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AGRUPAMENTO DE ESCOLAS DE S. JOÃO DO ESTORIL
ESCOLA SECUNDÁRIA DE SÃO JOÃO DO ESTORIL
BIOLOGIA
Poluição e Degradação de Recursos
Algas - Biocombustível
Trabalho realizado por:
Rita Prata, nº20 12º4Teresa Gomes, nº21 12º4Maria Castro, nº 12º4 Profª Florinda Barata
Data de entrega: 14 Maio 2012
Algas - Biocombustível
2011/2012
ÍndiceIntrodução....................................................................................................................................2
Algas.............................................................................................................................................3
Microalgas................................................................................................................................3
Macroalgas...............................................................................................................................5
Cultura de algas............................................................................................................................6
Sistema aberto.........................................................................................................................6
Sistema fechado.......................................................................................................................6
Produção de biocombustíveis através de algas............................................................................8
Biodiesel...................................................................................................................................9
Bioetanol................................................................................................................................11
Hidrogénio..............................................................................................................................13
Metano...................................................................................................................................14
Vantagens..................................................................................................................................15
Desvantagens.............................................................................................................................16
Conclusão...................................................................................................................................17
Apreciação Crítica.......................................................................................................................18
Referências Web........................................................................................................................18
1 Poluição e Degradação de Recursos
Algas - Biocombustível
2011/2012
Objectivos1. Investigar e empreender sobre o papel das algas no planeta Terra e num futuro
mais ecológico;
2. Dar a conhecer a produção e a importância dos biocombustíveis derivados de
algas;
3. Compreender as vantagens e limitações desta nova tecnologia.
Introdução
A procura de recursos limpos que permitam assegurar as necessidades energéticas
futuras constitui um dos maiores desafios da atualidade. O crescente preço dos
combustíveis e o foco internacional sobre o impacto ambiental das emissões gasosas
têm levado à procura e investigação de recursos renováveis e ao desenvolvimento de
tecnologias verdes que suportem a indústria e as necessidades do mercado mundial.
Os biocombustíveis constituem recursos não-tóxicos, biodegradáveis e renováveis,
estando associados a diversas vantagens ambientais e, portanto, representam uma
alternativa energética cada vez mais explorada. Contudo, a atual geração de
biocombustíveis com recurso a culturas alimentares (por exemplo canola, milho, soja,
açúcar, etc.) têm conduzido a um aumento do preço dos alimentos e à desflorestação
agravada, além de produzirem elevadas emissões de gases com efeito de estufa.
Assim, as algas surgem como uma alternativa deveras promissora, apresentando um
potencial considerável para a produção de biocombustíveis, de forma mais ecológica.
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Algas - Biocombustível
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AlgasAs algas são seres aquáticos e fotossintéticos pertencentes ao reino Protista e
que podem assumir tanto formas unicelulares como pluricelulares. Tal facto faz com
que sejam considerados dois grupos de algas: as microalgas e as macroalgas. O seu
corpo é um talo, ou seja, é desprovido de raiz, caule e folhas.
MicroalgasAs microalgas (Figura 1) compreendem todas as algas unicelulares que crescem em
ambiente doce ou salgado e que, sendo de muito pequenas dimensões, podem formar
vastas colónias.
Figura 1 - Microalgas
Este grupo de algas representa uma grande parte do fitoplâncton e tem sido muito
responsável pela obtenção do oxigénio da atmosfera terrestre. Foi estimada a
existência de 200 000 a 800 000 espécies diferentes deste tipo de seres vivos, no
entanto apenas cerca de 35 000 estão descritas.
