Microalgae biotechnology: life cycle assessment of different valorization routes for wastewater grown biomass

A biomassa de microalgas é uma fonte promissora de energia renovável, principalmente quando o seu crescimento está associado ao tratamento de efluentes. No entanto, a biotecnologia de microalgas ainda tem muito a melhorar em termos de produtividade, custos e impactos ambientais. Além disso, as rotas de valorização da biomassa algal precisam ser otimizadas para serem uma fonte sustentável e viável de bioenergia. Nesta pesquisa, o desempenho ambiental de duas rotas de valorização da biomassa (briquetes e bio-óleo) foi obtido por meio da avaliação do ciclo de vida com modelagem no software SimaPro®. No primeiro capítulo, dois reatores de tratamento de efluentes e crescimento de microalgas (um disperso e um aderido) foram comparados. Foram encontrados os potenciais impactos ambientais tanto da produção de biomassa quanto da valorização em briquetes. Com a avaliação do ciclo de vida, foi possível identificar que a secagem da biomassa, para fazer os briquetes, precisa consumir menos energia para compensar seu rendimento. As categorias de impacto que mais pressionaram o meio ambiente foram ecotoxicidade terrestre, eutrofização de água doce, escassez de recursos fósseis e mudança climática. Apesar disso, os cenários modelados ofereceram mais benefícios do que impactos ao meio ambiente, devido ao aproveitamento de águas residuárias para o crescimento das microalgas. No segundo capítulo, a valorização da biomassa em bio-óleo e o seu beneficiamento em diesel renovável foi estudado. O método de Monte Carlo foi aplicado para verificar as incertezas e a sensibilidade do modelo. Na avaliação do ciclo de vida dessa rota foi evidenciado que os parâmetros operacionais da liquefação hidrotérmica precisam ser otimizados para diminuir a demanda de energia do processo. Além disso, a fase aquosa gerada deve ser aproveitada para reduzir os potenciais impactos ambientais do ciclo de vida do bio- óleo. As categorias de impacto que mais pressionaram o meio ambiente foram eutrofização marinha, mudanças climáticas, ecotoxicidade marinha, depleção de fósseis, toxicidade humana e acidificação terrestre, nessa ordem de importância. A rota úmida (liquefação hidrotérmica) causou menos impactos que a rota seca (briquetes). Palavras-chave: Microalgas. Bioenergia. Avaliação do ciclo de vida. Briquetes. Bio-óleo.Microalgae biomass is a promising source of renewable energy, especially when its growth is associated with wastewater treatment. However, microalgae biotechnology still has much to improve in terms of productivity, costs and environmental impacts. In addition, algal biomass recovery routes need to be optimized to be a sustainable and viable source of bioenergy. In this research, the environmental performance of two biomass routes (briquettes and bio-oil) was obtained through life cycle assessment modeled on SimaPro® software. In the first chapter, two wastewater treatment reactors and microalgae growth (a dispersed and an adhered) were compared. The potential environmental impacts of both biomass production and recovery in briquettes were evaluated. With life cycle assessment, it was possible to identify that biomass drying, to make the briquettes, needs to consume less energy to offset its yield. The impact categories that put the greatest pressure on the environment were terrestrial ecotoxicity, freshwater eutrophication, fossil resource scarcity and climate change. Despite this, the modeled scenarios offered more benefits than impacts to the environment, due to the use of wastewater for the growth of microalgae. In the second chapter, the valorization of biomass in bio-oil and its processing in renewable diesel was studied. The Monte Carlo method was applied to check the model's uncertainties and sensitivity. In the life cycle assessment of this route, it was evidenced that the operational parameters of the hydrothermal liquefaction need to be optimized to decrease the energy demand of the process. In addition, the aqueous phase generated must be used to reduce the potential environmental impacts of the bio-oil life cycle. The impact categories that put the greatest pressure on the environment were marine eutrophication, climate change, marine ecotoxicity, depletion of fossils, human toxicity and terrestrial acidification, in that order of importance. The wet route (hydrothermal liquefaction) caused less impact than the dry route (briquettes). Keywords: Microalgae. Bioenergy. Life cycle assessment. Briquettes. Bio-oil.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES