Impacto ambiental ponderado da biomassa microalgal visando a produção de carotenóides

Impacto ambiental ponderado da biomassa microalgal visando a produção de carotenóides

Weighted Environmental Impact of Microalgal Biomass Aimed at Carotenoids Production

^IUniversidad Tecnológica de La Habana “José Antonio Echeverría”, Facultad de Ingeniería Mecánica, Grupo de Combustibles Alternativos, Marianao, La Habana, Cuba.

^IIUniversidade Federal de São Carlos, Departamento de Botânica, Centro de Ciências Biológicas e da Saúde Laboratório de Biotecnologia de Algas, São Carlos, Brasil.

Este estudo visa à aplicação de um método para determinação do impacto ambiental ponderado de estágios e atividades do ciclo de vida das microalgas, com a finalidade de produção de carotenóides. O impacto ambiental é foi calculado pela matriz de ponderação de impacto ambiental. Foi analisado o impacto das 20 atividades do ciclo de vida de microalgas em 19 categorias de impacto de nível médio e em 4 categorias de impacto de nível final (Matriz base 20*19*4). Esta avaliação mostrou que as microalgas são benéficas ao meio ambiente, e que sua biomassa pode ser utilizada para a produção de compostos com alto valor agregado.

Palavras-chave: matriz de ponderação, ciclo de vida, compostos, alto valor agregado.

The application of a method for determining the weighted environmental impact of the life cycle of microalgae, with the purpose of carotenoids production, is described in this paper. The environmental impact is calculated, through a Weighted Matrix. The impact of 20 activities of the life cycle of microalgae, in 19 medium level impact categories and in 4 final level impact categories are shown (matrix base 20*19*4). This evaluation shows that microalgae are friendly with the environment. The achieved results, verify that microalgae are an excellent biomass that can be used for the production of compounds of high added value.

É de conhecimento que as microalgas apresentam um potencial para suprir a crescente demanda de energia prevista para as próximas décadas. Estes organismos têm inúmeras vantagens sobre as culturas terrestres tradicionais na produção de biocombustíveis. Entre essas vantagens, a capacidade de produzir biomassa por unidade de área e tempo, o que representa uma produtividade muito além das obtidas pelas principais culturas terrestres, utilizadas como matéria prima na produção de outros derivados. Outra característica a favor das microalgas é o fato de que elas não necessitam de terras férteis e água potável. Portanto, podem ser produzidas em áreas marginais, sem competir com a produção de alimentos. Entretanto, não há um consenso comum, em curto prazo, sobre a viabilidade econômica da produção de outros produtos a partir desses organismos (de Azeredo, 2012)

As microalgas vêm sendo objeto de estudos para múltiplos fins, principalmente pelos Estados Unidos, Brasil e outros países, através de programas de pesquisa que se iniciaram na década dos anos 70, mas que só agora estão ganhando destaque. Esses organismos unicelulares habitam em quase todos os ambientes existentes. Entretanto, em sua maioria, as microalgas são de ambientes marinhos. Atualmente existem estudos para obter de forma eficiente a partir de biomassa, em especial da microalgal; alimento, energia e biocombustíveis. Muitos centros em Espanha, EUA, Cuba, Brasil, Japão e China, desenvolvem pesquisas visando produzir vários produtos de alto valor agregado a partir de microalgas.

A produção destes organismos tem benefícios que podem ser resumidos em três áreas: econômica, ambiental e social.

Econômica – sua biomassa é renovável, o que irá permitir uma maior diversificação. A matéria-prima de interesse e subprodutos gerados a partir de seus processos podem ter outros usos (inseticidas, fertilizantes, ração animal, etc.) de acordo com a viabilidade econômica. Com isso, pode se desenvolver o agronegócio, reduzir as importações e gerar novos produtos exportáveis.

Ambiental - a produção e utilização da biomassa pode contribuir para a regeneração dos solos impróprios para a agricultura, aumentar a biodiversidade e reduzir o efeito estufa, através do sequestro de carbono. Atualmente a produção de combustíveis a partir de biomassa, entre os quais o biodiesel e o bioetanol, estão crescendo no mundo, devido à necessidade de encontrar uma solução viável para produzir energia de forma sustentável. A biomassa de microalgas atende a essa demanda.

Social - provoca um impacto social positivo, já que cria empregos e melhora a qualidade de vida.

Maior conhecimento sobre a importância de proteger o meio ambiente e os impactos potenciais associados aos produtos manufaturados e / ou consumidos, tem aumentado o interesse no desenvolvimento de métodos para melhor compreender e diminuir esses impactos. Um dos métodos desenvolvidos para este fim é a Análise de Ciclo de Vida (ACV). O Ciclo de Vida (CV) inclui todas as fases da existência de um produto ou serviço incluindo a extração, produção, distribuição, utilização (uso) e eliminação. Esse ciclo pode ser entendido pela expressão “do berço ao túmulo”.

