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Tecnologia de Inovação para Produção de bioenergia e Micro
algas: Biossistema integrado de Produções limpas
Pagandai V Pannir Selvam*, Luiz C. Guilherme ***, Mariana C Góis****, Pedro
Samual *, Thiago Brito ****, Ricardo C. Abraão6, Barbara Lima* , João M
Santhos * *Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN, Caixa Postal 1524 Campus Universitário
Lagoa Nova, CEP 59078900 | Natal RN Brasil. email: [email protected] e
*** Embrapa , PI,Brasil ****GPEC/UFRN – (Grupo de Pesquisa em Engenharia de custos e processos) DEQ/UFRN, Brasil.
Resumo O Brasil não é conhecido apenas pelo desenvolvimento de biocombustíveis, como o etanol,
mas também é um dos lideres na produção de biodiesel. Neste contexto, a projeção de um
sistema sustentável de empresas rurais que utilizassem a produção de biodiesel local seria
bastante interessante, principalmente se nestas fossem utilizados resíduos de biomassa
nesta produção. Este tipo de empreendimento precisa de matéria prima de alta
produtividade em óleo. As microalgas para produção de biodiesel destacamse pela sua
mais alta capacidade de fixar CO2 possibilitando o ganho de créditos de carbono; alta
produtividade quando comparadas a outras oleaginosas; possibilidade de serem cultivadas
em água do mar e água salobra; não necessitam de terras aráveis; a coleta pode ser diária
sem regime de safra; teor e a qualidade dos ácidos graxos podem ser facilmente
manipulados de acordo com o interesse comercial. Por outro lado, a produção desta
biomassa para a finalidade de produção de biodiesel ainda não alcançou escala comercial;
apesar disto, inúmeros trabalhos vêm sendo desenvolvidos para o alcance da viabilidade
econômica, exatamente por conta dos inúmeros benefícios que trariam o uso desta
biomassa. O objetivo principal desta proposta é de promover a sustentabilidade da pequena
produção de energia limpa em áreas rurais, com uma coprodução de microalgas, que
podem ser utilizadas como fonte de alimento, ração animal e biocombustivel . Esta proposta
passa por um sistema de cultivo inovador de microalgas de alta produtividade em biomassa,
e produção e uso integrado desta biomassa com outras produções na propriedade rural,
principalmente de resíduos, que serão utilizados na produção da biomassa . O fluxo de
energia e de materiais e fluxo de caixa do sistema de produção de microalgas e seu sistema
de processamento foram integrados em pequena escala e modelados via processo de
simulação utilizando o software SuperPro Designer ®. Uma análise preliminar do projeto
com base neste conceito de “biosistema integrado” inovador incluiu estudos de: processo de
tratamento biológico aeróbio e produção de microalga, a produção de gás metano através
da digestão anaeróbia; cogeração e recuperação de energia e de, CO2., Os modelos
produzidos nos permitiram identificar problemas de ordem técnica e econômica e
apresentar possíveis soluções para a viabilização técnicoeconômica do empreendimento,
com sustentatbilidade ambiental e social.
Palavraschave: Microalgas, Resíduos, Energia, Biomassa, Biogas e Biodeisel
Abstract Brazil is not only known for the development of biofuels such as ethanol, but also lider for
small scale charcoal production, which still lacks biodeisel production. This article aims to
design a sustainable system of rural enterprises, The production of biodiesel need higher
plants seed, though its mass culture has a higher cost. Strategies that can be used to make
the cost of its most effective use is to increase cellular lipid content; select strains of high lipid
production, enhancing the efficiency of transesterification, improve the design of
photobioreactors. Our current research encompasses these different innovation strategies for
micro algae production integrated with small IC engine, simple CO2 capture. The main
objective is to apply sustainability for smallscale clean energy production in rural areas, as
well as the coproduction of micro algae as a source for food, feed and fuels. The conceptual
project to develope engineering and industrial design with objetive of the economic
feasibility of the integrated system was established after many efforts to develop various
preliminary innovative designs and their dynamic of the integrated system with zero
emission. The energy, materials and cash flow models of micro algae production and
processing were integrated into smallscale production bioelectrcity was initially modeled
using the spreadsheet latter with simulation process using the software SuperPro Designer
®. A preliminary project analysis of this complex integrated biosistem with the innovative
concept included in this study are: aerobic biological treatment process of microbial algae,
producing methane gas using anaerobic digestion, treatment system effluent, biogas and
syngas; cogeneration and energy recovery, CO2 and energy recovery, micro alage
production. These models allowed us to identify technical problems and economic scale. The
results from the development of various projects with some preliminary case was made
possible the project design of process integrated fuel and food, and processes using process
simulation models. This innovative integrated system need detailed engineering as well as
1
economic viability study based on integrated innovative and industrial design.
