Modelação e optimização de uma unidade de produção de microalgas

Palavras-chave: Produção de microalgas

A tecnologia de produção de microalgas tem sido alvo de um grande interesse a nível científico e tecnológico devido às grandes potencialidades que apresenta. Esta tecnologia permite não só reduzir as emissões de dióxido de carbono de uma unidade industrial emissora, como também pode ser utilizada para diversos fins, nomeadamente para a produção de complementos para alimentação tanto humana como animal, para a produção de produtos de valor acrescentado nas indústrias farmacêutica e dos cosméticos, para o tratamento de efluentes e para a produção de biocombustíveis. Existem diversos processos de produção de microalgas, que operam sob condições diferentes usando diferentes espécies destes organismos. Este trabalho centrou-se na produção de microalgas autóctones em fotobiorreactores (PBRs) tubulares horizontais, sujeitos a condições atmosféricas. Os objectivos principais focalizaram-se nos diversos aspectos relacionados com as necessidades energéticas de um fotobiorreactor, nomeadamente o controlo da temperatura do meio de cultura (por simulação dos respectivos perfis), o cálculo das necessidades de transferência de calor após um processo de scale-up e a selecção do modo de transferência de calor mais adequado. Como complemento, foi ainda seleccionado o processo de secagem mais adequado para a obtenção de uma mistura concentrada de biomassa de microalgas. Um dos factores principais, senão crítico, na produção de microalgas é o controlo da temperatura do meio de cultura, como forma de optimizar o seu crescimento e alcançar uma melhor produtividade. Neste trabalho é utilizada uma abordagem de modelação de um fotobiorreactor de produção de microalgas como forma de simular a temperatura do meio de cultura e assim perceber quais são os factores mais importantes no controlo da mesma. Foram desenvolvidos dois modelos para estado transiente e um para estado estacionário com base em balanços energéticos, recorrendo a correlações empíricas existentes na literatura para a determinação dos coeficientes de transferência e a dados meteorológicos (temperatura, humidade, velocidade do vento e radiação solar). O primeiro modelo simula o perfil de temperatura do meio de cultura de um PBR na ausência de um sistema de controlo de temperatura, tendo-se concluído que a radiação solar e os fenómenos de convecção são os principais factores que contribuem para a variação de temperatura do meio de cultura. O segundo modelo inclui o efeito do controlo de temperatura, isto é, o recurso a um sistema de transferência de calor por aspersão (pulverização de água sobre os tubos) de forma a manter a temperatura dentro de uma gama pré-determinada (20 a 30ºC). O balanço em estado estacionário teve como objectivo determinar as necessidades de fornecimento ou remoção de calor de um PBR de modo a manter a temperatura dentro desses limites. Foram feitas diversas aproximações sucessivas de forma a simplificar o modelo de base que na sua forma inicial era pouco exequível e com necessidade de dados não disponíveis. A validade dos modelos desenvolvidos foi avaliada e confirmada por comparação com dados reais disponíveis do processo industrial de produção de microalgas aqui estudado: no caso de não haver aspersão, obtiveram-se erros relativos médios de 2,3% iv nas temperaturas máximas (Verão) e 2,9% nas temperaturas mínimas (Inverno); com o uso de aspersão, o erro relativo obtido no Verão foi de 2,7% nas temperaturas máximas. Estes valores reflectem uma boa concordância entre os perfis de temperatura reais e os obtidos pelos modelos desenvolvidos neste trabalho. Os modelos foram ainda utilizados de forma a prever a temperatura do meio de cultura num determinado dia, conhecidas a temperatura ambiente máxima e mínima e a nebulosidade desse dia. Desta forma, é possível prever se é necessário recorrer ao controlo de temperatura por aspersão num determinado dia com aquelas características, permitindo assim obter reduções na quantidade de água utilizada. O modelo em estado estacionário desenvolvido neste trabalho foi aplicado ao projecto de novos fotobiorreactores de maiores dimensões (scale-up). Calculou-se a energia térmica que é necessário fornecer ou remover sob determinadas condições ambientais e de operação de modo a conseguir manter a temperatura do meio de cultura dentro de um intervalo considerado óptimo para atingir o máximo de produtividade. Esse valor foi utilizado para estimar o caudal de água de arrefecimento, o caudal de ar quente e a área de transferência de calor necessários, caso fosse utilizado um permutador de calor como forma de controlar a temperatura no conjunto dos PBRs estudados. Considerando o sistema de controlo de temperatura por aspersão em funcionamento durante (i) o período produtivo (diurno) ou (ii) 24 horas por dia, concluiu-se que, anualmente, seria necessário remover 481,8 MWh e fornecer 9479,0 MWh no caso (i), obtendo-se reduções de 73% na energia fornecida por comparação com o caso (ii). Para garantir o controlo de temperatura do meio de cultura analisou-se o desempenho e efectuou-se o dimensionamento de diversas unidades de transferência de calor, como um permutador de carcaça e tubos 1:2, uma serpentina interna, uma dupla serpentina e a aspersão. Concluiu-se que a aspersão é a solução de controlo de temperatura mais adequada devido à sua driving-force mais elevada e maior área disponível para transferência de calor. Para ser utilizada em diversas aplicações, é necessário reduzir a elevada percentagem de humidade da biomassa produzida pelo crescimento das microalgas. Para esse efeito foram determinadas experimentalmente curvas de secagem de biomassa de microalgas. A partir dos resultados obtidos, concluiu-se que é possível secar a biomassa com elevado grau de eficiência até um grau de humidade de aproximadamente 20% recorrendo a uma fonte de calor. Com base na análise bibliográfica realizada, é recomendável a utilização de um spray dryer devido à sua elevada eficiência, sendo esta tecnologia, por esta razão, utilizada noutros tipos de indústria com fins semelhantes, como a alimentar e a farmacêutica. Com a modelação e o trabalho desenvolvidos nesta tese pretendeu-se contribuir para a subsequente optimização do sistema produtivo de microalgas, e as soluções apontadas constituem potenciais melhoramentos a considerar no futuro.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias