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Artigo 1 avaliação invoadora da geometria de tubos de fotobiorreatores para cultivo de microalgas com foco na produção de biomassa e biodiesel
Artigo 9 reaproveitamento de calo... by André Bellin Mariano 1094 views
1. AVALIAÇÃO INOVADORA DA GEOMETRIA DE TUBOS DE FOTOBIORREATORES PARA CULTIVO DE MICROALGAS COM FOCO NA PRODUÇÃO DE BIOMASSA E BIODIESELEmerson Dilay1, Robert de Lara2, Raevon Pulliam3, José Viriato Coelho Vargas4, André Bellin Mariano51 Engenheiro Mecânico, MsC., Doutorando PIPE – NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – emerson197212@hotmail.com2 Matemático, MsC., Doutorando PIPE – NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – robertlarabr@gmail.com3 Engenheira Mecânica, MsC., Doutoranda PIPE – NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – raevonpulliam@gmail.com4 Engenheiro Mecânico, PhD; Departamento de Engenharia Mecânica, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – jvargas@demec.ufpr.br5 Farmacêutico Bioquímico–Industrial, DsC., NPDEAS, UFPR, Curitiba, PR, Brasil – andrebmariano@gmail.com RESUMOAs microalgas apresentam–se como uma alternativa promissora para produção de biocombustíveis devido ao seupotencial de crescimento e teor de óleo. O cultivo em sistemas fechados, como em fotobiorreatores (FBR),proporciona ambiente ideal para produção de microalgas, pois possibilitam maior aproveitamento de luz, CO 2 econtrole microbiológico. Os FBR tubulares apresentam maior produtividade em comparação a outros sistemas.Assim sendo, o objetivo deste trabalho consistiu na avaliação da iluminação média e produtividade superficial(kg m-2 h-1) em relação ao terreno ocupado de biomassa de microalgas cultivadas em FBR com tubos dediferentes configurações (circular, elíptico, quadrado e triangular) e diâmetros (3 a 800 cm) já que nenhumestudo similar foi encontrado na literatura. O trabalho baseou–se na modelagem matemática computacionalrealizada pelo Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto–Sustentável da Universidade Federal doParaná que desenvolveu um FBR tubular compacto para produção de biomassa de microalgas para produção debiodiesel. Palavras–chave: geometria de tubos, fotobiorreator, biodiesel, biomassa, microalgas, auto–sustentável. ABSTRACTInnovative evaluation of tube geometries for cultivation of microalgae in photobioreactors with emphasis on theproduction of biomass and biodiesel. Microalgae have the potential to be a promising alternative for biofuelproduction due to their capacity for growth and oil content. The cultivation of microalgae in closed systems, suchas in photobioreactors (PBR), provides an ideal environment for production because they allow better utilizationof light, CO2 and microbial control. The tubular PBR has higher productivity compared to other systems. Thepurpose of this study was to evaluate the lighting and average superficial productivity (kg m-2 h-1) in relation toland used of biomass from microalgae grown in a PBR with tubes of different configurations (circular, elliptical,square and triangle) and diameters (300–800 cm). Studies of these parameters were not found in the literature.This work is based on computational mathematical modeling conducted by the Center for Research andDevelopment of Self–Sustainable Energy (NPDEAS) of the Universidade Federal do Paraná in Brazil. NPDEAShas developed a compact tubular PBR for biomass production from microalgae for biodiesel production.Keywords: tube geometry, photo–bioreactor, biodiesel, biomass, microalgae, self–sustainingINTRODUÇÃO As reservas de petróleo são recursos limitados e seu uso contribui para o aumento do CO 2 atmosféricolevando ao crescente aumento das temperaturas em todo mundo (CHISTI, 2007). A substituição doscombustíveis fósseis por fontes renováveis como biomassa e biocombustíveis é extensivamente discutida naliteratura e incentivada em todo o mundo. A planta com a maior produção de gordura por área cultivada é aPalma. Mesmo assim, utilizar o óleo de palma para produção de biodiesel numa quantidade suficiente paraatender apenas a metade da demanda de combustível para transporte nos Estados Unidos obrigaria o uso de 24%da área de cultivo do país (CHISTI, 2007). Dentro deste contexto, as microalgas apresentam–se como umaalternativa promissora para produção de biocombustíveis devido ao seu potencial de crescimento, composiçãouniforme e elevado teor de óleo. Atualmente, as empresas produtoras de biomassa de microalgas utilizam osistema de cultivo em tanques que apresenta baixa produtividade, baixo controle de processo, alto risco decontaminação e baixa taxa de iluminação (SATYANARAYANA et al., 2010). O cultivo em sistemas fechados,como em fotobiorreatores, proporciona ambiente ideal para produção de microalgas, pois possibilitam maior