A avaliação do CV é uma técnica para determinar os aspectos e impactos ambientais potenciais associados com um produto. Consiste em compilar um inventário das entradas e saídas dos sistemas relevantes, avaliando os potenciais impactos ambientais associados a estas, assim como de interpretação dos resultados e de impacto dos objetivos do estudo (ISO Standard, 2006a, 2006b).A ACV é uma ferramenta metodológica para analisar quantitativamente o CV de produtos/atividades dentro do contexto de seu impacto ambiental. A aplicação desta ferramenta sofreu grandes mudanças durante os anos 90. Ela foi rapidamente incorporada nos mais altos níveis estratégicos Joint Research Center y European Commission (2010), inclusive na tomada de decisões e níveis políticos corporativos. A ACV é usada atualmente para avaliar uma ampla gama de produtos e atividades, desde a concepção até o produto acabado, também em sistemas de energia, produção de alimentos e alternativas de transporte.

Além disso, pesquisas realizadas por universidades, institutos de pesquisa e empresas de consultoria têm desenvolvido ainda mais os procedimentos e métodos para realizar a ACV. Foi declarado Joint Research Center y European Commission, (2010),que o escopo de uma ACV depende do objetivo a ser alcançado, por isso, esta metodologia ainda está em desenvolvimento. Constante, mostrando claramente que não existe um método universal aplicável em todas as situações. Com este estudo objetivou-se avaliar o impacto ambiental da produção de biomassa microalgal em escala ampliada, através da avaliação de seu ciclo de vida (ACV), visando à obtenção de compostos com alto valor agregado, por exemplo, os carotenóides.

A atual literatura Goedkoop et al. (2009), considera as categorias de impacto associadas a um nível médio e a um nível final. Essas 19 categorias de impacto ao nível médio, estão apresentadas na Tabela 1.

Por sua vez, essas 19 categorias de impacto foram agrupadas e transformaram-se em 4 categorias de impacto de nível final (Tabela 2).

Danos à saúde humana (SH): as avaliações do ciclo de vida buscam comumente inferir os danos de um processo produtivo para a saúde humana, utilizando o conceito: anos de vida ajustados por incapacidade (DALY- disability-adjusted life years). Os valores para os O DALY já foram relatados para uma ampla gama de doenças (Goedkoop et al. 2009).
Danos à biodiversidade do ambiente (BA): os ecossistemas são heterogêneos e complexos para monitorar. Vários tratados, decretos e acordos informais (UNCED, PNUMA, Conselho Europeu) têm incluído uma lista de atributos considerados importantes para a humanidade, tais como: a biodiversidade, os valores estéticos e culturais, funções e serviços ecológicos, recursos ecológicos e informações funcionais (material genético) Goedkoop et al. (2009).
Danos na disponibilidade de recursos (DR): Considera o risco que a humanidade estará exposta por falta de recursos para as gerações futuras. O esgotamento de recursos é o único problema que deve ser monitorado permanentemente Goedkoop et al. (2009).
Danos ao ambiente artificial (AA): Esta categoria de impacto considera o dano à qualidade de vida, provocando pandemias e desastres ao patrimônio humano (Goedkoop et al. 2009).

Para aplicar a metodologia da ACV, devem-se considerar quatro fases (Goedkoop et al. 2009):

Determinar os objetivos e o âmbito do estudo: O âmbito e o nível de detalhe de uma ACV dependem do objeto de estudo e seu uso utilitário. A profundidade e a amplitude da ACV podem diferir consideravelmente, dependendo da finalidade específica a que se destina.
Análise do Inventário: É um inventário dos dados de entrada e de saída do sistema estudado e envolve a relação entre os dados necessários para responder ao objetivo definido.
Avaliação de Impacto: O objetivo desta fase é fornecer informação adicional para ajudar a avaliar o estágio anterior e melhor compreender o seu significado ambiental.
Interpretação: A interpretação do CV ocorre na fase final do processo de ACV, onde os resultados são resumidos e discutidos como base para conclusões, recomendações e tomada de decisões, em conformidade com o objetivo e alcance.

Avaliação qualitativa do potencial de impacto ambiental da biomassa de microalgas

A Tabela 3 mostra os resultados da avaliação qualitativa do impacto do CV de microalgas. Esses dados foram obtidos a partir da revisão da literatura (Rodríguez et al., 2015; Rodríguez et al., 2009; Collet et al., 2011; Richmond, 2004; Widjaja & Chien, 2009; Benjamin, 2013; Sawayama & Inoue, 1995; Shelef & Sukenik, 1984), e consulta com engenheiros mecânicos, químicos e biólogos, bem como pelas habilidades de trabalho em equipe com especialistas (técnica Delphi, Kendall w).

Pelos resultados obtidos, as microalgas são viáveis para atividades econômicas, sendo os impactos negativos ao meio ambiente muito baixos.

