Fotobiorreatores
O cultivo industrial de algas depende da tecnologia de fotobiorreator (PBR), que depende de um tubo de vidro robusto que seja forte, estável aos raios UV, seguro em termos biológicos e seguro para alimentos. As soluções de PBR da SCHOTT oferecem tubos de vidro da mais alta qualidade, com transmissão de luz excepcional para equipamentos confiáveis e duradouros.
Aproveitando a natureza ao máximo
As microalgas são consideradas uma fonte interessante de proteína vegana e nutrientes usados em suplementos alimentares que proporcionam uma ampla gama de benefícios para a saúde. Embora as microalgas sejam comumente encontradas na natureza, o cultivo industrial é um método eficiente de produção em massa, com fotobiorreatores (PBR) produzindo grandes quantidades de microalgas consistentes, de alta qualidade e não contaminadas. Os tubos de vidro de borossilicato DURAN® são amplamente utilizados na tecnologia PBR, fornecendo o ambiente ideal para a produção de biomassa e purificação de água.
Um parceiro global da tecnologia PBR
A SCHOTT trabalha com algumas das maiores empresas de cultivo de algas do mundo, fornecendo tubos de vidro em uma ampla variedade de formatos, dimensões e formas para os mais atuais fotobiorreatores. Os vidros de borossilicato, como o DURAN®, proporcionam transmissão de luz ideal, longa vida útil, desempenho consistente e excelente resistência, o que os torna a opção número um para este setor em rápido desenvolvimento.
Como escolher um PBR?
As algas fototróficas podem, em geral, ser cultivadas de duas maneiras diferentes: em sistemas abertos ou fechados. A principal diferença entre essas duas abordagens é se a solução de algas é separada da atmosfera ou não. Isso tem uma influência crucial sobre quais impactos ambientais podem afetar a solução de algas e como o cultivo delas pode ser controlado.
Visão geral das vantagens dos sistemas fechados:
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Produtividade significativamente mais alta
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Menor risco de contaminação
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Baixo consumo de água
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Uso de pouco espaço
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Pureza excelente da biomassa (grau alimentício)
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Alta capacidade de reprodução dos resultados
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Volume de produção constante e previsível
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Safra econômica devido à maior concentração de algas
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A possibilidade de uma mudança fácil das algas cultivadas
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Baixa dependência climática
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A possibilidade de uma produção ininterrupta com iluminação artificial
Métodos
As algas podem ser cultivadas em tanques naturalmente abertos. No entanto, na produção industrial, normalmente são encontrados tanques artificiais feitos pelo homem. Eles costumam ser planos e com profundidade de, no máximo, 30 cm. Na água desses tanques, as algas podem realizar a fotossíntese e formar biomassa com a ajuda da radiação solar. Os tanques abertos são normalmente construídos em formato circular ou em canal. O tanque de canais de água aberto é bem comum. A água é mantida em movimento por rodas de pás, por exemplo, para misturar as algas.
As vantagens e desvantagens dos sistemas abertos
Os tanques abertos parecem ser baratos e fáceis de construir. No entanto, o perigo de contaminação, a alta evaporação da água e as baixas produtividades volumétricas são os principais desafios, que levam à produção de biomassa de baixa qualidade, à grande absorção de água e a caros processos derivados. Devido à constante perda de água, os tanques frequentemente salinizam com o tempo. Algumas dificuldades podem ser superadas através de coberturas, porém, com um custo maior.
Com o cultivo de algas em sistemas fechados, a solução de cultivo, em comparação com tanques abertos, é encontrada em recipientes fechados. As algas são, portanto, isoladas da atmosfera imediata. Existem diferentes formas de sistemas fechados, que são principalmente dominados por reatores tubulares e de painel plano. Outras opções são sacos, serpentinas ou cúpulas. As algas em sistemas fechados, dependendo de sua construção, são colocadas em movimento por CO2 induzido ou bombas.