2. aproveitamento de luz, CO2 e controle microbiológico. Muitos estudos apresentados na literatura avaliaram asconfigurações de fotobiorreatores (FBR) com colunas, planares, verticais, horizontais, helicoidais e tubulares.Esses trabalhos mostram que os FBR tubulares apresentam maior produtividade em comparação com outrossistemas. Entretanto, não foi encontrado na literatura um estudo que comparasse a produtividade de biomassa demicroalgas em tubos de diferentes geometrias. O Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Auto–Sustentável (NPDEAS) da UniversidadeFederal do Paraná desenvolveu um FBR tubular compacto para produção de biomassa de microalgas paraprodução de biodiesel (Figura 1) e está em fase inicial de operação. Neste FBR foram utilizados tubos de seçãocircular a de 60 cm de diâmetro. A escolha deste tubo e diâmetro foi baseada em estudo sobre iluminação médiae taxa de crescimento de microalgas (GRIMA et al, 1997). Entretanto, pouco se sabe sobre os efeitos que ageometria do tubo proporciona na iluminação interna e, consequentemente, no crescimento das microalgas.Figura 1 – Fotobiorreator Tubular Compacto desenvolvido pelo NPDEAS – UFPR – Curitiba – BrasilFigure 1 – Compact Tubular Photo Bioreactor developed by NPDEAS – UFPR – Curitiba – Brazil Assim sendo, o objetivo deste trabalho consistiu na avaliação da iluminação média e produtividadesuperficial (kg m-2 h-1) em relação ao terreno ocupado de biomassa de microalgas cultivadas em tubos dediferentes configurações (circular, elíptico, quadrado e triangular) e diâmetros (3 a 800 cm). O estudo baseou–sena modelagem matemática computacional realizada pelo NPDEAS para o FBR construído (Figura 1).
3. MATERIAIS E MÉTODOSModelagem MatemáticaEquação do crescimento da biomassa de microalgas O modelo matemático que mostra o crescimento da concentração de um cultivo de biomassa microalgalé dada por (1):  C   m  D  dC (1) dtonde C representa a concentração de biomassa [g/m3], µ a taxa de crescimento específica [h–1], m a taxa demanutenção [h–1] e D a taxa de diluição [h–1]. Como o objetivo do trabalho é avaliar a influencia da geometriados tubos sobre a taxa específica de crescimento, as taxas de diluição e de manutenção não serão estudadas.Assim, será observada somente a taxa específica de crescimento da biomassa, µ, que é calculada pela equação(2) (GRIMA et al. 1994):  max I av n  (2) I kn  I av nonde µmax é a taxa de crescimento máximo e neste caso será uma constante igual a 0,075 [h –1]. Todos osparâmetros serão referentes à alga Scenedesmus almeriensis citada no trabalho de SÁNCHEZ et al., 2008, noqual estas equações foram desenvolvidas. O parâmetro n é igual a 2,02 [adimensional]. I av é a iluminação médiadentro do tubo ou fluxo de fótons que será calculada mais adiante e cuja unidade é µEm–2s–1. Ik [µEm–2s–1] éuma constante de irradiação que representa a eficiência com que a célula da alga usa a luz. Esta constante écalculada pela equação (3): I k ,max I 0 Ik  (3) I k  I 0onde Ik,Max=225 µEm–2s–1, Ik'=1.436 µEm–2s–1.Equação da iluminação média em tubos de diferentes geometrias A iluminação em um ponto, Ip(x,y), dentro da cultura de algas depende da concentração de algas C[g/m3], da distância d[m] que o raio de luz percorre dentro do meio e de um coeficiente de extinção K a. No casoda alga Scenedesmus almeriensis , neste trabalho, o coeficiente será constante e igual a 0,08 m2g–1. A equaçãoque relaciona todos os fatores é a lei de Lambert–Beer (4): I p  I 0 .e  d .C .Ka (4) No cálculo da equação (2) aparece a iluminação média I av. Isto pode ser calculado integrando–se aequação (4) e dividindo–se pelo volume do tubo (5): 1  I 0 .e a dV d .C . K I av  (5) VV Tendo em mãos os valores da iluminação média determina–se a taxa de crescimento específica.Aplicando alguns conceitos de geometria, pode ser avaliada a produtividade horária de biomassa de alga emrelação à superfície ocupada pelo tubo. A equação (6) mostra este cálculo: SC P .1000 (6) Donde S [m2] é área da secção transversal do tubo e D [m] é a dimensão da figura estudada conforme a tabela 1.Método Numérico A integração da equação (5) para diferentes geometrias requer um método numérico que possa serimplementado computacionalmente e que forneça resultados satisfatórios num tempo computacional razoável.
