18 de out de 2013

Um pouco da história do NPDEAS e da produção de microalgas em Fotobiorreatores em escala industrial na UFPR

            O NPDEAS (http://www.npdeas.blogspot.com.br/), Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável, da Universidade Federal do Paraná foi implantado em 2008 e é constituído por professores das Áreas de Engenharia, Química e Bioquímica. O NPDEAS faz parte do Grupo de Energia e Ciências Térmicas coordenado pelo Prof. José Vargas (http://goo.gl/jS4uh).
O NPDEAS é dividido em 3 grandes grupos: (i) Engenharia Mecânica liderada pelo Prof. Vargas e responsável pelos projetos dos equipamentos, fotobiorreatores, cultivos das microalgas, modelagem matemática e simulação dos processos desenvolvidos, (ii) Operações Unitárias liderada pelo Prof. Luiz Pereira Ramos responsável pela produção do biodiesel de microalgas, (iii) Biotecnologia liderada pelos Professores David Alexander Mitchell e Nádia Krieger responsáveis pelo desenvolvimento de catalisadores enzimáticos para síntese de biodiesel e outras aplicações biotecnológicas. Na qualidade de Gerente de Programas coordeno o trabalho de todas as equipes com o foco no objetivo geral que é o desenvolvimento de Energia Sustentável.
            Os trabalhos desenvolvidos no NPDEAS enfocam problemas científicos e tecnológicos cuja principal característica é o forte vínculo com as necessidades do setor produtivo. Um exemplo disso são contratos de prestação de serviço estabelecidos entre as empresas Nilko Metalurgia Ltda. e a PSA - Peugeot Citroën do Brasil. Além disso, o grupo teve 4 projetos aprovados no CNPq. Nesse curto espaço de tempo, o NPDEAS estabeleceu-se como referência no desenvolvimento de fotobiorreatores para produção de biomassa de microalgas. Atualmente são três fotobiorreatores tubulares compactos de 12 m3 construídos e vários protótipos de diferentes características em desenvolvimento. No total, já foram produzidas 15 dissertações de mestrado, 2 teses de doutorado, 7 artigos em periódicos e mais de 50 trabalhos completos em anais de congressos, 1 patente internacional e 1 patente nacional. A listagens dos projetos e publicações atualizadas podem ser verificadas pelo seguinte link: Curriculo Plataforma Lattes.
            Pessoalmente participei no desenvolvimento de outro equipamento patenteado em parceria com o TECPAR  e UTFPR que consiste em um fotobiorreator planar para remoção de odores em emissões industriais. O equipamento (Fig. 1) encontra-se instalado em uma churrascaria na cidade de Curitiba proporcionando a eliminação do cheiro do churrasco, fixando CO2 e produzindo biomassa de microalgas a qual recentemente foi fornecida para vários grupos de pesquisa no Brasil (UFG,  UFRJ, UFLA e UFPR).
            

Figura 1. Fotobiorreatores planares instalados na Churrascaria Devon's em Curitiba e responsável pelo tratamento de fumaça com eliminação dos odores, fixação de CO2 e produção de biomassa.

           
            Além dos professores (5), complementam a equipe de pesquisa do NPDEAS 2 técnicos, 12 alunos de mestrado, 2 alunos de doutorado, 2 engenheiros, 4 alunos de graduação (iniciação científica), 10 alunos do ensino técnico, uma secretária e uma auxiliar de serviços gerais, totalizando 37 pessoas.
            As instalações do NPDEAS (http://goo.gl/htdZg) ocupam um área de 800 m2, onde estão abrigados: Laboratório de Biotecnologia, Laboratório de Precisão, Sala de Cultivo de Bactérias e Fungos, Sala de Cultivo de Microalgas, Almoxarifado, Laboratório de Operações Unitárias, Laboratório de Química Pesada, Casa de Máquinas, Unidade Produtora de Vapor, Secretaria, Sala dos Alunos, Sala da Engenharia, Sala da Química, Sala da Biotecnologia, Biodigestor, Sala da Gerência, Sala de Professor Visitante e Pátio com os fotobiorreatores. As instalações do NPDEAS abrigam ainda uma Sala de Simulação utilizada para aulas, reuniões, treinamentos e modelagem matemática.
            Vale ressaltar o grau de interesse e comprometimento de empresas com o escopo do projeto. A empresa Nilko financia pesquisas do Grupo de Energia e Ciências Térmicas há mais de 10 anos. O interesse da empresa se demonstra pelo desenvolvimento de fotobiorreatores modulares compactos para produção de biodiesel de microalgas através de um contrato de prestação de serviço até 2014. O NPDEAS também possui contrato com a empresa Peugeot Citröen Brasil (PSA) no qual o foco consiste na produção de biodiesel de microalgas para teste em veículo de passeio a diesel (C4 Pallas Argentino).
            O principal produto tecnológico produzido pelo grupo consiste no desenvolvimento de fotobiorreator tubular compacto de 12 mil litros de capacidade, 3,5 km de tubos transparentes arranjados em um espaço de apenas 10 m2. O equipamento possui patente no Brasil e nos Estados Unidos da América. Esse equipamento permite o crescimento de microalgas sem a injeção de CO2 de origem fóssil. Utiliza-se apenas o CO2 proveniente do ar atmosférico, garantido as características de renovabilidade desse combustível. Graças a essas características, estabelecemos parceria com a PSA Peugeot Citröen para o desenvolvimento de biodiesel. A companhia estava em busca de biodiesel de microalgas que não utilizasse CO2 de origem fóssil e, pelas informações repassadas pela empresa, somos o único grupo com essas característica no mundo. Até o momento o NPDEAS possuí três equipamentos construídos e planeja a construção de pelo menos mais três.