Keywords: Waste, Energy, Biomass, synthesis gas, biogas.
1. Introdução
No mundo todo, as reservas de petróleo estão diminuindo rapidamente e vão se
esgotar em menos de 50 anos [17]. Esta escassez pendente tem gerado uma pressão
considerável para a pesquisa e desenvolvimento de combustíveis renováveis alternativos,
como por exemplo, o biodiesel [17].
O biodiesel consiste em ésteres metílicos de ácidos graxos (FAMEs) derivados da
transesterificação dos lipídios, tais como os triglicerídeos (TG). Quando comparado com o
diesel derivado do petróleo, o biodiesel tem propriedades químicas quase idênticas e pode
ser utilizado em qualquer motor, além de ter emissões de CO2 mais baixas [17].
Atualmente, o biodiesel é produzido predominantemente a partir da biomassa de plantas
ricas em óleo, mas levandose em consideração bem maiores escalas de produção, a
produção dessas plantas exige quantidades irreais de extensões de terra . Uma alternativa
viável é a utilização de microalgas [17]
As microalgas são um grupo diverso de organismos fotosintéticos, muitos dos quais
possuem níveis elevados de lipídios inftracelulares. Em comparação com as plantas, as
microalgas têm uma taxa de crescimento muito superior e um maior rendimento de
biomassa total, necessitando de menos terra para seu cultivo [10]. Atualmente, a produção
de biodiesel a partir de microalgas é muito cara .O Brasil produz cerca de 126.806.000 de
toneladas de resíduos de biomassa por ano, pois é uma das principais produtoras de
culturas agrícolas como o caju, o coco, a mandioca, a soja, o café, o dendê e a cana de
açúcar. O uso desta biomassa lignocelulósica, dos residuos agricolas e agro industriais
foram foco dos nossos trabalhos nos últimos 10 anos através de diversas rotas utilizadas
para a obtenção de energia, entre elas pirólise, gaseificação, hidrólise enzimática. O Brasil é
reconhecido pelo desenvolvimento de biocombustíveis, produção de biomassa e carvão.
Cerca de 70% do total gerado são desperdiçados, tornando necessário considerar um
processo eficiente de uso dos resíduos, sendo muito interessante o uso destes como fonte
de energia renovável e material componente de uma infinidade de produtos. A geração de
energia térmica através de pirolise de resíduos, por exemplo, foi investigada e
apresentada em trabalhos anteriores [ 2,7 ].
A biomassa pode ser utilizada em inúmeros processos de pequena escala de
2
produção de energia, que é o objetivo principal deste estudo, focando o estudo na tecnologia
de biomassa limpa usando CO2 para cultivo de microalgas e também na abordagem de um
desenvolvimento sustentável para a produção em pequena escala de energia a partir de
resíduos [15]. O objetivo principal do presente trabalho também está relacionado com a
pesquisa atual feita no projeto de estudo do sistema de análise e otimização de ferramentas
e métodos que posibilitaram a obtenção do melhor valor das variáveis de entrada e / ou
parâmetros de modelo de um projeto de produção de biomassa integrada com a utilização
completa dos rejeitos agroindustriais para produção de microalga, usando pirólise lenta em
baixas temperaturas para obter biogas [ 2 ].
O projeto do sistema de produção em pequena escala de energia a partir de resíduos
em pequenas empresas deverá levar as comunidades rurais a um desenvolvimento
sustentável, com o desenvolvimento do fluxograma de energia, para alcançar a viabilidade
econômica e ecológica, visando a geração máxima de energia com a geração mínima de
resíduos [ 17 ].
1.1. Desenvolvimento de cepas de microalgas de alto desempenho
Excelentes cepas de microalgas podem ser obtidas por rastreio de uma vasta gama de
espécies naturalmente disponíveis, e a produtividade em biomassa pode ser melhorada por
modificações nas condições de cultivo, como por exemplo, temperatura, intensidade de luz,
concentração de nutrientes, entre eles de CO2. Considerando os bons resultados do cultivo
mixotrófico com a microalga Chlorella sp, por exemplo, é interessante considerar o uso de
materiais orgânicos tal como a sacarose, o glicerol, a xilana e os ácidos orgânicos em
suspensão no cultivo de microalgas, o que reduzirá muito o custo do cultivo.[ 817 ].