As vantagens e desvantagens dos sistemas fechados
Inicialmente, os sistemas fechados exigem um maior investimento e mais conhecimento sobre as condições de cultivo e produção de algas. No entanto, um sistema fechado recompensa um com produtividade e qualidade significativamente maiores e especialmente confiáveis. Isso ocorre porque os fatores impactantes no cultivo em um sistema fechado podem ser controlados com precisão, é possível evitar a contaminação bacteriana, bem como a entrada de sujeira, e o design permite um uso mais eficaz da luz em comparação com tanques abertos. Além disso, os sistemas fechados são capazes de produzir biomassa de grau alimentício.
Os métodos de cultivo fechado são especialmente considerados quando a biomassa de alta qualidade é o principal objetivo de cultivo. Ou quando as algas precisam de um ambiente precisamente controlado para seu desenvolvimento. É o caso quando a intenção de uso das algas é a nutrição humana, como parte integrante de cosméticos ou em produtos farmacêuticos. Idealmente, esses produtos são produzidos com um método de cultivo que é de grau alimentício.
A localização geográfica do cultivo de algas e o espaço disponível são cruciais para a escolha do método de cultivo. Esses dois fatores potencialmente eliminam um PBR aberto. Além disso, a produtividade e a qualidade do produto significativamente maiores, bem como a melhor capacidade de cálculo da produção, também são motivos convincentes para o uso de um método de cultivo fechado. Existem inúmeras possibilidades dentre as quais escolher. O método mais comum de cultivo fechado de algas é a produção em PBRs tubulares, reatores de painel plano e sacos plásticos.
Visão geral das vantagens dos PBRs tubulares:
Independentemente do material do recipiente, devido à sua geometria, os PBRs tubulares têm as seguintes vantagens em comparação com outros sistemas fechados:
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Maior produtividade, devido ao uso ideal de luz nos tubos e ao tempo de inatividade raro.
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Excelente capacidade de cálculo da produção por raramente haver interrupções não planejadas da produção.
Essas vantagens são especialmente aplicáveis a sistemas tubulares feitos de vidro. Os sistemas de vidro também convencem devido a:
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Menos formação de biofilmes, baseada na baixa aspereza da superfície do vidro.
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Limpeza mais fácil com métodos químicos e mecânicos.
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Uma vida útil muito longa de até 50 anos.
O menor custo total de propriedade em longos períodos de funcionamento.
Tipos de sistemas fechados
Os tubos feitos de vidro ou polímero são dispostos vertical ou horizontalmente. Na maioria dos casos, uma bomba permite que a cultura de algas passe pelo sistema tubular; depois disso, a cultura é coletada por um tanque e reciclada novamente no sistema tubular. Os PBRs tubulares permitem planejar a produção de forma confiável, considerando os processos, a quantidade e a qualidade. Além disso, eles são especialmente produtivos, pois são capazes de usar perfeitamente o espaço disponível no chão e a radiação de luz disponível. Eles também são relativamente fáceis de limpar.
Esse sistema usa placas feitas de vidro ou polímero. As placas são dispostas vertical ou horizontalmente com uma fina camada de cultura de algas entre elas. Os sistemas proporcionam boas condições de iluminação. Entretanto, os sistemas sofrem com problemas de aquecimento e a tendência de formar excesso de biofilmes, especialmente quando são usadas placas de polímero. Esses biofilmes são difíceis de limpar, pois são mecanicamente difíceis de acessar.
Sacos plásticos feitos de PVC ou PE são fixados em sistemas de suporte especiais para interceptar os sobrenadantes da cultura. Os custos de investimento são baixos, mas a forte formação de biofilme seguida de uma substituição frequente de sacos torna o processo trabalhoso e causa muito desperdício.
Existem fotobiorreatores tubulares fechados em tamanhos de laboratório e de produção, pois são os únicos sistemas capazes de produzir biomassa de alta qualidade para uma produção econômica de produtos de algas de alta qualidade, como DHA, astaxantina ou spirulina. O cultivo das algas para suplementos alimentares é melhor em sistemas fechados, pois proporciona um alto grau de pureza e produtividade, o que resulta em alta qualidade do produto final. Além disso, o vidro como recipiente, garante que seja possível produzir em nível de grau alimentício.
