Production of biofuels from microalgal biomass

Dissertação de mestrado, Engenharia do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016With the increase in greenhouse gases (GHG) concentrations on the atmosphere, and the problems associated with it, the interest in the development of microalgae-derived biofuels has grown significantly in recent years. Microalgal biomass presents several advantages over feedstocks commonly used for the production of biofuels. However, current production costs are still too high and uncompetitive when compared to fossil fuels. In order to reduce the production costs of microalgal-based biofuels, the development of a biorefinery combining the production of different biofuels was previously proposed. In the present work, biodiesel was synthetized from the biomass of Botryococcus braunii, and the properties of the produced biodiesel were assessed according to the European and American specifications. The defatted biomass obtained as a co-product was further upgraded by anaerobic digestion into biogas, using different consortia of bacteria. The net energy and mass balance of the biofuels produced were made, to discuss the viability of microalgal-based biodiesel production coupled with the valorisation of the spent biomass under a biorefinery concept. B. braunii biomass had an lipid content of 14.8%, after the transesterification the yield was 46.8%, and the final biodiesel yield after purification was 30.5%. The predominant fatty acids present on the biodiesel were C16:0; C18:2n6 and C18:1. The biodiesel produced fulfilled the international specifications, except for the parameters density, viscosity and phosphorus content. The highest yields obtain on the anaerobic digestion were under mesophilic conditions (35°C). The digestion of the defatted biomass (without lipids, 369 mL biogas/g VS) performed similar or better results than the raw biomass (333 mL biogas/g VS). The defatted biomass reached a biogas methane content of 82% and 72% for 35°C and 25°C, respectively. The experimental results obtained at a laboratory scale were scaled up with a process simulation software (SuperPro Designer) to produce 1000 kg of biodiesel from 16.4 t of biomass, which will lead to a production of 2687 kg of methane, making an overall energy production of 48145 kWh. However, the energy spent on the process was 94341 kWh.O setor energético e dos transportes são os mais poluentes a nível dos gases de efeito estufa na União Europeia representando 60 e 20%, respetivamente. O aumento dos gases de efeito estufa na atmosfera, e os problemas inerentes a estes (aumento da temperatura, secas mais frequentes e por períodos de tempo mais longos, maior pluviosidade e aumento do nível médio da água do mar e aumento da acidificação dos oceanos). A depleção dos combustíveis fósseis e a instabilidade política nos países produtores, podem levar à flutuação dos preços dos combustíveis. Todos estes problemas inerentes ao consumo dos combustíveis fósseis tem levado ao desenvolvimento de novas fontes de combustíveis. Os biocombustíveis produzidos a partir de biomassa algal têm crescido significativamente nos últimos anos. Estes apresentam várias vantagens em comparação com a matéria-prima mais utilizada para a produção de biocombustíveis (menores áreas de cultivo, menores quantidades de água utilizada e não competem com os bens alimentares primários), no entanto os custos de produção atuais ainda são elevados e não conseguem competir com os combustíveis fósseis. A fim de reduzir os custos da produção de biocombustíveis a partir de microalgas, desenvolveu-se o conceito de bio refinaria, combinando a produção de diferentes biocombustíveis, tais como biodiesel, bioetanol e biogás. No presente trabalho, o biodiesel foi sintetizado a partir da biomassa da microalga Botryococcus braunii e as propriedades do biodiesel produzido foram avaliadas de acordo com as especificações europeias (EN 14214) e americanas (ASTM D6751). A biomassa desengordurada, obtida como coproduto, foi digerida por digestão anaeróbica (a 25 e 35°C) e transformada em biogás, utilizando diferentes consórcios de bactérias (provenientes das Estações de Tratamento de Águas Residuais de Silves e Lagos). O biogás produzido foi analisado de forma a ser conhecida a proporção entre dióxido de