As microalgas apresentam grande relevância na base da cadeia alimentar aquática,
fornecendo à maioria dos peixes os seus nutrientes essenciais e, em certos casos, são
também essenciais para a pigmentação do corpo destes últimos. Para além disto,
mostram-se igualmente importantes na preservação do ambiente, contra a poluição
ambiental:
O seu caráter fotossintético faz com que eliminem grande parte do CO2
presente na atmosfera terrestre e sejam responsáveis pela maior parte do
oxigénio aqui produzido (Ex.: Aphanotece Nageli – quanto maior for a
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Algas - Biocombustível
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concentração de dióxido de carbono no meio em que esta microalga se
encontra, maior serão as suas taxas fotossintéticas. Elevadas concentrações
deste gás podem também fazer aumentar até trinta vezes a massa da
microalga, o que revela que a fotossíntese é igualmente utilizada, neste caso,
para sua nutrição e crescimento);
Devido à necessidade de encontrar fontes de energia não poluentes, capazes
de substituir os combustíveis fósseis, vários investigadores decidiram analisar
as microalgas, visto que um dos produtos intermédios da sua fotossíntese é o
hidrogénio. Estudos levam os cientistas a crer que estes seres conseguem
produzir H2 sem necessidade de luz ou água, quando associados a reatores.
Assim, as microalgas podem vir a ser utilizadas futuramente para produção de
hidrogénio em larga escala;
As microalgas podem representar um papel importante no tratamento de águas
residuais, reciclando os nutrientes, produzindo oxigénio para a decomposição
bacteriana da matéria orgânica e eliminando odores desagradáveis e bactérias
patogénicas através de uma ação bactericida. Como tal, representam uma
forma de expandir e explorar a fotossíntese, tendo em vista um modo de
produzir biomassa que poderá ser utilizada em aquacultura, como alimento
animal ou como fertilizantes na agricultura;
As microalgas, juntamente com o restante fitoplâncton, funcionam como um
sensor do estado de saúde do planeta em que vivemos: quando se verifica um
crescimento acentuado da quantidade destes seres, principalmente de
microalgas, é sinal de que o teor de CO2 aumentou, estando este associado à
subida da temperatura da água do mar, ao efeito de estufa e à maior
quantidade de nutrientes antrópicos na água (estas condições são muito
favoráveis à proliferação das microalgas, mas nocivas para a espécie humana).
As microalgas são, hoje em dia, aplicadas nas mais diversas áreas comerciais, entre
as quais na alimentação, na cosmética e na saúde. Ricas em vitaminas e
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oligoelementos, possuem um teor elevado de proteínas e apresentam compostos
antioxidantes, características que as tornam o ponto de partida para um melhor estilo
de vida e para o avanço da ciência e medicina.
MacroalgasDiferentemente da categoria anteriormente descrita, as macroalgas (Figura 2)
predominam, essencialmente, em ambiente marinho e são organismos de muito maior
dimensão e complexidade. Multicelulares, apresentam órgãos especializados e estão,
tal como as microalgas, na base da cadeia alimentar, podendo ainda assim servir de
refúgio a muitos animais.
Figura 2 – Macroalgas
Embora de menor importância do que as microalgas no que diz respeito às suas
aplicações (Tabela 1) e a uma possível mudança do futuro, as macroalgas utilizam-se
basicamente nos mesmos campos do que as anteriores, isto é, na farmacêutica,
indústria alimentar, limpeza de afluentes, produção de biocombustível, etc..
Tabela 1 - Valor económico das diversas aplicações de algas
Elevado Médio - Elevado Médio - Baixo
Nutrição/ FarmacêuticaEx.: Betacaroteno;
CoenzimaQ10.
Nutrição/ FarmacêuticaEx.: Proteínas de Spirulina
e Chlorella
Fertilizantes/Alimentação animal
Ex.: alimentação de aquaculturas e animais; fertilizantes agrícolas.
FarmacênticaEx.: produtos antivirais e
antifúngicos; produtos neuroprotetores.
HidrocolóidesEx.: Ágar; Carragenina
Substitutos de sintéticosEx.: biopolímeros,
bioplásticos, lubrificantes.
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CosméticaEx.: produtos anticelulite, anti-idade; tratamento de
peles sensíveis.
QuímicosEx.: Tintas e corantes; pigmentação – clorofila
(entre outros).
AmbienteEx.: tratamento de águas residuais, captura de CO2.
Cultura de algasAtualmente os únicos métodos exequíveis para a produção de microalgas em larga
escala compreendem a utilização de sistemas abertos (“raceway ponds”) ou de
sistemas fechados (fotobioreactores tubulares)
Sistema abertoOs “raceway ponds” (Figura 3) são utilizados para o cultivo de microalgas desde os
anos 50, pelo que os conhecimentos inerentes a esta tecnologia encontram-se bem
consolidados. Os tanques utilizados são geralmente constituídos por canais de
recirculação independentes, formando um loop fechado, tipicamente com cerca de 20-
30 cm de profundidade, e com recirculação e agitação promovidas pela ação de pás.