Figura 2. Fotobiorreator tubular compacto desenvolvido pelo NPDEAS para produção de biomassa de microalgas.

            O interesse nas microalgas baseia-se em algumas características como: (i) estrutura simples e (ii) rápido crescimento. Tradicionalmente cultiva-se microalgas em tanques abertos. Apesar de baratos, esse sistema de cultivo apresenta muitas desvantagens que podem comprometer a viabilidade das microalgas como fonte de matéria prima para biocombustíveis como: problemas com contaminação, baixa concentração de células, baixo aproveitamento de CO2 injetado e necessidade de grandes áreas devido ao baixo aproveitamento da luz. Além disso, existem muitos sistemas abertos denominados como eficientes por apresentarem muitos aprimoramentos cujos custos de construção são similares aos fotobiorreatores. Assim, a principal vantagem desse sistema, que consiste no baixo custo de instalação, desaparece.
            Apesar de mais caros, os fotobiorreatores fornecem condições de cultivo ideais para a produção de microalgas. Esses equipamentos permitem grande aproveitamento da energia luminosa, condição fundamental para a realização da fotossíntese pelas microalgas. Além disso, devido ao equipamento ser fechado, existe pouca interação com o meio externo e as contaminações são praticamente inexistentes. A experiência do NPDEAS nesta área mostra que, desde 2010, nenhum cultivo em fotobiorreator realizado foi interrompido devido à contaminação, demonstrando a robustez do sistema. Outro ponto importante de se ressaltar consiste na ausência de procedimentos de limpeza do equipamento com produtos esterilizantes como agentes cáusticos ou clorados. Em parte, a maior produtividade nos fotobiorreatores se refere à capacidade de fornecer grandes quantidades de CO2 para as microalgas. Os fotobiorreatores possuem equipamentos específicos para a troca gasosa transferindo com eficiência o CO2 do ar (ou outra fonte) diretamente para o meio de cultivo e removendo o O2 produzido na fotossíntese.
            O sistema está em constante evolução e precisará de mais estudos para atingir potencial teórico apontado pela literatura como sendo de 2 a 13,7 L de óleo/m2 ao ano. Para nível de comparação temos que a produtividade da soja é 0,06 L de óleo/m2 ao ano e da palma 0,5 L de óleo/m2 ao ano.


OPORTUNIDADES PARA MESTRADO E DOUTORADO: Um dos grandes produtos do NPDEAS para o Mercado é a formação de mão de obra especializada. Desta forma, o NPDEAS possui professores vinculados a diversos programas de Pós-Graduação na UFPR e pode ser uma oportunidade para aperfeiçoamento profissional. Os programas são:

·          Pós-Graduação em Engenharia Química (http://www.ppgeq.ufpr.br),
·          Pós-Graduação em Ciências - Bioquímica (http://bioquimica.bio.ufpr.br),
·          Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais (http://www.pipe.ufpr.br),
·          Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (http://www.pgmec.ufpr.br)


FINANCIAMENTO DE PESQUISAS: O grupo de pesquisa apresenta forte ligação com o setor produtivo e está aberto para financiamentos de pesquisas através de contratos de prestação de serviços assinados com a Universidade Federal do Paraná.