carbono e metano, e a existência de sulfureto de hidrogénio (principal contaminante obtido na produção de biogás, e principal razão para não ser possível o seu armazenamento) obtido após a digestão. Para concluir foram realizados balanços de massa e energético dos biocombustíveis produzidos, de forma a discutir a viabilidade da produção do biodiesel à base de microalgas juntamente com a valorização da biomassa tendo por base um conceito de bio refinaria. A biomassa algal apresentou um conteúdo lipídico de 14.8%, e após a extração dos lípidos, estes sofreram uma transesterificação e formaram o biodiesel. Este passo apresentou um rendimento de 46.8%, sendo que foi sujeito um passo seguinte de purificação com rendimento de 30.5% de forma a cumprir os padrões exigidos na Europa e Estados Unidos da América. Os ácidos gordos predominantes no biodiesel produzido foram os C16:0, C18:2n6 e C18:1, entre os quais, os ácidos gordos insaturados apresentam-se em maioria, 55%. Os ácidos gordos saturados que providenciam uma maior estabilidade oxidativa representam 43%. O biodiesel produzido cumpre a maioria das especificações exigidas pelas normas, excluindo apenas os parâmetros de densidade, viscosidade e fosforo. Durante a digestão da biomassa original e desengordurada a 35°C foi realizada uma adição de um grama de biomassa no dia 42 e foi realizada num total de 73 dias. O rendimento da digestão da biomassa original pelo consórcio de Lagos foi de 284 mL biogás/g SV, por sua vez o rendimento da produção de biogás pelo inóculo de Silves foi de 312 mL biogás/g SV, para a digestão que durou 42 dias. O rendimento da digestão da segunda adição de biomassa (dia 42 a dia 73) foi de 308 mL biogás/g SV com o inóculo de Lagos e de 322 mL biogás/g SV com o inóculo de Silves. O rendimento total (73 dias de digestão) foi de 333 mL biogás/g SV para ambos os inóculos utilizados. O rendimento da digestão da biomassa desengordurada pelo consórcio de Lagos foi de 369 mL biogás/g SV (melhor resultado obtido nesta experiência), por sua vez o rendimento da produção de biogás pelo inóculo de Silves foi de 297 mL biogás/g SV, para a digestão que durou 42 dias. O rendimento da digestão da segunda adição de biomassa (dia 42 a dia 73) foi de 364 mL biogás/g SV com o inóculo de Lagos e de 308 mL biogás/g SV com o inóculo de Silves. O rendimento total (73 dias de digestão) foi de 359 mL biogás/g SV com o inóculo de Lagos e de 320 mL biogás/g SV com o inóculo de Silves. O inóculo de Lagos obteve um rendimento de 276 mL biogás/g SV na digestão da biomassa inicial, por sua vez o inóculo de Silves obteve um rendimento de 269 mL biogás/g SV na digestão dessa mesma biomassa, os rendimentos obtidos foram semelhantes para ambos os inóculos utilizados, esta experiencia foi realizada durante 46 dias. A biomassa desengordurada ainda apresentou uma produção mais reduzida durante os mesmos 46 dias da biomassa original. O inóculo de Lagos apresentou um rendimento de 172 mL biogás/g SV para esta mesma biomassa. O inóculo de Silves obteve um rendimento superior com 193 mL biogás/g SV. A composição do biogás foi apenas realizada na digestão anaeróbica da biomassa desengordurada a 25 e 35°C com o inóculo de Silves. A composição do biogás a 35°C foi de 82% de metano, 18% de dióxido de carbono e não foi detetada a presença de sulfureto de hidrogénio. A composição do biogás a 25°C foi de 72% de metano, 23% dióxido de carbono e 2 ppm de sulfureto de hidrogénio. Através de um programa de modelação (SuperPro Designer), os resultados obtidos experimentalmente foram extrapolados para uma produção de 1000 kg de biodiesel, consequentemente a biomassa desengordurada produziu 2687 kg de metano. O rendimento energético do processo foi de 48145 kWh, com um custo de produção de 94341 kWh. As principais matérias-primas para a produção de 1000 kg de biodiesel foram 16.4 t de microalga (peso seco), 200 t de metanol, 179 t de hexano e 2226 t de água, a maioria dos solventes utilizados foram reciclados e utilizados nos próximos processos de produção. Para o reaproveitamento desses solventes foi necessária a sua evaporação, este foi o processo mais dispendioso a nível energético, representando 85% do consumo energético. A exclusão do processo de evaporação desta biorrefinaria resultaria num balanço energético positivo de 33844 kWh