Modelação e optimização de uma unidade de produção de microalgas

Abstract

RESUMO 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.

ABSTRACT Microalgae production technology is very interesting both scientifically and technologically due to its great potential. This technology allows not only the reduction of carbon dioxide emissions of an emitting industrial plant, but it can also be used for different applications, such as the production of complements for both human food and animal feed, the production of added value products for the pharmaceutical and cosmetics industries, wastewater treatment and the production of biofuels. There are various microalgae production processes, which operate under different conditions using diverse species of microalgae. This work was centered on the production of autochthonous microalgae in horizontal tubular photobioreactors (PBRs), under atmospheric conditions. The main goals focused on the different aspects concerning the energetic needs of a photobioreactor, namely the culture medium temperature control (by simulation of its profiles), the determination of heat transfer need after a scale-up process, and the selection of the best heat transfer method. The best drying process for obtaining a concentrated microalgae biomass was also selected. One of the main or even critical factors of microalgae production is the culture medium temperature control. In this work, a modelling approach of a microalgae producing photobioreactor is used in order to simulate the culture medium temperature and thus understand what the most important factors are in its control. Two models for the transient state and one for the steady state were developed based on energy balances, using empirical correlations present in the literature for the determination of heat transfer coefficients and meteorological data (temperature, humidity, wind speed and solar radiation). The first model simulates the temperature profile of the culture medium in a PBR without temperature control system. It was concluded that solar radiation and convection phenomena are the main factors contributing to the temperature variation of the culture medium. The second model includes the effect of temperature control, using a heat transfer system consisting of the pulverization of water over the tubes (aspersion) in order to maintain the temperature within a predetermined interval (20-30ºC). The goal of the steady state balance was to determine the heat supply and the heat removal needs of a PBR to maintain the temperature within the limits mentioned. Several successive assumptions were made in order to simplify the base model, which was not very practical and needed unavailable data. The validity of the developed models was evaluated and confirmed by comparison with real data available from the industrial microalgae production process here studied: without aspersion, average relative errors of 2,3% were obtained for the maximum temperatures in the Summer and 2,9% for the minimum temperature in the Winter; with aspersion, the relative error for the maximum temperatures was 2,7% in the Summer. These values show a good fit between the actual temperature profiles and the results from the models developed in this work. Furthermore, the models were used for predicting the culture medium temperature in a given day, vi knowing that day’s maximum and minimum temperatures and nebulosity. Therefore, it is possible to predict if the temperature control by aspersion is needed in a given day, allowing savings in the amount of water used. The steady state model developed in this work was applied to scaled-up photobioreactors. The amount of thermal energy needed to supply or to remove under certain ambient and operational conditions was calculated. This energy is intended to maintain the culture medium temperature within the considered ideal interval to achieve maximum productivity This value was used to estimate the cooling water flow, the hot air flow and the heat transfer area needed, if a heat exchanger is used to control the temperature of the studied PBRs. Considering that the temperature control system by aspersion is operating during (i) the productive period (during daytime) or (ii) 24 hours per day, it was concluded that annually it would be needed to remove 481,8 MWh and to supply 9479,0 MWh in the case of (i). This represents a reduction of 73% on the supplied energy by comparing to (ii). To assure the temperature control of the culture medium, the performance of different heat transfer units was evaluated and their design was made, such as a shell and tubes 1:2, an internal coil, a double coil and aspersion. It was concluded that aspersion is the best temperature control system due to its higher driving force and greater heat transfer area available. In order to be used for its different applications, biomass produced from microalgae growth needs to be dried due to its great humidity content. To accomplish this, microalgae biomass drying curves were experimentally determined. From the results obtained, it was concluded that it is possible to dry the biomass with great efficiency to a humidity degree of approximately 20% using a heat source. According to the literature, it is recommended the use of a spray dryer due to its high efficiency. For this reason, this technology is also used in other industries with similar purposes, such as the food and pharmaceutical industries. With the models and the work developed in this thesis, a contribution to the optimization of the microalgae production process was intended, and the solutions proposed are potential improvements to consider in the future.