1.2. Desenvolvimento de sistemas de cultivo visando o custobenefício
Fotobiorreatores (sistemas fechados) apresentam elevada produtividade em biomassa,
boas condições de controle de contaminação e dos parâmetros de cultivo; entretanto,
apresentam alto custo de implantação e operação. O fotobioreator construído ao ar livre
pode utilizar a luz solar disponível gratuitamente, entretanto tem que lidar com as flutuações
diárias e sazonais de luz. Orientação adequada é pintar o chão em torno de um fotobioreator
de cor branca, para aumentar a reflexão da luz solar e ajudar a maximizar a sua captura [3,
o Sistema BBA (de Bombeamento por Borbulhamento de Ar) e este sistema gerou
produtividade em biomassa equivalente à 44t.ha1.ano1 [22]. A fim de viabilizar o uso da
3
biomassa de microalgas para a produção de biodiesel é igualmente importante otimizar o
processo de separação da biomassa do meio de cultivo, e este processo também vem
sendo estudado por nosso grupo [Teixeira et al., 2012] [ 22], assim como a separação de
microalgas usando floculantes orgânicos obtidos de sementes da planta moringa
1.3. Tratamento de águas residuais de pirolise e cultivo de microalgas
A viabilidade de microalgas para remover nitrogênio, fósforo, metais dos efluentes há
muito tempo é reconhecida. Portanto, o uso destas águas no processo de produção de
microalgas além de promover a sua limpeza, promove a economia no uso de água e de
nutrientes.. Várias aplicações ao tratamento de águas residuais têm sido relatadas na
literatura. [ Chinnasamy et al.], [17], estudando treze espécies de microalgas, entre marinhas
e dulcícolas, evidenciaram um bom crescimento destas em efluentes da indústria de tapetes
e esgoto municipal. Kim et al. estudaram cultivos de Scenedesmus sp., com fermentado de
urina suína (3%) (v / v) usado no meio de cultura, e perceberam uma taxa de crescimento
três vezes maior. Wang et al. investigaram a eficácia da utilização de esterco digerido como
um suplemento nutricional para o cultivo de Chlorella sp., e descobriram que o teor total de
ácidos graxos de peso seco foi elevado de 9,00 para 13,7%, além disto, houve a remoção de
amônia, nitrogênio total, fósforo total, e demanda química de oxigênio (DQO) em 100%,
75,7% 82,5%, 74,7%, 62,5%, e 27,4% 38,4%, respectivamente. Li et al. cultivou
Scenedesmus sp. LX1 nos efluentes de produção de biomassa, alcançando alta eficiência
de crescimento (0,11 g∙L1, peso seco) e teor de lipídios (31% 33%, em peso seco). [ 17 ].
1.4. Fixação de CO2 no cultivo de microalgas
Para melhorar significativamente o cultivo fotoautotrófico, as cepas de microalgas e as
condições de cultivo devem ser estudadas de forma a obterse crescimento rápido e o
grande acúmulo de lipídios, e, preferencialmente, em alto nível de CO2. Se este gás é obtido
a partir dos gases de combustão, as microalgas a serem cultivadas com a inserção deste no
cultivo devem ter tolerância elevada para o SOx, NOx e alta temperatura. Morais et al.
isoloram várias microalgas das lagoas de tratamento de resíduos de uma termelétrica de
carvão, e investigaram suas características de crescimento quando expostas a diferentes
concentrações de CO2. Quando cultivado com 6% e 12% de CO2, a Chlorella kessleri
mostrou uma máxima produtividade em biomassa a 6% de CO2, enquanto que a
Scenedesmus mostrou uma máxima produtividade em biomassa a 12% de CO2. Eles
4
também descobriram que a Spirulina sp., a Scenedesmus e Chlorella vulgaris cresceram
bem quando o meio de cultura continha até 18% de CO2, e a Spirulina sp. apresentou a
maior taxa entre eles. Chang et al. descobriram que algumas cepas de Chlorella vulgaris
podem crescer numa atmosfera contendo CO2 até 40%. Tendo como base estes estudos,
podese usar um meio para promover o crescimento de microalgas estimulado pela adição
de CO2, proveniente, por exemplo, da produção de etanol, cimento, cal.[ 2,21,22 ]
A produção de biomassa e o rendimento ótimo de lípidos foi verificado quando ar
enriquecido com 2% de CO2 foi utilizado como fonte de carbono, em vez de ar (0,03% de
CO2). Níveis mais elevados de CO2 inibiram o crescimento [17]. A primeira menção ao uso
de microalgas para a produção de biocombustíveis ocorreu em 1950 no MIT. Entre 1980 a
1995 o Departamento de Energia dos Estados Unidos e o Laboratório Nacional de Energia
Renovavel (NREL,EUA) desenvolveram o programa “Algae Species” (ASP), até hoje
considerado um marco no assunto. A produção de biodiesel a partir de microalgas para
alcançar viabilidade econômica exige inovações tecnológicas para obtenção da
produtividade em óleo satisfatória. Pesquisadores e instituições envolvidas nas áreas, ao
considerarem as conquistas recentes da biotecnologia (engenharia metabólica, genômica,
proteômica, metabolômica, nutrigenômica, bioinformática, desenho de bioreatores, etc.),
assinalam que o cultivo ultra denso será viável em pouco tempo[1020]. Vários experimentos
descrevem o potencial de produtividade em biomassa e teor de óleo, independentemente do
uso energético.[10 22].
