (21.000 kPa).

Os produtos incluem petróleo bruto, que pode ser ainda mais refinado em combustível de aviação, gasolina ou diesel usando um ou muitos processos de atualização. O processo de teste converteu entre 50 e 70 por cento do carbono das algas em combustível. Outros produtos incluem água limpa, gás combustível e nutrientes como nitrogênio, fósforo e potássio.

Nutrientes
Nutrientes como nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K) são importantes para o crescimento das plantas e são partes essenciais do fertilizante. Sílica e ferro, assim como vários oligoelementos, também podem ser considerados importantes nutrientes marinhos, pois a falta de um pode limitar o crescimento ou a produtividade de uma área.

Dióxido de carbono
A emissão de CO2 por meio de sistemas de cultivo de algas pode aumentar bastante a produtividade e o rendimento (até um ponto de saturação). Tipicamente, serão utilizadas cerca de 1,8 toneladas de CO2 por tonelada de biomassa de algas (seca) produzida, embora isso varie com as espécies de algas. A Destilaria Glenturret em Perthshire, Reino Unido – lar do The Famous Grouse Whiskey – percola CO2 produzido durante a destilação de uísque através de um bioreator de microalgas. Cada tonelada de microalgas absorve duas toneladas de CO2. A Scottish Bioenergy, que administra o projeto, vende as microalgas como alimento de alto valor e rico em proteínas para a pesca. No futuro, eles usarão os resíduos de algas para produzir energia renovável por meio da digestão anaeróbica.

Azoto
O nitrogênio é um substrato valioso que pode ser utilizado no crescimento de algas. Várias fontes de nitrogênio podem ser usadas como nutrientes para algas, com capacidades variadas. O nitrato foi encontrado para ser a fonte preferida de nitrogênio, em relação à quantidade de biomassa cultivada. A uréia é uma fonte prontamente disponível que mostra resultados comparáveis, tornando-se um substituto econômico da fonte de nitrogênio na cultura em larga escala de algas. Apesar do claro aumento no crescimento em comparação com um meio sem nitrogênio, foi demonstrado que as alterações nos níveis de nitrogênio afetam o conteúdo lipídico dentro das células de algas. Em um estudo, a privação de nitrogênio por 72 horas fez com que o conteúdo total de ácidos graxos (em uma base celular) aumentasse em 2,4 vezes. 65% dos ácidos graxos totais foram esterificados em triacilglicerídeos em corpos oleosos, quando comparados à cultura inicial, indicando que as células de algas utilizam a síntese de novo de ácidos graxos. É vital que o conteúdo lipídico nas células de algas seja de quantidade suficiente, mantendo os tempos de divisão celular adequados, de modo que os parâmetros que podem maximizar ambos estão sob investigação.

Águas residuais
Uma possível fonte de nutrientes é a água residual do tratamento de esgoto, agricultura ou escoamento superficial, todos os principais poluentes e riscos à saúde. No entanto, esta água residual não pode alimentar as algas diretamente e deve primeiro ser processada por bactérias, através da digestão anaeróbica. Se a água residual não for processada antes de atingir as algas, ela irá contaminar as algas no reator e, no mínimo, matar a maior parte da cepa de algas desejada. Nas instalações de biogás, os resíduos orgânicos são frequentemente convertidos em uma mistura de dióxido de carbono, metano e fertilizante orgânico. O fertilizante orgânico que sai do digestor é líquido e quase adequado para o crescimento de algas, mas primeiro deve ser limpo e esterilizado.

A utilização de águas residuais e oceânicas em vez de água doce é fortemente defendida devido ao contínuo esgotamento dos recursos de água doce. No entanto, metais pesados, metais vestigiais e outros contaminantes em águas residuais podem diminuir a capacidade das células de produzir lipídios biossinteticamente e também impactar vários outros trabalhos no maquinário das células. O mesmo é verdade para a água do oceano, mas os contaminantes são encontrados em diferentes concentrações. Assim, o fertilizante agrícola é a fonte preferida de nutrientes, mas os metais pesados ​​são novamente um problema, especialmente para cepas de algas que são suscetíveis a esses metais. Em sistemas de lagoas abertas, o uso de cepas de algas que podem lidar com altas concentrações de metais pesados ​​pode impedir que outros organismos infestem esses sistemas. Em alguns casos, tem sido demonstrado que cepas de algas podem remover mais de 90% do níquel e do zinco das águas residuais industriais em períodos de tempo relativamente curtos.

