Produção de biodiesel a partir de microalgas heterotróficas

Orientadores: Telma Teixeira Franco, Lucas Antonius Maria van der WielenTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química e Delft University of Technology.Resumo: Esta tese descreve os resultados da pesquisa de doutorado executada na Universidade de Campinas e na Universidade Técnica de Delft, como parte do program de Doutorado de Dupla Titulação entre as duas universidades. O projeto de pesquisa foi desenvolvido em parceria com a Petrobras S. A., que proveu a maior parte do suporte financeiro assim como suporte técnico, com o objetivo de avaliar o potencial de microalgas heterotróficas para a produção de biocombustíveis. Microalgas têm gerado muito interesse devido a seu inquestionável potencial para produção de biomassa e lipídeos através de fotossíntese. Nas últimas duas décadas, a busca por novas fontes de bio-energia causou um salto na pesquisa científica sobre cultivo de microalgas, o que impulsionou rapidamente o estado da arte. Apesar disso, a produção em larga escala ainda enfrenta obstáculos significativos, que encarecem os custos de produção and impedem que as microalgas se tornem uma fonte viável de bioenergia. A maior limitação das microalgas autotróficas é a necessidade da luz para o crescimento e o inevitável efeito de auto-sombreamento que ocorre com o aumento populacional. Quando a cultura se torna mais densamente povoada, a luz não consegue atingir camadas mais profundas, consequentemente desacelerando o crescimento. Isto limita a biomassa a baixas concentraçoes e, consequentemente, aumenta os volumes de cultivo e a demanda de grande quantidade de energy para separação da água. Apesar de extensa bibliografia sobre microalgas ter sido produzida nas últimas duas décadas, apenas uma pequena fração dos estudos se focaram no potencial heterotrófico desses versáteis microorganismos. Microalgas heterotróficas utilizam carbono orgânico como fonte energética e estrutural, ao invés de absorver carbono da atmosfera. Nesta condição, as microalgas podem crescer sem limitações pela luz e alcançar altas concentrações de biomassa e lipídeos. Porém, o cultivo heterotrófico e autotrófico não são comparáveis, já que o primeiro necessita de uma fonte de carbono orgânica e o segundo absorve carbono atmosférico. A tecnologia e os custos associados a cada um dos processos diferem fortemente. O desenvolvimento do cultivo heterotrófico inicia com a seleção de cepas adequadas para a produção de biocombustíveis e outros produtos de interesse. Este ainda é um campo de pesquisa pouco explorado, já que o cultivo heterotrófico representa apenas uma pequena fração de toda a literatura sobre algas. No capítulo 2, cepas de microalgas foram avaliadas em relação a sua capacidade de crescimento heterotrófico e produção de lipídeos. Após a análise do crescimento e composição celular, potenciais aplicações comerciais foram sugeridas para cada espécie estudada, já que diferentes composições de biomassa e lipídeos podem ser adequadas a diferentes produtos, como combustíveis, alimentos e produtos químicos. Chlorella vulgaris CPCC 90 foi identificada como uma opção adequada para a produção de biodiesel devido ao seu alto conteúdo lipídico e alta produtividade. Uma cepa produtora de ácidos graxas omega-3 poliinsaturados foi identificada e um breve estudo de otimização foi conduzido para aumentar a produção do ácido graxo de alto valor agregado. Após a seleção da cepa mais adequada para a produção de bio-combustíveis, o próximo passo foi o desenvolvimento de um cultivo altamente produtivo. A maior vantagem do cultivo heterotrófico é a possibilidade de alcançar altas concentrações de biomassa e conteúdo lipídico e, consequentemente, maiores produtividades volumétricas. Porém, o acúmulo de lipídeos ocorre quando células de microalgas são expostas a certas condições limitantes, que afetam negativamente o crescimento da biomassa. Desta forma, as condições de cultivo devem ser equilibradas de modo a promover o crescimento da biomassa e aumentar o conteúdo lipídico. Inicialmente, cultivos em batelada alimentada foram avaliados quanto ao acréscimo na concentração de biomassa e teor de lipídeos. A separação do crescimento e acúmulo de lipídeos em dois diferentes estágios permitiu a obtenção de uma cultura altamente concentrada e com elevado teor lipídico. Os lipídeos resultantes foram extraídos da biomassa e convertidos a biodiesel. Os rendimentos totais dos processos de cultivo, extração e reação foram calculados e discutidos (Capítulo 3). Apesar do cultivo em batelada alimentada ter-se mostrado altamente produtivo, o cultivo contínuo tem o potencial de reduzir o tempo ocioso da planta e aumentar a produtividade global e, consequentemente, reduzir custos