Secagem de biomassa de microalga Scenedesmus obliquus com energia solar concentrada

Abstract

A necessidade por novas fontes de energia renováveis e sustentável são um dos maiores desafios e interesse de pesquisa na área de energia. Dentre essas, as microalgas são uma fonte de matéria- prima promissora de lipídios para produção de biodiesel, de carboidratos para etanol, proteínas para a alimentação. Em menores quantidades, as microalgas também contêm pigmentos e antioxidantes que podem ser utilizados em diversos setores. Durante seu crescimento, as microalgas realizam fotossíntese, absorvendo CO 2 da atmosfera. Além disso, é uma cultura que não compete diretamente com a produção de alimentos e não utiliza espaço de outras culturas agrícolas. Na utilização da biomassa de microalgas, uma etapa muito importante e com elevada demanda de calor é a secagem. Essa etapa é considerada crítica, pois pode inviabilizar a produção em larga escala, sobretudo para produtos de baixo valor como o biodiesel. Assim, o uso da energia solar como fonte de calor para secagem de produtos com grande quantidade de água é considerado pela literatura como a mais promissora. Porém, a secagem por exposição direta ao sol acarreta muitas perdas de qualidade da biomassa. Por ser possível controlar as condições de secagem, a coleta e armazenamento da energia solar para uso em câmaras de secagem torna-se imprescindível. Logo, este trabalho objetivou desenvolver e avaliar um sistema fechado de secagem de biomassa de microalgas, usando a coleta de energia solar por captação em calha parabólica com armazenamento térmico. Inicialmente, diferentes configurações de geometrias absorvedoras foram investigadas utilizando a dinâmica de fluidos computacional visando a alocação da geometria de melhor desempenho no interior de tubos a vácuo de aquecedores residenciais. Foram propostas três geometrias distintas, as quais apresentaram rendimentos térmicos de 97 %, 33,4 % e 98 % de, respectivamente. De posse da geometria com eficiência de 97 % e considerada tecnicamente mais simples de ser confeccionada, foi construído um sistema de calha parabólica com rastreamento solar e sistema de armazenamento térmico. Esse protótipo foi testado usando rastreamento solar e totalmente estático, durante o inverno e o verão para se verificar sua eficiência e capacidade de armazenamento térmico. Os resultados demonstraram eficiências ópticas e térmicas muito baixas para os sistemas sem rastreamento. Os sistemas com rastreamento obtiveram ganhos de energia úteis de até 123,5% no inverno e até 110,15% no verão em comparação ao sistema sem rastreamento. A análise econômica indica um custo nivelado de energia (LCOH) de 0,56 e 2,26 US$ kWh -1 para os sistemas com e sem rastreamento, respectivamente. Com os dados referente ao sistema de coleta e armazenamento solar, foi desenvolvido uma câmara de secagem para Scenedesmus obliquus em bandejas (camada fina, 5 mm). Foram avaliadas a cinética de secagem, a energia específica necessária e as características do produto seco, como cor, teor de pigmentos, análise centesimal e perfil de ácidos graxos. Os resultados da secagem foram comparados com três outros métodos de secagem: por exposição direta ao sol, por estufa de secagem e por liofilização, sendo esse último o tratamento controle quanto a qualidade da biomassa seca. A umidade final (base seca) para a secagem por exposição ao sol, secador de bandeja, estufa de secagem e liofilização foram 0,131±0,03 (p/p), 0,115±0,01 (p/p), 0,123±0,02 (p/p) e 0,026±0,01 (p/p), respectivamente. As difusividades efetivas obtidas nos ensaios cinéticos para a secagem por exposição direta ao sol, secador de bandeja, estufa de secagem foram 1,5 × 10 -8 m 2 s -1 , 1,52 × 10 -8 m 2 s -1 , 1,27 × 10 -8 m 2 s -1 , respectivamente. As energias específicas necessárias para a secagem por exposição direta ao sol, secador de bandeja, estufa de secagem e liofilização foram 244,61MJ kg -1 de água, 20,4 MJ kg -1 de água, 202,83 MJ kg -1 de água, 737,64 MJ kg -1 de água, respectivamente. Além disso, a biomassa seca no secador de bandeja desenvolvido, não apresentou diferença significativa em relação ao método padrão (liofilização) em relação a qualidade final do produto analisado. Diante disso, foi possível verificar a viabilidade da utilização de sistema de concentração de energia solar como fonte promissora para a secagem de biomassa de microalgas. Palavras-chave: Concentração Solar. Dinâmica de fluidos computacional. Cinética de secagem. Análise óptica. Análise térmica. Energias renováveis.