1.8. Biodigestão anaeróbia: método de bioconversão para produção de combustível
O gás obtido a partir do processo natural de decomposição é uma mistura de metano
(CH4) e dióxido de carbono (CO2), e normalmente chamado de "biogás”. A digestão
anaeróbia, como a pirólise, ocorre na ausência de oxigênio, mas, no primeiro caso, a
decomposição é causada pela ação da bactéria. A produção de biogás é normalmente na
gama de 0,3 a 0,45 m3 de biogás (60% de metano) por kg de sólido (sólidos totais, TS), para
um processo que funciona bem com um tempo de retenção característico de 20 a 30 dias a
32°C. O poder calorífico inferior desse gás é de cerca de 6,6 kWh/m3. Muitas vezes, a
produção, é dada por kg de sólidos voláteis (VS), que para o estrume sem palha é cerca de
80% de sólidos totais (ST).
2. Materiais e métodos de desenvolvimento de um projeto de bioenergia limpa
5
Um projeto conceitual do processo de bioconversão foi construído utilizando dados
técnicos e dados conseguidos em laboratório. O fluxograma de processo foi feito utilizando o
simulador de processos e outros subsistemas SuperPro Designer®. Com a folha de
fluxograma, flosheet foi possível gerar o balanço energético e material, além dos custos de
produção, a conversão da matériaprima em produto final, através de determinadas etapas
(n) e (n1) de substancias intermediarias. Obtendo assim, o rendimento [13] do material e do
processo como um todo.[1]. O fator de conversão teórico, a eficiência e o custo de
processamento da conversão, a valorização de subprodutos e o custo extra envolvidos são
os parâmetros de referencia utilizados para, a partir deles, calcular o custo de máxima
produção, ou seja, otimizar o processo. Estes modelos de processos foram inicialmente
implementados utilizando uma planilha eletrônica e por último o software. Foram
desenvolvidos estes modelos a fim de avaliar rapidamente a pesquisa e o projeto de
biocombustíveis preliminar usando dados limitados, permitindo que o usuário obtivesse
estimativas sobre a economia do processo em uma escala diferente de produção.[ 7].
Atualmente os softwares de simulação possuem vários processos para
desenvolvimento de fluxogramas. Antes de fazer uso destes softwares, são necessários
dados de entrada e modelos matemáticos, os quais, foram desenvolvidos primeiro para o
equilíbrio de materiais, o projeto preliminar e a economia do processo. Estes modelos e
programas foram colocados juntos em um projeto integrado de biosistema e processo de
bioenergia , utilizando a planilha eletrônica de uso simplificado ou o próprio software
simulador com método descrito de trabalho anterior [6].Um projeto conceitual do processo
de bioconversão foi construído, então a termoconversão envolvendo a pirólise e a
gaseificação foi utilizada. O desenvolvimento foi feito usando este dois cenários. [ 7 ].