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Uma vez que é um sistema aberto, está sujeito a flutuações diárias e sazonais da
temperatura, sendo que as perdas para a atmosfera por evaporação tornam também a
utilização do CO2 menos eficiente, reduzindo a produtividade/rendimento do processo.
Adicionalmente, a contaminação fácil dos sistemas por microrganismos afeta também
a eficiência da produção de biomassa.
Sistema fechadoUm fotobiorreator (Figura 4)consiste numa série de tubos translúcidos, geralmente
feitos de plástico ou vidro, atuando como coletores solares. Estes incorporam
geralmente os seguintes componentes:
Reservatório de cultura;
Sistema de fornecimento de luz com lâmpadas fluorescentes (reatores
interiores);
Sistema de trocas gasosas (para fornecer CO2 e remover o oxigénio gerado
fotossinteticamente, de maneira a impedir a inibição do metabolismo celular);
Sistema de recolha de biomassa.
7 Poluição e Degradação de Recursos
Figura 3 - "Raceway pond"
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Figura 4 - Fotobiorreatores
Os biorreatores para cultivo de
microalgas apresentam vantagens
técnicas (Tabela 2) em termos de
minimização da contaminação dos
sistemas, maiores densidades de cultura
e maior controlo sobre as condições físico-químicas.
Atualmente, os elevados custos de construção e operacionalidade destes reatores
limitam o número de sistemas comerciais, sendo que os fotobioreactores fechados não
apresentam condições para suportar de forma economicamente viável o cultivo de
microalgas em grande escala (necessária para a produção/comercialização de
biocombustíveis).
Tabela 2 - Comparação sistema aberto vs. sistema fechado
Parâmetro Sistema aberto Sistema fechado
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Risco de Contaminação Elevado Reduzido
Perdas por evaporação Elevadas Reduzidas
Controlo do processo Complicado Simples
Manutenção Simples Complicada
Produção Baixa Alta
Custo de construção Reduzido Elevado
Dependência externa Alta Baixa
Problemas de sobreaquecimento Reduzidos Elevados
Concentração de oxigénio dissolvido Reduzida Elevada
Produção de biocombustíveis através de algasAs algas constituem a terceira geração de biocombustíveis e apresentam-se como a
única fonte de biocombustível capaz de substituir a dependência do petróleo no futuro
de forma económica e socialmente viável. Isto deve-se ao facto de a utilização de
algas como matéria-prima para a produção de biocombustível e, particularmente, de
biodiesel, apresentar um elevado rendimento, gerando cerca de 30 vezes mais energia
por hectare do que as culturas terrestres (como o milho, a soja ou o óleo de palma)
(Tabela 3).
Tabela 3 - Comparação entre fontes de biodiesel
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Os custos de colheita da biomassa representam cerca de 20-30% do custo total.
Atualmente, a recolha da biomassa de microalgas baseia-se em processos de
sedimentação em campo gravitacional, centrifugação, flutuação e filtração.
Seguidamente, para que haja uma extração eficaz dos materiais contidos no interior
das células, é necessário proceder à disrupção celular. Embora existam diversas
metodologias para disrupção celular, o critério fundamental é a maximização do valor
dos materiais obtidos, sendo por isso geralmente utilizada a disrupção mecânica das
células, uma vez que evita contaminação química da preparação, preservando
simultaneamente a maior parte da funcionalidade do material celular. A etapa final no
processo de extração consiste no fracionamento dos extratos, geralmente com recurso
a solventes orgânicos.
Figura 5 - Produtos derivados da biomassa das algas
BiodieselBiodiesel é qualquer biocombustível equivalente ao diesel (hidrocaboneto saturado de
cadeia longa), obtido a partir de materiais biológicos, neste caso o óleo extraído da
parede celular das algas.
Este biocombustível é o mais explorado em termos da produção através de algas
devido ao seu elevado rendimento, visto que algumas espécies de microalgas têm um
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alto teor de óleo (Tabela 4) e podem produzir até 137.000 litros de óleo por hectare por
ano, em condições ótimas.