Para um melhor entendimento: A tabela apresenta o quanto as alternativas funcionam bem ou mal em relação a critérios de avaliação importantes, de "muito bem" (++) a "muito ruim" (--).
Os componentes centrais de um PBR fechado são os recipientes nos quais ocorre o cultivo de algas. Esses recipientes podem ser feitos de plástico transparente ou vidro. Ambos os materiais têm vantagens e desvantagens que influenciam a frequência com que a produção deve ser interrompida e qual é o custo total de propriedade dos PBRs. Esses fatores têm um impacto sobre os custos de produção das algas.
Saiba mais sobre este tópico:
Materiais a partir dos quais os PBRs são construídos
O polietileno como uma variedade de polímeros é comumente usado durante o cultivo de algas em sacos plásticos. Os sacos de PE são particularmente econômicos no momento da compra. No entanto, eles normalmente precisam ser substituídos após uma temporada ou um ano, no máximo. Isso ocorre porque ficam facilmente cobertos por algas e a sua capacidade de limpeza é reduzida. A substituição está ligada aos custos de material e à necessidade de grande mão de obra manual, portanto, eles se tornam caros.
O policloreto de vinila é normalmente usado para reatores tubulares e de painel plano. Os custos de aquisição desses sistemas em um determinado volume são mais baratos do que os sistemas feitos de vidro. Como o PVC não é capaz de transmitir todo o espectro de luz, o cultivo de algas nesses sistemas é menos produtivo do que com outros materiais. Além disso, o PVC se degrada muito rapidamente sob a radiação UV e precisa ser substituído a cada 2 a 4 anos quando usado externamente.
Uma alternativa de plástico para a fabricação de reatores tubulares é o uso de polimetilmetacrilato (PMMA ou Perspex). Em comparação com o PVC, o PMMA tem a vantagem de transmitir todo o espectro de luz e dificilmente se degradar. A vida útil do PMMA sob iluminação solar é de aproximadamente 10 anos. No entanto, um reator PMMA com o mesmo volume custa mais do que um reator de vidro, que dura 50 anos. Além disso, o problema da formação de biofilme é comum em plásticos como o PMMA.
De modo geral, para garantir que os fotobiorreatores feitos de plástico possam produzir com o mesmo grau de eficiência, os elementos plásticos devem ser substituídos em operação de frequência semelhante. Quando se trata de períodos mais longos de operação do reator, isso resulta em um custo total de propriedade desfavorável. Além disso, algumas variedades de polímeros emitem substâncias na solução de algas, resultando na impossibilidade do cultivo de algas de grau alimentício.
Os PBRs tubulares são quase sempre feitos de vidro de borossilicato. Esse vidro oferece inúmeras vantagens em comparação com outras variedades de polímeros. Ele permite que todo o espectro de luz alcance as algas dentro do tubo. É resistente contra radiação UV, produtos químicos e água salgada. Essa é a razão pela qual os tubos feitos de vidro de borossilicato são tão produtivos após 50 anos quanto eram no momento da entrega. Eles também não são muito suscetíveis à formação de biofilme. Se isso ocorrer, eles podem ser limpos com facilidade.
Benefícios do vidro de borossilicato:
Transmissão de luz
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Excelente transmissão de luz
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Sem solarização nem efeito amarronzado
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Não é necessária a utilização de aditivos nem revestimentos de proteção contra raios UV para assegurar as propriedades dos materiais
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Vida útil dos tubos de vidro de borossilicato superior a 50 anos
Proteção contra incêndio
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O vidro não queima nem emana vapores tóxicos
Lixiviação
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O vidro é um material altamente resistente a produtos químicos. No caso do plástico, dependendo do tipo do polímero, os monômeros ou oligômeros de substâncias perigosas, tais como as moléculas de bisfenol, podem se infiltrar na cultura de algas.
Limpeza
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A estabilidade mecânica permite a limpeza contínua em linha com grânulos de polímero
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A estabilidade química permite a limpeza no local (CIP)
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Menores custos com materiais e manutenção em comparação ao polímero de qualidade
Estabilidade térmica
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Somente tubos: Não há necessidade de ciclos de expansão devido à baixa expansão térmica.