3. Resultados do projeto de produção de biocombustível e bioenergia limpas
O sistema de bioconversão e biosistemas integrados é utilizado na indústria do leite e
tratamento de efluente de agroindústria em países desenvolvidos. Os principais
equipamentos utilizados nesse processo são o biodigestor anaeróbico, o motor de
combustão interna e o sistema de recuperação de calor utilizando trocadores de calor,
recuperação de CO2 cuja finalidade da junção destes elementos é a conservação e reuso
de energia. Este estudo de caso foi feito envolvendo, no primeiro caso, o sistema de pirólise
lenta, sendo o carvão vegetal e o produto principal bio óleo e o calor recuperado a partir do
gás de combustão de saída, enquanto que o segundo caso envolveu a pirólise, produzindo
6
carvão, combinada com a produção de gás de síntese via gasiificação, o qual foi utilizado no
motor de combustão interna de calor para alimentação combinada e recuperação de
energia. Veja o fluxograma (figura acima) de desenho industrial de processo visando
inovação realizado visando efluente manipiora de casa de industria farinhas de mandioca
para produção de micro algas. Foi também concebida uma fluxograma do processo para o
processamento de resíduos utilizando a bio conversão anaeróbia juntamente com o sistema
de geração de energia usando motor de combustão interna. A partir dos resultados obtidos
de síntese e analise de projeto elaborados usando simulador de processo, verificouse que
a dimensão dos componentes do biodigestor é muito importante. De fato, para a pequena
escala, o sistema de motor de combustão do biogás, e bio óleo reformado usando HHo gás
parece não ser muito simples, mas pode ser uma substituição robusta para a caldeira de
água quente, tipicamente utilizada em um sistema de aquecimento convencional, mas com
maior perda energética na casa de máquinas. No caso estudado a cogeração torna o projeto
mais complexo do que um sistema simples em comparação com a recuperação de calor.
Este sistema pretende recuperar de forma simples o gás de escape do motor, tal como
consta na Figura 1 e 2 .
Fig 1. Fluxograma de Conceito inovador de tecnologia para captura de CO2 para a
produção de microalgas , biocombustível, usando Simulador de Processo, SPD.
7
Figura 2 Processo simplificado do cultivo de microalga para producao de
Bioenergia.
3.1. Produção de microalga Integrado de biogás.
Além de maximizar o teor de lipídios das células de microalgas, uma maior eficácia
econômica também pode ser conseguida através da redução do custo de produção de
biodiesel a partir de biomassa de algas. Reutilizar as enzimas imobilizadas ajuda a
compensar o seu custo e muitas linhas de pesquisa recentes desenvolveram métodos para
anular os efeitos inibitórios do metanol, tal como a adição passo a passo deste reagente na
reação. Entretanto, o custo global do processo ainda permanece elevado, tornando a
aplicação em grande escala industrial problemática [20,21,22,]. Muito recentemente, um
novo sistema catalítico tem sido desenvolvido, o processo Mcgyan, podendo ser a solução
para os problemas associados com a transesterificação catalisada por base, ao mesmo
tempo em que diminui o alto custo do processo enzimático. Neste novo sistema, é utilizada a
zircônia térmica, que é mecanicamente estável e porosa, a titânia, a alumina e microesferas
de álcool sob condições supercríticas para a catálise. Todos estes fatores tornam o
processo Mcgyan extremamente viável para produção em larga escala de biodiesel a partir
de biomassa de microalgas [20]. O preço de produção com os processos Mcgyan, utilizando
matériasprimas de baixo custo, é estimado em cerca de 2,17 – 2,87 dólares/galão. Isso é
muito competitivo com o preço do diesel de petróleo, o que é cerca de US $2.502.99/gallon
[10, 21]. Há duas rotas de produção sendo investigado usando modelos em planilhas
(tablela1), um de processo de extração solvente acetato etila de micro alga, seguido por
trangesterificação usando catalisadores heterogêneos enzimáticas. Outra rota de processo
convencional de extração de óleo foi feito via processo mecânico de óleo de microalgas
[17,21,22 ] integrado de producao biogas.
8
Tabela 1: Simulação de entradas e saídas em um biodigestor para produção de biogás
de micro algas.
4. Conclusões
Em face da rápida diminuição da oferta global de petróleo, o biodiesel, biogás de
microalga usando captura de CO2 oferece uma produção limpa de combustíveis alternativos
renováveis. A resposta a este dilema parece ser o uso de microalgas. Infelizmente, o custo
de produção mantém o preço do biodiesel a partir de microalgas demasiado elevado para
permitir sua comercialização. Há um número significativo de avanços tecnológicos que
poderiam ajudar a reduzir o preço final do biodiesel de microalgas. Estes incluem o controle
do metabolismo das microalgas para aumentar o teor de lipídios e do processo de
separação da biomassa. Os modelos produzidos no presente trabalho nos permitiram
apresentar possíveis soluções para a viabilidade técnicoeconômica do empreendimento,
com sustentabilidade ambiental e social de bioenergia e no futuro serão realizados os
estudos sobre ordem econômica e sócio ambiental de validação de projetos biosisteminhas
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