Produção de biocombustível a partir de algas

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


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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


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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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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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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.


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


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


Figura 9 - Sistema de produção e armazenamento de hidrogénio a partir de lagoas de algas


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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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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.


http://mybelojardim.com/bio-combustiveis-aquicolas-101/

http://www.abae.pt/programa/EE/escola_energia/2006/pesquisa/relatorio%20hidrogenio.pdf

http://ecotecnologia.wordpress.com/2007/11/26/balo-de-hidrognio-produzido-por-algas/

http://www.essentiaeditora.iff.edu.br/index.php/BolsistaDeValor/article/view/1786

http://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/algae-biodiesel.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Algae_fuel

http://www.oilgae.com/

http://www.biodieselbr.com/x/algas/


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