Impacto ambiental
Em comparação com as culturas de biocombustíveis terrestres, como milho ou soja, a produção de microalgas resulta em uma pegada de terra muito menos significativa devido à maior produtividade de óleo das microalgas do que todas as outras culturas oleaginosas. As algas também podem ser cultivadas em terras marginais, inúteis para cultivos comuns e com baixo valor de conservação, e podem usar água de aqüíferos salinos que não são úteis para a agricultura ou a bebida. As algas também podem crescer na superfície do oceano em sacos ou telas flutuantes. Assim, as microalgas poderiam fornecer uma fonte de energia limpa com pouco impacto no fornecimento de alimentos e água adequados ou na conservação da biodiversidade. O cultivo de algas também não requer subsídios externos de inseticidas ou herbicidas, eliminando qualquer risco de geração de fluxos de resíduos de pesticidas associados. Além disso, os biocombustíveis de algas são muito menos tóxicos e degradam-se muito mais prontamente do que os combustíveis derivados do petróleo. No entanto, devido à natureza inflamável de qualquer combustível, há potencial para alguns riscos ambientais se forem inflamados ou derramados, como pode ocorrer em um descarrilamento de trem ou vazamento de um duto. Este perigo é reduzido em comparação com os combustíveis fósseis, devido à capacidade de os biocombustíveis de algas serem produzidos de uma forma muito mais localizada e devido à menor toxicidade global, mas o risco ainda está presente. Portanto, os biocombustíveis de algas devem ser tratados de maneira similar aos combustíveis de petróleo no transporte e uso, com medidas de segurança suficientes em todos os momentos.

Estudos determinaram que a substituição de combustíveis fósseis por fontes renováveis ​​de energia, como os biocombustíveis, tem a capacidade de reduzir as emissões de CO2 em até 80%. Um sistema baseado em algas poderia capturar aproximadamente 80% do CO2 emitido por uma usina de energia quando a luz solar estiver disponível. Embora este CO2 seja liberado mais tarde na atmosfera quando o combustível é queimado, este CO2 teria entrado na atmosfera independentemente. A possibilidade de reduzir as emissões totais de CO2 está, portanto, na prevenção da liberação de CO2 dos combustíveis fósseis. Além disso, comparado a combustíveis como diesel e petróleo, e mesmo comparado a outras fontes de biocombustíveis, a produção e combustão de biocombustível de algas não produz óxidos de enxofre ou óxidos nitrosos e produz uma quantidade reduzida de monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e emissão de outros poluentes nocivos. Como as fontes vegetais terrestres de produção de biocombustível simplesmente não têm capacidade de produção para atender às necessidades atuais de energia, as microalgas podem ser uma das únicas opções para a substituição completa de combustíveis fósseis.

A produção de microalgas também inclui a capacidade de usar resíduos salinos ou fluxos de resíduos de CO2 como fonte de energia. Isso abre uma nova estratégia para produzir biocombustível em conjunto com o tratamento de águas residuais, enquanto é capaz de produzir água limpa como subproduto. Quando usadas em um biorreator de microalgas, as microalgas colhidas capturarão quantidades significativas de compostos orgânicos, bem como contaminantes de metais pesados, absorvidos de fluxos de águas residuárias que, de outra forma, seriam diretamente descarregados em águas superficiais e subterrâneas. Além disso, este processo também permite a recuperação do fósforo dos resíduos, que é um elemento essencial, mas escasso na natureza – cujas reservas se esgotam nos últimos 50 anos. Outra possibilidade é o uso de sistemas de produção de algas para limpar a poluição proveniente de fontes não pontuais, em um sistema conhecido como lavador de grama de algas (ATS, algal scruff). Isso tem demonstrado reduzir os níveis de nitrogênio e fósforo em rios e outras grandes massas de água afetadas pela eutrofização, e estão sendo construídos sistemas capazes de processar até 110 milhões de litros de água por dia. O ATS também pode ser usado para o tratamento de poluição proveniente de fontes pontuais, como as águas residuais mencionadas acima, ou no tratamento de efluentes de animais.