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Por exemplo, no caso de tubos de 5,5 m de comprimento e um aumento de temperatura de 20 °C/ 36 °F, a expansão do vidro de borossilicato é de apenas 0,36 mm/0,01’’, enquanto os polímeros sofrem uma expansão de 3,3 a 8,8 mm/0,13’’ a 0,35’’, dependendo do tipo de polímero
Economia
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Os tubos de vidro podem durar cinquenta anos ou mais
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Somente tubos: Devido à sua alta estabilidade mecânica, é utilizado um menor número de prateleiras, o que permite um maior distanciamento para o suporte dos tubos sem que haja o arqueamento deles
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Por exemplo: o dobro da distância em comparação aos tubos de PMMA
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Somente tubos: Menor número de conexões devido a comprimentos longos de 5,5 m dos tubos
Arqueamento (somente tubos)
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Não há deformação permanente dos tubos de vidro, ao contrário dos tubos de polímeros
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Não restam poças nos tubos ao esvaziar o sistema
Para um melhor entendimento: A tabela apresenta o quanto as alternativas funcionam bem ou mal em relação a critérios de avaliação importantes, de "muito bem" (++) a "muito ruim" (--).
Se suas principais preocupações são os custos de produção de algas, a vida útil do sistema PBR e o custo total de propriedade, você definitivamente está fazendo a escolha certa com um PBR de vidro tubular. No entanto, mesmo ao escolher entre PBRs de vidro, há diferenças significativas. Essas diferenças podem ter um impacto profundo no desempenho final do sistema e, portanto, é crucial que você esteja ciente delas.
Visão geral das vantagens do vidro de alta qualidade:
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Longa vida útil de até 50 anos do seu fotobiorreator devido ao vidro mecanicamente estável e livre de tensão
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Maior produtividade através da espessura menor da parede do tubo
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Construção fácil e sem tensão dos PBRs sem lacunas devido aos mesmos comprimentos dos tubos
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Baixo acúmulo de biofilme
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Interrupção pouco frequente da produção para limpeza
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Sistema completo integrado devido a componentes coordenados
Por que o vidro de alta qualidade é a melhor escolha para o seu fotobiorreator
O vidro dos tubos PBR precisa suportar vários impactos ambientais e processos de limpeza para que você possa cultivar algas dentro deles de forma produtiva por muitos anos. É por isso que a SCHOTT usa o vidro de borossilicato. Este tipo de vidro é:
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Estável aos raios UV A transmitância de luz do vidro permanece quase constante, mesmo quando exposto a décadas de radiação solar e radiação UV.
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Quimicamente estável: Portanto, os tubos de vidro podem ser limpos e desinfetados com várias soluções químicas para remover a biocontaminação no reator.
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Resistente a sal: Isso é especialmente importante ao planejar o cultivo de algas de água salgada.
Saiba mais sobre as características físicas e químicas do vidro de borossilicato em nosso folheto informativo sobre esse tipo de vidro. Faça o download da ficha técnica sobre o vidro de borossilicato.
O tipo certo de vidro não é o único aspecto relevante ao escolher tubos de vidro para um PBR. Igualmente importante é a maneira como o vidro é fabricado, como o tubo de vidro é processado e como o sistema como um todo é projetado. Portanto, os componentes de vidro de alta qualidade com alta produtividade e excelente custo benefício são diferentes dos de qualidade inferior.
Saiba mais sobre este tópico: Como o uso de um PBR com componentes de vidro de alta qualidade torna a cultura de algas economicamente mais viável
Para um melhor entendimento: A tabela apresenta o quanto as alternativas funcionam bem ou mal em relação a critérios de avaliação importantes, de "muito bem" (++) a "muito ruim" (--).
O que dizem os nossos clientes
Superalimento do aquário tubular
Com a agricultura sustentável e o fato de evitar produtos de origem animal tornando-se aspectos importantes do bem-estar pessoal, há um interesse crescente em superalimentos ricos em vitaminas e ecologicamente corretos, como as microalgas. Leia mais sobre o futuro da produção sustentável de alimentos.
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