Orientador: Telma Teixeira Franco

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: O uso de microalgas em processos de mitigação ambiental e produção de energia renovável vêm ganhando destaque, mas a otimização das etapas de "upstream" e "downstream" são essenciais para que a viabilidade técnica e econômica seja alcançada e o processo implementado em escala industrial. As...

Resumo: O uso de microalgas em processos de mitigação ambiental e produção de energia renovável vêm ganhando destaque, mas a otimização das etapas de "upstream" e "downstream" são essenciais para que a viabilidade técnica e econômica seja alcançada e o processo implementado em escala industrial. As condições que maximizam o crescimento celular, a mitigação de CO2, o acúmulo de lipídios e proporcionam um perfil de ácidos graxos, compatível com a produção de biodiesel de elevada qualidade, foram avaliados em função de diferentes temperaturas (18-42 ºC), disponibilidade de carbono na forma de CO2 (ar-40%), disponibilidade de luz (4-192 ?mol.m-2.s-1) e disponibilidade de nitrogênio na forma de NaNO3 (0,25-1,00 g.L-1). A recuperação da biomassa a partir do processo de floculação foi avaliada em função do tipo de floculante (orgânico e inorgânico), dose do floculante (0,005-0,300 g.L-1), pH (4-11) e concentração celular (0,1-1,0 g.L-1). As condições de cultivo selecionadas foram: 108 ?mol.m-2.s-1, 26,5 ºC, 0,25 g.L-1 de NaNO3 e 8,05 % de CO2, sendo obtidos os seguintes resultados: Xmax/X0=14,78 (razão da concentração celular máxima pela concentração inicial); ?max=1,02 d-1 (máxima velocidade específica de crescimento); ?=0,50 d (duração da fase lag); Pmax=0,58 g.L-1.d-1 (produtividade máxima); Pmean=0,31 g.L-1.d-1 (produtividade média); CBmax=1,06 g.L-1.d-1 (Máxima taxa de incorporação de carbono); CBmean=0,55 g.L-1.d-1 (média da taxa de incorporação de carbono); 50% de lipídios e 90% dos FAMES (ésteres metílicos de ácidos graxos) correspondendo aos principais FAMES do biodiesel (C16:0, C18:0, C18:1, C18:2 e C18:3). A predição da qualidade do biodiesel produzido a partir do óleo de microalga forneceu os seguintes resultados: CN=56 (número de cetano), CFPP = 0,8 °C (ponto de entupimento de filtro a frio), ? = 863 kg/m³ (densidade), II = 97 gI2/100g (índice de iodo), ?HC = 39,2 kJ/g (calor de combustão), OSI = 13,8 h (índice de estabilidade oxidativa), e ? = 3,93 mm².s (viscosidade) estando dentro dos valores especificados pelas normas ANP255/2003, EN14213-14214 e ASTM6751. As condições para eficiências de recuperação (RE) da biomassa superiores a 95% foram: intervalos de pH 4,0 a 11,0 (floculante orgânico); 5,0 a 7,0 (FeCl3) e de 7,0 a 8,0 (Al2(SO4)3; razão de gfloculante/gbiomassa de: 0,08 gorgânico/gbiomassa, 0,40gAl2(SO4)3/gbiomassa. O impacto da disponibilidade de luz no interior de fotobiorreatores foi estimada para diferentes disponibilidades de luz (108-700 ?mol.m-2.s-1) e a partir de dados de concentração celular, concentração de pigmentos e geometria do reator, sendo verificada a perda de aproximadamente 85% da luz disponível na superfície para cultivos com concentração celular de até 2 g.L-1 em fotobiorreatores de 8 cm de diâmetro. A produção de biomassa e bicombustíveis em software comercial SuperPro designer v8.5 fomos simuladas e associadas à análise econômica

Abstract: The use of microalgae in environmental carbon dioxide mitigation processes and renewable energy production are gaining attention, but the optimization of "upstream" and "downstream" process is essential to promote technical and economic feasibility and make with the industrial scale became...

Abstract: The use of microalgae in environmental carbon dioxide mitigation processes and renewable energy production are gaining attention, but the optimization of "upstream" and "downstream" process is essential to promote technical and economic feasibility and make with the industrial scale became true. The conditions that maximize biomass growth, carbon dioxide mitigation, lipid content, and produce a fatty acid profile suitable for a high quality biodiesel was evaluated as function of different temperatures (18-42 ºC), carbon availability as CO2 (air-40%), light intensity (4-192 ?mol.m-2.s-1), and nitrogen availability as NaNO3 (0.25-1.00 g.L-1). Biomass harvesting using flocculation process was evaluated as function of flocculant type (organic and inorganic), flocculant dosage (0.005-0.3 g.L-1), pH (4-11), and biomass concentration (0.1-1.0 g.L-1). The selected conditions were: 108 ?mol.m-2.s-1, 26.5 ºC and 8.05% de CO2, with the following results: Xmax/X0=14.78 (maximum and initial cell concentration ratio); ?max=1.02 d-1 (maximum specific growth rate), ?=0.50 d (lag phase duration); Pmax=0.58 g.L-1.d-1 (maximum productivity); Pmean=0.31 g.L-1.d-1 (mean productivity); CBmax=1.06 g.L-1.d-1 (maximum carbon incorporation rate); CBmean=0.55 g.L-1.d-1 (mean carbon incorporation rate); 50% of lipid content, and 90% of samples FAMES (fatty acid methyl ester) corresponding to the mainly biodiesel FAMES (C16:0, C18:0, C18:1, C18:2 e C18:3). Biodiesel quality prediction using samples of microalgae oil show the following results: CN=56 (cetane number), CFPP = 0.8 °C (could filter plugging point), ? = 863 kg/m³ (density), II = 97 gI2/100g (iodine index), ?HC = 39.2 kJ/g (heat of combustion), OSI = 13.8 h (oil stability index), and ? = 3.93 mm².s (viscosity), and the values were compatible with different quality standards ASTM-D6751, EN14214/14213, and ANP 255/2003. Recovery efficiency (RE) of 95% or more can be obtained with pH 4,0 to 11,0 (organic flocculant); 5,0 to 7,0 (FeCl3), and 7,0 to 8,0 (Al2(SO4)3; gflocculant/gbiomass of: 0,08gorganic/gbiomass, 0,40gAl2(SO4)3/gbiomass). The impact of light availability in the center of photobioreactor was predicted as function of cell concentration, pigments concentration and photobioreactor design, being observed approximately 85% of loss in the incident light availability in cultures is less than 2 g.L-1. Biomass production process and biofuels production process were simulated using a commercial software SuperPro Designer v8.5 followed by economic analysis