Na Figura 1 é apresentado o CV das microalgas com o objetivo de obtenção de carotenóides, estágios (6) e atividades (20).

- O inventário das categorias de impacto ao nível medio e final, apresentados na Tabela 1.

- O inventário das atividades do CV das microalgas e a lista de atividades que fazem parte do CV, são apresentados na Tabela 4.

Para este efeito, é usada a matriz de ponderação de Impacto Ambiental (base 20*19*4), que avalia o impacto das 20 atividades do CV de microalgas nas 19 categorias ambientais e suas consequências para o ambiente (ICVD 2010). Para realizar a avaliação, cada atividade é analisada em cada categoria ambiental, avaliando a magnitude do impacto de acordo com as recomendações contidas na Tabela 5. A classificação aplicada é proposta própria dos autores.

A avaliação de cada par de atividades (categoria ambiental) pode ser vista na Tabela 6. A identificação de cada uma das atividades pode ser encontrada na Tabela 4. O valor atribuído a cada par de atividades de categoria ambiental é o resultado da execução do trabalho com técnica grupal (Delphi-Kendall) com a participação de especialistas (mecânicos, engenheiros químicos e biólogos).

Conhecidos os valores que têm os efeitos ambientais para cada atividade, é possível calcular o valor médio do impacto que tem efeito no meio ambiente por:

Valor absoluto da atividade i = Σ (impacto ambiental j) / 19 (1)
onde i=1…20; j=1…19
Valor relativo da atividade i (%) = Impacto Absoluto da atividade i / 3∙100 (2)
peso específico da atividade i (%) = Valor relativo da atividade / 20 (3)
Soma k (%) = Σ reais específicos de atividades pertencentes a k (4) onde k = 1...6 correspondente ao número de estágios do CV de microalgas (Tabela 4).

Na tabela 7 são apresentados os valores de impacto para cada uma das atividades enumeradas na Tabela 4.

As atividades do estágio Co-produto são as menos impactantes com 0,44%.
As atividades do estágio Cultura mostram um impacto de 1,58%, sendo o período de maior impacto.
As atividades dos estágios Procesamento de Biomassa e Uso mostram um impacto de 0,61%.
As atividades do estágio Manutenção das Cepas mostram um impacto de 0,53%.
As atividades do estágio Reciclagem mostram um impacto de 0,70%.

Além disso, é possível calcular a partir da Tabela 5, o impacto ambiental por categorias de impacto a nível médio. A ponderação relativa destes efeitos é calculada como:

Na Figura 2 são apresentados os resultados da análise do impacto ambiental, de acordo com cada um dos indicadores que caracterizam as categorias de impacto ao nível médio.

Como pode-se observar, o maior impacto corresponde ao esgotamento de recursos fósseis com um valor de 1,14%. Outras categorias com resultado menor do que esta última são: a toxicidade humana e o esgotamento de água com 0,61% e 0,53% respectivamente. Existem 9 categorias que não apresentam impacto, cujo valor do indicador é 0.

A Figura 3 mostra a magnitude do impacto ambiental nas quatro categorias de impacto a nível final, onde:

O maior impacto de CV das microalgas é o que está associado com os danos à disponibilidade de recursos, seguido de danos à saúde humana e à biodiversidade do meio ambiente. Os danos para o ambiente artificial, no tem. Os dados apresentados na Tabela 8 são uma proposta dos autores.

Considerando a Tabela 8, que mostra o valor ponderado (%) em relação ao impacto, concluiu-se que as microalgas podem ser descritas como pouco impactantes. Em trabalhos anteriores, Rodríguez et al. (2009) e Rodríguez et al. (2015) usaram a matriz de impacto para a análise do impacto das biomassas de cana-de-açúcar e Jatropha curcas (Pinhão–manso). A Tabela 9 mostra essa comparação.

Este artigo forma parte dos resultados do projeto internacional: Cultivo das microalgas Chlorella sorokiniana e Chlorella vulgaris visando à produção de carotenóides e proteínas para atender às indústrias farmacêutica, alimentícia, cosmética e de química fina, que apoiou a FAPESP através do Processo nº 2015/07315-2, o que propiciou a colaboração conjunta entre a Universidade Tecnológica da Havana, Fac. Ing. Mecânica, Cuba e a Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Botânica, Centro de Ciências Biológicas e da Saúde, Laboratório de Biotecnologia de Algas, São Carlos, Brasil. Agradecemos pelo valioso apoio à pesquisa.

A menção de marcas de equipamento comerciais, instrumentos ou materiais específicos obedecem identificação pretende, há nem todo compromisso de promoção relacionado a eles, nem para os autores nem para o editor.

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Pedro Antonio Rodríguez-Ramos, Prof. Titular, Universidad Tecnológica de La Habana “José Antonio Echeverría”, Facultad de Ingeniería Mecánica, Grupo de Combustibles Alternativos, Marianao, La Habana, Cuba. E-mail:parr@ceim.cujae.edu.cu