4. Assim, a equação (5) pode ser aproximada para volumes finitos. Nestes volumes são calculadas as respectivasiluminações fazendo uso da equação (4). Uma vez com o campo de iluminação definido, pode–se aplicar aequação aproximada (6) (GRIMA et al. 1997) e obter o valor de Iav. n V I i p ,i I av  i 1 n (7) V i 1 i A Figura 2 mostra o esquema de cálculo da irradiação média em um sistema cilíndrico iluminado porum fluxo paralelo unidirecional considerando o cilindro como uma coleção de paralelepípedos finitos. A mesmaidéia é aplicada às geometrias de elipses, quadrados, retângulos e triângulos. A rotina computacional foiimplementada na linguagem Fortran.Figura 2 – Esquema do cálculo do campo de iluminação num sistema cilíndrico sob um fluxo paralelounidirecionalFigure 2 – Scheme of the calculation of the lighting field in a cylindrical system under a unidirectional parallelflowRESULTADOS E DISCUSSÃO O campo de iluminação em um sistema com qualquer geometria é fortemente influenciado pelaconcentração da biomassa microalgal. Para se ter um comparativo entre as diferentes geometrias testadas, se feznecessário escolher uma concentração de referência. Assim, optou–se por usar uma concentração de 1.500 g.m–3(CHISTI, 2007). Esta concentração representa uma média das concentrações dos reatores encontrados naliteratura. Outro fator importante a iluminação I0 que incide sobre o sistema. SÁNCHEZ e colaboradores, 2008usaram uma iluminação máxima de 1625 µEm–2s–1. Em toda a avaliação de geometrias será usada a mesmailuminação. Isso possibilita uma comparação dos resultados dos cálculos deste trabalho e uma validação naliteratura. Além disso, foi aplicado um campo radial uniforme de 100 µEm–2s–1. O número escolhido é umamédia dos valores de radiação difusa normalmente encontrada na atmosfera. Assim sendo, a forma em que oscálculos foram realizados reproduzem de forma aproximada as condições reais.Análise da iluminação média no interior de tubos de diferentes geometrias As geometrias testadas estão descritas na Tabela 1. As geometrias escolhidas são as mais comuns e asmais usualmente fabricadas. As dimensões variaram desde 3,13 cm no maior lado até 800 cm. A variação dadimensão no cálculo foi feita numa progressão geometria de razão 2.