Tabela 4 - Conteúdo oleaginoso de algumas espécies de microalgas
O processo de produção de biodiesel e, em particular, a extração do óleo das algas
(figura 6) apresenta ainda alguns problemas, havendo diversos métodos de o fazer,
dos quais o mais simples e mais popular é a prensagem de óleo, que consegue extrair
até 75% do óleo das algas.
Figura 6 - Extração dos óleos das algas
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O método com solvente hexano (combinado com a prensagem) extrai até 95% do óleo
das algas. Primeiro, a prensa extrai o óleo. Depois, a sobra das algas é misturada com
hexano, filtrada e limpa para não deixar nenhum químico no óleo.
O método de fluidos supercríticos extrai até 100% do óleo das algas. O dióxido de
carbono age como um fluido supercrítico quando a substância é prensada e aquecida
para mudar sua composição tanto para líquido como para gás. Nesse ponto, o dióxido
de carbono é misturado com as algas. Quando combinados, o dióxido de carbono
transforma totalmente a alga em óleo. Apesar da sua elevada taxa de extração de
óleo, o equipamento e o trabalho necessários, fazem deste método uma opção menos
utilizada.
Uma vez extraído, o óleo é refinado através de uma transesterificação das cadeias de
ácidos gordos. Nesta reação, um catalisador (como o hidróxido de sódio) é misturado
com um álcool (como o metanol), dando origem a um hidrocaboneto saturado de
cadeia longa combinado com um glicerol. A mistura é refinada para remover o glicerol,
obtendo-se como produto final o biodiesel das algas (figura 7).
Figura 7 - Produção de biodiesel
BioetanolO bioetanol pode obtido a partir da transformação do amido e da celulose presentes
nas algas, através de hidrólises, fermentações e destilações.
Devido ao facto de possuírem paredes celulares finas e uma quantidade elevada de
polissacarídeos, as algas são uma fonte ideal para a obtenção de bioetanol. Para a
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produção deste biocombustível são fundamentalmente utilizadas macroalgas,
nomeadamente: Sargassum; Glacilaria; Prymnesium parvum; Euglena gracilis.
O processo de obtenção de bioetanol é bastante simples e pode ser dividido em
diversas etapas:
Crescimento das algas em meio de aquacultura;
Colheita das algas, de modo a constituir uma reserva de biomassa;
Decomposição das algas de modo a ocorrer rutura das paredes celulares e
libertação dos polissacarídeos;
Sacarificação do amido (hidrólise do amido em glicose);
Fermentação da biomassa em decomposição (glicose), utilizando leveduras
(como Saccharomyces cerevisiae e Saccharomyces uvarum) ou bactérias
geneticamente modificadas;
Separação do etanol formado da restante solução de fermentação.
Em alternativa, o etanol poderá ser produzido a partir do bolo vegetal remanescente
do processo de produção de biodiesel, visto que após a extração do conteúdo
oleaginoso da alga, esta possui ainda hidratos de carbono que podem ser utilizados
como substrato para a produção de etanol.
A produção combinada de biodiesel e etanol permite uma otimização da biomassa das
algas e apresenta-se assim como uma solução de elevado potencial, capaz de
combater o facto de a obtenção de etanol através de algas não ser prioritária, devido
ao baixo valor deste produto, quando comparado com outros produtos de elevado
valor que podem ser obtidos a partir desta matéria-prima, como a carragenina ou o
ágar-ágar.
Adicionalmente, o dióxido de carbono resultante do processo de fermentação pode,
por sua vez, alimentar a produção de nova biomassa, o que permite o funcionamento
deste processo em sistema fechado (Figura 8 ).
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HidrogénioO hidrogénio é considerado como a energia do futuro, visto tratar-se de um recurso
renovável, não contribuir para o efeito de estufa e libertar grandes quantidades de
energia por unidade de peso na combustão.
A produção de hidrogénio a partir de algas é ainda pouco viável e são essencialmente
utilizados três métodos: processos bioquímicos; gaseificação e reformação a vapor de
metano.