The necessity for new renewable and sustainable energy sources is one of the biggest challenges and research interest in the energy field. Among these sources, microalgae are a promising raw material source for lipids for biodiesel production, from carbohydrates to ethanol and proteins for food. In smaller amounts, microalgae also contain pigments and antioxidants that can be used in different sectors. During growth, microalgae photosynthesize, absorbing CO 2 from the atmosphere. This, it is a crop that does not compete directly with food production and does not use space from other agricultural crops. In the use of microalgae biomass, a very important step with a high demand for heat is drying. This step is considered critical, as it can make large-scale production unfeasible, especially for low-value products such as biodiesel. Thus, the use of solar energy as a heat source for drying products with a large amount of water is considered by the literature as the most promising. However, drying by direct exposure to the sun causes many losses in the quality of the biomass. As it is possible to control the drying conditions, the collection and storage of solar energy for use in drying chambers becomes essential. Therefore, this work aimed to develop and evaluate a closed system for drying microalgae biomass, using solar energy collection by parabolic trough with thermal storage. Initially, different configurations of absorber geometries were investigated using computational fluid dynamics to allocate the best performing geometry inside vacuum tubes of residential heaters. Three distinct geometries were proposed, which presented thermal efficiencies of 97%, 33.4% and 98% of, respectively. With a geometry with an efficiency of 97% and considered technically simpler to be made, a parabolic trough system with solar tracking and thermal storage system was built. This prototype was tested using solar tracking and fully static, during winter and summer to verify its efficiency and thermal storage capacity. The results demonstrated very low optical and thermal efficiencies for non-tracking systems. Systems with tracking achieved useful energy gains of up to 123.5% in winter and up to 110.15% in summer compared to system without tracking. The economic analysis indicates a leveled cost of energy (LCOH) of 0.56 and 2.26 US$ kWh -1 for the systems with and without tracking, respectively. With the data referring to the solar collection and storage system, a drying chamber for Scenedesmus obliquus in trays (thin layer, 5 mm) was developed. The drying kinetics, the specific energy required and the characteristics of the dry product, such as color, pigment content, proximate analysis, and fatty acid profile, were evaluated. The drying results were compared with three other drying methods: by direct exposure to the sun, by drying oven and by lyophilization, the latter being the control treatment for the quality of dry biomass. The final moisture (dry basis) for drying by sun exposure, tray dryer, drying oven and lyophilization were 0,131±0,03 (w/w), 0,115±0,01 (w/w), 0,123±0,02 (w/w) and 0,026±0,01 (w/w), respectively. The effective diffusivities obtained in the kinetic tests for open drying in the sun, tray dryer, drying oven were 1.5 × 10 -8 m 2 s -1 , 1.52 × 10 -8 m 2 s -1 , 1.27 × 10 -8 m 2 s -1 , respectively. The specific energies required for open drying in the sun, tray dryer, drying oven and freeze drying were 244.61MJ kg -1 of water, 20.4 MJ kg -1 of water, 202.83 MJ kg -1 of water, 737.64 MJ kg -1 of water, respectively. In addition, the dry biomass in the developed tray dryer did not show significant difference compared to the standard method (lyophilization) in relation to the final quality of the analyzed product. Therefore, it was possible to verify the feasibility of using a solar energy concentration system as a promising source for the drying of microalgae biomass. Keywords: Solar Concentration. Computational Fluid Fynamics. Drying kinetics. Optical Analysis. Thermal Analysis. Renewable Energy.