Modelagem e simulação de fotobiorreatores a fluxo de ar de elevação com tubos seriados para cultivo de microalgas

Orientador: Prof. Dr. José Viriato Coelho VargasCoorientadores: Dr. Wellington Balmant, Prof. Dr. Vanessa Merlo KavaDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais. Defesa : Curitiba, 01/10/2021Inclui referências: p. 53-58Resumo: Os impactos ambientais causados pelas emissões de gases do efeito estufa são uma preocupação mundial, por essa razão a pesquisa de meios capazes de reduzir essas emissões se tornou fator crítico em nossa sociedade. As fontes de energia renováveis representam 14% da matriz energética mundial, enquanto no Brasil este percentual é de 45,3%, sendo que os biocombustíveis ocupam 6,9% desse total. A produção de biocombustíveis como o biodiesel e o etanol a partir de microalgas surge como uma alternativa a produção convencional que depende da soja e de outros produtos agrícolas. As microalgas podem ser cultivadas em fotobiorreatores compactos que possuem uma alta taxa de produção ocupando pequenas áreas. As microalgas podem ser usadas no tratamento de gases de combustão, já que esses gases podem acelerar o crescimento desses microrganismos. No entanto, processos de produção de microalgas em larga escala enfrentam problemas como a baixa concentração celular quando produzidas em lagoas ou o alto custo energético do processo como no caso de fotobiorreatores compactos. Para que a produção de microalgas se torne atrativa, é necessário desenvolver processos economicamente competitivos e por esse motivo o objetivo dessa pesquisa é desenvolver um fotobiorreator airlift de alta eficiência que possua volume grande o bastante para tratar gases de emissões em larga escala e ainda produzir biocombustíveis de qualidade. Será proposto um modelo matemático para o fotobiorreator projetado bem como a sua validação através de dados experimentais de outros estudos. O modelo descreve a cinética de crescimento da microalga levando em conta os seguintes parâmetros: concentração de oxigênio, concentração de gás carbônico, concentração de nitrato, concentração de fosfato, temperatura e luminosidade. O balanço de massa será feito para cada um dos componentes que participam da reação de acordo com a cinética de crescimento e as leis de transferência de massa entre o gás de entrada e o cultivo de microalgas. O modelo apresentado foi capaz de simular o crescimento do cultivo e o consumo de nitrato nas duas validações testadas com dados de outros estudos. As análises paramétricas conduzidas indicam uma forte dependência da constante de transferência de massa de CO2 na velocidade de crescimento do cultivo, quanto mais eficiente for a adição de CO2 dissolvido no cultivo, mais rápido ele se desenvolverá. Outra análise paramétrica realizada indica que a adição de uma quantidade maior de nitrato no meio de cultivo utilizado significa uma maior quantidade de biomassa final produzida. Ainda que não tenha sido possível coletar dados experimentais do sistema proposto, o presente estudo já mostrou que o modelo matemático sugerido funciona. Uma vez que estes dados possam ser coletados, será possível aplicar as ferramentas de modelagem e simulação para produzir microalgas no fotobiorreator proposto com alta eficiência, minimizando os custos de operação.Abstract: Environmental impacts caused by greenhouse gas emissions are a global concern, for this reason, the search for ways to reduce these emissions has become a critical point in our society. While renewable energy sources represent 14% of the global energy matrix, in Brazil, this percentage is 46.1%, with emphasis on biofuels, which represent 6.9%. The production of biodiesel through microalgae appears as an alternative to conventional production that depends on soy or other agricultural products. Microalgae can be grown in compact photobioreactors that have a high production rate in a small area. Microalgae can also be used in the treatment of combustion gases, since those gases accelerate microalgae growth. Even so, large scale production processes face problems such as low productivity in the case of ponds and high energy cost in the case of compact tubular photobioreactors. In order for microalgae production to become attractive, it is necessary to develop an economically competitive process and for this purpose, the objective of this research is to develop a high efficiency airlift reactor with a volume large enough to treat emission gases on a large scale and still produce quality biofuels. A mathematical model of the airlift reactor will be presented and validated using experimental data from other studies. The model will take into account the kinetics of microalgae growth according to the following parameters: oxygen concentration, carbon dioxide concentration, nitrate concentration, phosphate concentration, temperature and luminosity. Mass balance will be applied at each component participating in the reaction following the kinetic growth and the mass transfer laws between the feeding gas and the microalgae culture. The parametric analyzes conducted indicate a strong dependence of the CO2 mass transfer constant on the growth rate of the microalgae, the more efficient the addition of dissolved CO2 to the cultive, the faster it will grow. Another parametric analysis conducted indicates that the addition of greater amount of nitrate in the culture medium used means greater amount of final biomass produced. Although it was not possible to collect experimental data from the proposed system, the present study has already shown that the suggested mathematical model works. Once these data can be collected, it will be possible to apply modeling and simulation tools to produce microalgae in the proposed photobioreactor with high efficiency, minimizing operating costs