O primeiro baseia-se na reação de fotossíntese realizada pelas algas. Isto porque, sob
certas condições, alguns grupos de microalgas, em vez da redução do CO2 em
açúcares, consomem energia bioquímica para produzir hidrogénio molecular, através
da ação de hidrogenases (2H+ + 2e- H2) e nitrogenases (N2 + 10H+ + 8e- 2NH4
+ H2).
O segundo método é a produção de hidrogénio por gaseificação da biomassa das
algas. Durante a gaseificação a biomassa é convertida numa mistura gasosa (CO e
H2), pela aplicação de calor e pressão, na presença de vapor e de uma quantidade
controlada de oxigénio. Baseadas na mesma reação (CO + H2O CO2 + H2),
diversas metodologias têm vindo a ser desenvolvidas com vista à separação do H2 a
partir do gás de síntese.
Por último, o hidrogénio pode também ser obtido a partir do metano resultante da
fermentação de biomassa das algas, através de técnicas tradicionais de reformação a
vapor (SMR). A reformação a vapor é o método mais comum de produção de
hidrogénio comercial, e constitui também o método menos dispendioso. Quando
submetido a altas temperaturas (700 - 1100°C) e na presença de um catalisador
metálico (níquel), o vapor reage com o metano para produção de monóxido de
carbono e hidrogénio, através da reação: CH4 + H2O → CO + 3H2.
Um dos problemas levantados ao uso do hidrogénio como combustível tem a ver com
o seu armazenamento e distribuição, devido ao tamanho dos containers. Neste
sentido, um grupo de cientistas desenvolveu um sistema em que a produção e
distribuição do hidrogénio para automóveis é feito no mesmo local. O projeto mistura
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Figura 8 - Produção de etanol a partir de algas
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lagoas de algas com balões flutuantes e resulta numa infraestrutura limpa, em escala
humana e que conecta o usuário à fonte (figura 9). Estimativas apontam para que uma
lagoa com 10 metros de diâmetro seja capaz de produzir hidrogénio para 12
automóveis por semana.
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MetanoA produção de metano através de algas passa pelo aproveitamento de três
componentes destes seres: proteínas, hidratos de carbono e lípidos (Figura 10).
Figura 10 - Componentes importantes das algas
Os biorreatores fechados para cultivo de algas mostram-se uma alternativa promissora
para a produção de biomassa com vista a produzir biometano.
A digestão anaeróbia é o método mais direto para a obtenção de metano a partir das
algas, estando este processo dividido nas seguintes etapas:
1. Pré-tratamento das algas para despolimerização da matéria sólida – formação
de uma suspensão de partículas finas;
2. Passagem da suspensão num leito que contenha enzimas capazes de
converter a biomassa em açúcar, e bactérias capazes de transformar este
açúcar em ácidos gordos voláteis;
3. Decantação da suspensão (eliminação total das partículas sólidas);
4. Passagem da suspensão num leito com bactérias metanogénicas (bactérias
capazes de formar metano; de entre as nove espécies conhecidas existem
bastonetes, cocos e micrococos).
Da família dos hidrocarbonetos, o metano (CH4) é importante na geração de energia
elétrica em turbinas a gás ou caldeiras a vapor, apresentando algumas vantagens face
16 Poluição e Degradação de Recursos
Figura 9 - Sistema de produção e armazenamento de hidrogénio a partir de lagoas de algas
Algas - Biocombustível
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aos restantes hidrocarbonetos: produz mais calor por unidade de massa e a sua
queima liberta menos CO2 por unidade de calor libertado.
Diversas são as aplicações do metano na nossa sociedade, sendo denominado de gás
natural quando é utilizado em residências (para aquecimento doméstico e para
cozinhar) e de biogás/biometano (gás natural comprimido) quando se trata de
combustível para veículos.
VantagensPesquisas recentes indicam que a produção de biodiesel a partir de microalgas poderá
mudar radicalmente o mercado de combustíveis. Com potencial de produção de óleo
muito superior por área equivalente de cultivo do que as culturas tradicionais
produzidas em terra e utilizadas na produção do biodiesel, as microalgas despertaram
o interesse mundial e as pesquisas e estratégias dos investidores são, em sua
maioria, mantidas em segredo.
As algas são organismos com ciclos de vida muito curtos, atingindo taxas de
crescimento 100 vezes mais rápidas do que as atuais culturas de produção de
alimentos ou plantas energéticas que são usadas para produzir biocombustíveis como
soja, milho, sorgo e cana-de-açúcar, podendo atingir produções e produtividades tão
elevadas como 40000 a 140000 litros por hectare/ano em sistemas abertos (sendo
que em sistemas fechados os números podem ser bem mais elevados).
Um dos maiores benefícios deste tipo de biocombustível baseia-se na ausência de
competição entre a cultura de algas e as culturas alimentícias, evitando a inflação dos
preços de recursos alimentares básicos e a ocupação de terrenos agrários (já que as
algas são organismos robustos e altamente adaptáveis a quase todos ambientes).
Além do mais, o sistema de cultura de algas pode ser desenvolvido de modo a não
afetar negativamente os recursos de água doce, já que podem ser utilizadas águas
residuais (efluentes de estações de tratamento de esgotos são ideais para este tipo de
cultura) ou salgadas, gerando-se biomassa com impactos ambientais mínimos (as
algas são capazes de purificar as águas de cultivo).
Por último, as algas são um instrumento importante no sequestro de CO2, produzindo
oxigénio como subproduto. Assim sendo, unidades produtoras de algas podem ser
instaladas junto de indústrias poluidoras promovendo a captação de gases com efeito
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de estufa (para cada duas toneladas de crescimento das algas, uma tonelada de CO2
é removida das emissões industriais).
Desvantagens Embora as microalgas se apresentem como uma alternativa promissora no futuro dos
biocombustíveis, várias barreiras técnicas têm ainda que ser ultrapassadas para que
este tipo de matéria-prima possa ser utilizado de forma economicamente viável. As
dificuldades apresentam-se fundamentalmente ao nível de:
Métodos de recolha demasiado dispendiosos economicamente e
energeticamente;
Produção de biomassa em larga-escala em sistemas fechados;
Presença de espécies invasivas nos tanques de cultura;
Baixa penetração luminosa em culturas de elevada densidade;
Tecnologia dos fotobiorreatores exige um elevado capital de investimento.
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ConclusãoOs biocombustíveis derivados de microalgas parecem ser a única fonte renovável
atual capaz de substituir completamente os combustíveis fósseis, reduzindo assim a
dependência energética dos mesmos por parte da nossa sociedade.
Acima de tudo, é fundamental um maior investimento financeiro na pesquisa e
desenvolvimento de novas tecnologias que possam ser aplicadas à cultura de algas,
visando tornar o processo economicamente viável e competitivo em termos de
mercado global. A estratégia principal passa por identificar as espécies que combinam
um elevado teor de óleo e um ciclo de vida curto, maximizando a produção de
biocombustível. Em segundo lugar, o desenvolvimento de fotobiorreatores mais
económicos é outro passo fundamental, de forma a garantir um preço final mais
apelativo para os produtores e consumidores.
As algas desempenham, portanto, um papel de grande relevância para o ambiente e
para um planeta ecologicamente melhor, sendo ainda assim necessário continuar a
trabalhar arduamente para que esta alternativa bastante viável atinja o seu verdadeiro
potencial.
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Algas - Biocombustível
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Apreciação CríticaO grupo considera que o presente trabalho foi realizado com êxito, já que foram
cumpridos todos os objetivos iniciais. O empenho na realização do trabalho foi
equitativo, uma vez que todas as tarefas foram partilhadas.
A realização do trabalho, através de uma ampla pesquisa, permitiu-nos adquirir novos
conhecimentos em relação ao tema em estudo, algo que corrobora o interesse que
sempre demonstrámos ao longo do processo.
Acreditamos que a nossa prestação esteve em sintonia com o esperado.
Referências Webhttp://www.biodieselbr.com /
http://www.oilgae.com/
http://en.wikipedia.org/
http://science.howstuffworks.com/
http://www.essentiaeditora.iff.edu.br/
http://www.marcasepatentes.pt/
http://ecotecnologia.wordpress.com/
http://www.abae.pt/
http://mybelojardim.com/
Avaliação Este espaço destina-se à avaliação final do nosso trabalho, disponibilizando, assim,
um local para possíveis comentários.
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