5. Tabela 1 – Geometrias avaliadas pelo software em Fortran Table 1 – Geometries evaluated by the software in Fortran Geometria Proporção Dimensões Círculo – Diâmetro de 3,13 cm até 800 cm Elipse Eixo maior/menor de1–0.5 até 1–0.125 Eixo maior de 3,13 cm até 800 cm Quadrado – Lado de 3,13 cm até 800 cm Retângulo Lado maior/menor de1–0.5 até 1–0.125 Lado maior de 3,13 cm até 800 cm Triângulo equilátero – Lado de 3,13 cm até 800 cm Triângulo isósceles Relação de altura com o triângulo eqüilátero de 1– Lado maior de 3,13 cm até 800 cm 0.5 até 1–0.125 mantendo a base igual à do equilátero As figuras 3(a – d) mostram o campo de iluminação de tubos com dimensão de 6,25 cm. É possívelobservar que a figura 3(d), elipse, mostra um campo bem mais iluminado que as demais figuras. (a) (b) (c) (d)Figura 3 – Campo de Iluminação em diferentes geometrias: (a) Sistema circular com diâmetro 6,25 cm – Iavcalculado 293,01 µEm–2s–1; (b) Triângulo eqüilátero com lado 6,25 cm – Iav calculado 438,36 µEm–2s–1; (c)Sistema quadrado com lado 6,25 cm – Iav calculado 233,49 µEm–2s–1; (d) Sistema eliptico com eixo maior 6,25cm e eixo menor 3,125 cm – Iav calculado 543,54 µEm–2s–1Figure 3 –Lighting field in different geometries: (a) Circular system with a diameter of 6,25 cm – Iav calculated293,01 μEm–2 s–1; (b) Equilateral triangle with side 6,25 cm – Iav calculated 438,36 μEm–2 s–1; (c) Square systemwith side 6,25 cm – Iav calculated 233,49 μEm–2s–1; (d) Elliptic system with major axis 6,25 cm and minor axis3,125 cm – Iav calculated 543,54 μEm–2 s–1 Como é de se esperar na medida em que se aumenta a dimensão de um tubo, a iluminação média vaireduzindo. Na figura 4 pode ser observado este efeito. Cada geometria tem uma taxa de diminuição dailuminação média diferente. Por exemplo, a geometria triângulo 1–0.25, começa com uma Iav da ordem de 1300µEm–2s–1 em uma dimensão de 0,0313 m e reduz até a faixa de 0 µEm–2s–1 na dimensão de 8,0 m. Enquanto isso,
6. um elipse de proporção 1/4 decai de 1200 µEm–2s–1 para cerca de 0 µEm–2s–1 para mesma faixa ou mesmo otriângulo eqüilátero decai de 700 µEm–2s–1 para 0 µEm–2s–1. Isso demonstra que dependendo da dimensão que sepretende adotar, seja por qualquer restrição de espaço ou de custo, haverá um tipo de geometria mais adequado.Figura 4 – Iav – Iluminação média em diferentes dimensões para Círculo, Quadrado e TriânguloFigure 4 – Iav – Average lighting in different dimensions for Circle, Square and TriangleAnálise da produtividade de biomassa de microalgas para tubos de diferentes geometriasAvaliação da produção em função de cada geometria Até este ponto, a análise foi feita do ponto de vista de avaliação do campo de iluminação e também dailuminação média dentro um tubo de uma geometria específica e de uma dada dimensão. Agora, pretende–sejuntar as informações volume dentro do tubo e de taxa de crescimento de microalgas. Esta análise deve permitira seleção de uma geometria e dimensão que seja mais favorável à obtenção da mais alta taxa de crescimento demicroalgas possível. Isso implica em alta produtividade de lipídeos e em conseqüência, biocombustível. Numa primeira etapa, serão apresentados separadamente os dados de produtividade em quilograma pormetro quadrado por hora de biomassa de microalgas para as principais geometrias: círculo, quadrado e triângulo.Para cada uma dessas geometrias são agrupadas as geometrias semelhantes. O círculo é comparado com aselipses. O quadrado comparado com os retângulos e o triângulo eqüilátero com os isósceles. Os círculos, juntamente com as elipses, são apresentados na Figura 5. Partindo do diâmetro de 3,13 cm,a produtividade sai de 0,006 kg m–2 h–1 e vai até a casa de 0 kg m–2 dia–1 para um diâmetro de 8 metros. A maiorprodutividade dos sistemas circulares e elípticos é de 0,0062 kg m–2 h–1. Este ponto corresponde a uma figuracircular de diâmetro em torno de 0,125 m.Figura 5 – Produtividade dos tubos circulares e elípticos em kg m–2 h–1Figure 5 – Productivity of circular and elliptical tubes in kg m–2 h–1 Na região entre 12 cm e 25 cm de diâmetro ocorre um ponto de máximo local para a geometria circular.Para as elipses ocorre o mesmo. A subida da produtividade não é contínua, isto é, tem um ponto estacionário.Pontos estacionários da produtividade, ou máximos locais ocorrem para todas as geometrias estudadas.
