Acoplamento da captura de carbono de uma usina com lagoas abertas semi-automatizadas para cultivo de microalgas

O aquecimento global é uma das questões ambientais mais importantes que o mundo enfrenta hoje¹. Estudos sugerem que a principal causa é o aumento das emissões de gases de efeito estufa (GEE), principalmente CO₂, na atmosfera devido às atividades humanas ^2,3,4,5,6,7. Nos EUA, a maior densidade de emissões de CO₂ é originária principalmente da combustão de combustíveis fósseis no setor de energia, especificamente usinas de geração de energia elétrica ^3,7,8,9. Assim, as tecnologias de captura e utilização de carbono (CCU) surgiram como uma das principais estratégias para reduzir as emissões de GEE^{em 2,7,10}. Estes incluem sistemas biológicos que utilizam a luz solar para converter CO₂ e água via fotossíntese, na presença de nutrientes, à biomassa. O uso de microalgas foi proposto devido à taxa de crescimento rápido, alta capacidade de fixação de CO₂ e alta capacidade de produção. Além disso, as microalgas têm amplo potencial de bioenergia porque a biomassa pode ser convertida em produtos de interesse, como biocombustíveis que podem substituir combustíveis fósseis 7,9,10,11,12.

As microalgas podem crescer e alcançar a conversão biológica em uma variedade de sistemas de cultivo ou reatores, incluindo lagoas de pista abertas e fotobioreatores fechados 13,14,15,16,17,18,19. Os pesquisadores têm estudado as vantagens e limitações que determinam o sucesso do bioprocesso em ambos os sistemas de cultivo, em condições internas ou externas 5,6,16,20,21,22,23,24,25 . Lagoas abertas são os sistemas de cultivo mais comuns para captura e utilização de carbono em situações onde o gás de chaminé pode ser distribuído diretamente da pilha. Este tipo de sistema de cultivo é relativamente barato, é fácil de escalar, tem baixos custos de energia e tem baixos requisitos de energia para mistura. Além disso, esses sistemas podem ser facilmente co-localizados com a usina para tornar o processo da CCU mais eficiente. No entanto, existem algumas desvantagens que precisam ser consideradas, como a limitação na transferência de gás/massa líquida de CO₂. Embora existam limitações, as lagoas abertas de pista foram propostas como o sistema mais adequado para a produção de biocombustíveis microángicos ao ar livre 5,9,11,16,20.

Neste artigo, detalhamos um método para cultivo de microalgas em lagoas abertas de pista que combina a captura de carbono do gás de chaminucultura de uma usina de gás natural. O método consiste em um sistema semi-automatizado que controla a injeção de gás de chaminático com base no pH da cultura; o sistema monitora e registra o status de cultura chlorella sorokiniana em tempo real usando densidade óptica, oxigênio dissolvido (DO), eletrocondutividade (CE) e sensores de temperatura de ar e lagoa. Os dados de biomassa de algas e injeção de gás de flua são coletados por um data logger a cada 10 minutos na instalação de Energia Elétrica de Tucson. A manutenção da cepa de algas, a escala, as medições de controle de qualidade e a caracterização da biomassa (por exemplo, correlação entre densidade óptica, g/L e conteúdo lipíduo) são realizadas em um ambiente laboratorial na Universidade do Arizona. Um protocolo anterior esboçou um método para otimizar as configurações de gás de flua para promover o crescimento de microalgas em fotobioreatores via simulação^{de computador 26}. O protocolo aqui apresentado é único na forma de utilizar lagoas abertas de pista e foi projetado para ser implementado no local em uma usina de gás natural, a fim de fazer uso direto do gás de chaminuto produzido. Além disso, medições de densidade óptica em tempo real fazem parte do protocolo. O sistema como descrito é otimizado para um clima semiárido quente (Köppen BSh), que exibe baixa precipitação, variabilidade significativa na precipitação de ano para ano, baixa umidade relativa, altas taxas de evaporação, céu claro e radiação solar intensa²⁷.