de produção. Porém, manter cultivos contínuos com altas concentrações celulares não é trivial. O equilíbrio entre a vazão específica e a concentração de biomassa é crucial para a manutenção de alta produtividade. Cultivos em batelada alimentada e contínuos foram comparados quanto às produtividades totais, e o efeito da vazão específica sobre a concentração e produtividade de biomassa foi estudado (Capítulo 4). Cultivos contínuos também permitem um melhor controle da qualidade do produto final. A vazão específica e outros parâmetros, tais como a razão de alimentação de Carbono e Nitrogênio, afetam significativamente a composição de biomassa e o perfil de ácidos graxos dos lipídeos intracelulares. Através da variação destes parâmetros sob regime estacionário, tanto o conteúdo lipídico como a composição de ácidos graxos foi afetadas. Através da modelagem destes efeitos, é possível otimizar o processo, de acordo com o produto lipídico desejado (Capítulo 5). A integração de processos com outros setores da indústria pode, potencialmente, aumentar a viabilidade da produção de biocombustíveis de microalgas. Como o cultivo heterotrófico exige grande disponibilidade de fontes de carbono baratas, a integração com a indústria de cana-de-açúcar é uma opção atraente. Existem também potenciais ganhos para a industria da cana-de-açúcar, já que um terço de suas emissões de carbono resulta da queima de grandes quantidades de diesel de origem fóssil em operações agrícolas e de transporte. A produção de biodiesel de microalgas heterotróficas a partir de substratos da cana-de-açúcar representa uma oportunidade de de substituir a utilização de combustível de origem fóssil e aumentar a renovabilidade das refinarias de cana-de-açúcar. No Capítulo 6, é proposto um modelo de integração em que o melaço da cana-de-açúcar, vapor e eletricidade gerados na biorefinaria de cana-de-açúcar são utilizados para a produção de biodiesel de microalgas. Os resultados das simulações mostraram que a viabilidade do modelo proposto depende ainda da maturação da tecnologia, assim como de fatores externos, tais como o preço do petróleo e políticas e incentivos favoráveis a tecnologias sustentáveis. Esta tese representa uma contribuição ao estado da arte do desenvolvimento de biocombustíveis e outros produtos a partir de microalgas heterotróficas, especificamente focado no uso de culturas com alta densidade celular. Oferece ainda uma visão geral de alguns dos desafios que devem ser superados e das mais importantes variáveis na obtenção de um processo altamente produtivo e economicamente viávelAbstract: This thesis summarizes the results of a doctoral research executed in the State University of Campinas and in the Technical University of Delft as part of the PhD Dual Degree Program between the two universities. The research project was designed in partnership with Petrobras S. A. (Brazilian Petroleum Corporation), which provided most of the financial support as well as technical cooperation, with the goal of evaluating the potential of heterotrophic microalgae for biofuels production. Microalgae have generated a lot of interest due to their undoubted potential for the production of biomass and lipids through photosynthesis. In the last two decades, the search for new bio-energy feedstocks created a boom in scientific research on microalgae cultivation, which has improved the state of art of the technology at a rapid pace. However, large scale production still faces significant bottlenecks, which increase manufacturing costs and prevent microalgae from becoming a feasible bioenergy source. The main limitation related to autotrophic microalgae is the need of light for growth and the inevitable self-shading effect with the increase in cell population. As the culture becomes more densely populated, the light cannot reach deeper layers, thus slowing down the growth. This limits biomass to low concentrations and, consequently, increases cultivation volumes and demands high amounts of energy for water separation. Although extensive research about microalgae has been produced in the last two decades, only a small fraction of the studies aimed at the heterotrophic potential of these versatile microorganisms. Heterotrophic microalgae utilize organic carbon as energy source and building blocks rather than absorbing carbon from the atmosphere. In such circumstances, they can grow without light limitations and achieve high biomass and lipid concentrations. Nevertheless, heterotrophic and autotrophic cultivations are hardly comparable, since the former requires an organic carbon feedstock and the latter absorbs carbon from the atmosphere. The costs associated with each process are remarkably different, as well as the technology involved. The development of the heterotrophic cultivation process starts with the selection of suitable strains for the production of biofuels and other products. This is still a poorly explored field of research, as heterotrophic cultivation represents only a small fraction of all literature about algae. In Chapter 2, strains of microalgae were evaluated on their capacity for heterotrophic growth and lipid production. After the analysis of growth characteristics and cell composition, potential commercial applications for each strain were suggested, as different biomass and lipid compositions may be suitable for different final products, from biofuels to food and chemicals. Chlorella vulgaris CPCC 90 was identified as a suitable option for biodiesel production due to its high lipid content and productivity. One polyunsaturated omega-3 fatty acid producing strain was identified and a short optimization study was performed in order to enhance the production of the high value added fatty acid. After selection of the most suitable strain for biofuels production, the next step was the development of a highly productive cultivation process. The greatest advantage of heterotrophic cultivation is the possibility of reaching high biomass concentrations and lipid contents and, consequently, high volumetric productivities. However, lipid accumulation occurs when microalgae cells are exposed to certain limiting conditions, which negatively affect biomass growth. Therefore, cultivation conditions must be balanced in order to promote biomass growth and increase lipid content. After identification of the most suitable strain for biofuels production, fed-batch strategies were evaluated as means of increasing biomass concentration and lipid content. Decoupling biomass growth and lipid accumulation in two different stages allowed the production of a highly concentrated culture with increased lipid content. The resulting lipids were extracted from the produced biomass and converted into biodiesel. The overall yields of cultivation, extraction and reaction processes were calculated and discussed (Chapter 3). Although fed-batch cultivation proved itself highly productive, continuous production can potentially reduce downtime operations and increase global productivity, consequently reducing production costs. Operating continuous cultivation at high cell concentrations such as in the fed-batch process, however, is not trivial. The balance between dilution rate and biomass concentration is crucial in order to maintain high productivities. Fed-batch and continuous cultures were compared in terms of overall productivities and the effect of dilution rates was evaluated over biomass concentration and productivity (Chapter 4). Continuous cultivation also allows a better control of the final product quality. Growth rates and other parameters, such as Carbon to Nitrogen feeding ratio, significantly affect biomass composition and the fatty acid profile of intracellular lipids. By varying these parameters in steady state cultivation, lipid content and fatty acid composition were affected. By modelling these effects, it is possible to optimize the process according to the desired lipid-based product (Chapter 5). Process integration with other industry sectors may potentially increase the feasibility of microalgae biofuels production. Since heterotrophic cultivation demands a large availability of cheap carbon feedstocks, integration with the sugarcane industry is an attractive option. There are potential gains for the sugarcane industry as well, since one third of their carbon emissions result from burning large quantities of fossil-based diesel in crops and transportation operations. The production of heterotrophic microalgae biodiesel from sugarcane feedstocks offers the possibility of replacing the fossil fuel utilization and increasing the overall renewability of the sugarcane biorefinery. In Chapter 6, an integration model is proposed in which molasses, steam and electricity of sugarcane biorefinery are used for the production of microalgae biodiesel. Simulation results showed that the feasibility of the proposed model depends on the further development of the technology, as well as on external factors, such as petroleum prices and sustainability-driven policies and incentives. This thesis represents a contribution to the state of the art on the development of biofuels and other products from heterotrophic microalgae, specifically focused on the use of high cell density cultures. It offers an overview of some of the challenges that need to be overcome and provide insights on the most important variables for achieving a highly productive and economically feasible processDoutoradoDesenvolvimento de Processos QuímicosDoutor em Engenharia Químic