7. Figura 6 – Produtividade dos tubos quadrados e retangulares em kg m–2 h–1Figure 6 – Productivity of square and rectangular tubes in kg m–2 h–1Figura 7 – Produtividade dos tubos triangulares em kg m–2 h–1Figure 7 – Productivity of triangular tubes in kg m–2 h–1 Este comportamento sugere que devemos dividir o processo da otimização em duas regiões. Uma regiãopara tubos de dimensão de até 1,0 m e outra região para tubos maiores que 1,0 m. Isto possibilita o estudo de dereatores de arranjo de tubos e de reatores de corpo único em trabalhos futuros.Comparação das produtividades em função da geometria e dimensão do tubo A Figura 8(a) traz uma compilação dos dados de produtividade das figuras estudadas com melhoresresultados e com dimensão máxima de 0,5 m. Percebe–se claramente que na dimensão de 6,25 cm a maiorprodutividade é do tubo quadrado seguido pelo circular. Na dimensão de 25 cm, a melhor produtividade é docircular seguido pele quadrado. Nesta região a produtividade máxima está na casa de 0,006 a 0,007 quilogramaspor metro quadrado por hora. A situação é completamente diferente na região de dimensão acima de 1 m. A simulação mostra que ostriângulos e derivados juntamente com os círculos e derivados ficam em grande desvantagem. Estas geometriastêm produtividades, neste caso, abaixo de 0,0015 kg.m–2 h–1. Nesta região as melhores produtividades ficam paraos retângulos de proporção 1/2 e 1/4, seguidas a quase 30% de produtividade abaixo pelos triângulos como podeser visto na Figura 8(b). Aqui a produtividade máxima é compreendida entre 0,006 e 0,007 quilogramas pormetro quadrado por hora.
8. (a) (b)Figura 8 – (a) – Comparativo das melhores produtividades entre geometrias para dimensões abaixo de 0,5 metroe (b) comparativo das melhores produtividades entre geometrias para dimensões acima de 1 metroFigure 8 – (a) – Comparison of productivity among best geometries for sizes below 0.5 meters and (b)comparing the highest productivity among geometries for sizes up to 1 meterProdução de biodiesel de microalgas em função da geometria do tubo e dimensão A produção de biodiesel de microalgas em função da geometria dos tubos será avaliada em função dadimensão dos mesmos. Conforme as discussões referentes à Figura 8, o comportamento da produção debiomassa de microalgas ocorre de forma diferente para dimensões abaixo de 50 cm e acima de 100 cm. Devidoas suas dimensões e características de fabricação pode–se classificá–los em Reatores de Tubos (3,13 – 50 cm) eReatores Cilíndricos e Prismáticos (100 – 800 cm). A Tabela 2 apresenta os melhores resultados de produção debiomassa entre os reatores de Tubos e os cilíndricos/prismáticos calculados pela modelagem matemática destetrabalho e compara com dados fornecidos por Chisti (2007).Tabela 2 – Comparação da produção de biodiesel em FBR de tubos de diferentes geometrias e diâmetros comdados experimentais de produção de biomassa de microalgas e sojaTable 2 – Comparison of biodiesel production in a PBR with tubes of different geometries and diameters usingexperimental data of microalgae and soybean biomass Produtividade Produção de Produtividade Produtividade Anual de Classe Diâmetro Geometria biomassa diária Anual(1) Biodiesel(2) (kg.m–2.h–1) (kg.m–2.dia-1) (kg.m–2.ano-1) (L.m-2.ano-1) Círculo Tubos 12 – 50 cm Quadrado Reatores Retâng (1-0,25) 0,0070 – 0,0090 0,084 – 0,108 27,6 – 35,5 6,3 cilíndricos e 100-800 cm Retâng (1-0,5) prismáticos Triângulo Produção segundo Chisti – – – 1,50 492,8 112,0 (2007)(4) Soja(5) – – – – 0,27 0,06(1) Considerando operação de FBR durante 90% do ano(2) Considerando: a) teor de óleo na microalga de microalga de 20% (CHISTI, 2007), b) soja de 18% (EMBRAPA), c) Massa Específica dobiodiesel à 20 oC (880 kg.L-1) (ANP, 2010) e d) estequiometria de conversão óleo/biodiesel de 1:1 em massa.(3) Considerando operação de FBR tubular compacto de 10 m3 em uma área de 10 m2(4) Produtividade de soja no Brasil 2.629 kg.ha–1.ano-1, Safra 2008–2009 (EMBRAPA) A análise dos dados indica que não há vantagem na utilização dos Reatores Cilíndricos e Prismáticosde 100-800 cm para a produção de biomassa de microalgas para produção de biodiesel, em comparação com ostubos de 12 a 50 cm, quando considerado a produção por metro quadrado. Essas análises não levam emconsideração a possibilidade de utilização dos tubos (12 – 50 cm) em arranjos o que resulta em um melhoraproveitamento de área e poderia fornecer produtividades similares ou maiores (dados não publicados). A comparação das produtividades obtidas por modelagem matemática (6,3 litros de biodiesel pormetro quadrado por ano) em comparação com os dados estimados a partir da publicação de Chisti (2007) (112litros de biodiesel por metro quadrado por ano) indica que somente reatores constituídos de arranjos de tubos tem
9. chance de chegar a esses níveis de produtividade. Entretanto, mais cálculos são necessários para a obtenção dedados mais próximos da realidade já que não foram consideradas as taxas de manutenção durante os cultivos demicroalgas.CONCLUSÕES A tecnologia de produção de microalgas em fotobiorreator precisa de aprimoramento em diferentesaspectos, e em especial na geometria e arranjo dos tubos, com objetivo de aumentar a iluminação média e,consequentemente, melhorar a produção de biomassa de microalgas. Neste trabalho foram realizados estudosinéditos de iluminação interna em tubos de diferentes geometrias e foram definidas duas regiões comcomportamentos diferentes: a) 3,13 – 50 cm (tubos) e b) acima de 100 cm (reatores cilíndricos e prismáticos). Omelhor comportamento para os tubos consistiu de geometria cilíndrica e quadrada de 12 a 50 cm, e para osreatores foi geometria retangular e triangular. Trabalhos futuros são necessários para comparar o efeito dearranjos de tubos na produtividade em comparação com os reatores.AGRADECIMENTOS O NPDEAS agradece ao CNPq, PRH24 e Nilko Metalurgia Ltda. pelo financiamento das pesquisas, aUFPR pela infraestrutura.REFERÊNCIASCHISTI, Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnology Advances, v. 25, p. 294-306, 2007.GRIMA, E. M., CAMACHO, F. G., PÉREZ, J. A. S., SEVILLA, J. M. F., FERNANDEZ, F. G. A.,CONTRERAS GOMEZ, A. A mathematical model for microalgal growth in light–limited chemostat culture. J.Chem. Tech. Biotechnol, 61, 167–173, 1994.GRIMA, E. M., CAMACHO, F. G., PÉREZ, J. A. S., FERNANDEZ, F. G. A., SEVILLA, J. M. F. Evaluation ofphotosynthetic efficiency in microalgal cultures using averaged irradiance. Enzyme Microb. Technol. v. 21, p.516-529, 1997.SÁNCHEZ J. F., SERVILLA, J. M. F., ACIÉN, F. G. CERON, M. C., PARRA J. P., GRIMA E. M. Biomassand lutein productivity of Scenedesmus almeriensis: influence of irradiance, dilution rate and temperature.Applied Microbiol. Biotechnol., v. 79, p. 719–729, 2008.SATYANARAYANA, K. G.; MARIANO, A. B.; VARGAS, J.V.C. A review on microalgae, a versatile sourcefor sustainable energy and materials. International Journal of Energy Research, [s.i], p.1-21, 2010.