Captura de carbono de fontes estacionárias: desenvolvimento de colunas de absorção de dióxido de carbono para cultivo de microalgas em tanques abertos

Abstract

A transferência de dióxido de carbono (CO2) presente em efluentes gasosos para o cultivo de microalgas e cianobactérias é um fator limitante para a utilização desses microrganismos para a mitigação de emissões de fontes estacionárias, por limitar a eficiência de captura dessa substância. Esse trabalho teve por objetivo desenvolver um sistema de captura de CO2 eficiente em colunas de absorção que possa ser utilizado em cultivos em larga escala. As colunas investigadas neste estudo foram de bolhas e de recheio, em que as fases discretas são o gás e o meio de cultivo, respectivamente. Para o desenvolvimento das colunas, utilizou-se técnicas de otimização de parâmetros operacionais em nível de bancada, seguida da avaliação das condições ótimas em cultivo em escala piloto que forneceu dados para o cálculo de parâmetros que possibilitem o dimensionamento de futuros sistemas. A metodologia utilizada nos ensaios de otimização consistiu na neutralização de uma solução alcalina com gás de combustão contendo CO2 em concentrações típicas de emissões de fontes estacionárias, sendo determinada a taxa de absorção e a eficiência de captura de CO2. Os experimentos em bancada foram executados seguindo o delineamento composto central rotacional, em que as vazões de líquido (L) e de gás (G), o diâmetro e tipo de coluna foram os fatores de estudo, e a taxa de absorção e a eficiência de captura de CO2 foram as variáveis resposta. A taxa de absorção aumentou com a elevação da vazão de líquido e da vazão de gás, mas diminuiu com o aumento do diâmetro da coluna. Entretanto, a eficiência de captura aumentou com o aumento da vazão de líquido, menor vazão de gás e menor diâmetro. Os efeitos de redução da taxa e da eficiência com o aumento de diâmetro foram menores na coluna de recheio. Os sistemas de captura de CO2 em colunas foram avaliados em escala piloto no cultivo da microalga Scenedesmus obliquus BR003. Os resultados apontaram eficiências de captura acima de 99% paras colunas em condições fora do equilíbrio. Foram determinadas as razões L/G mínimas para evitar a condição de equilíbrio (saturação) de 7,13 na coluna de bolhas e 5,98 na coluna de recheio. Em condições de não saturação, o coeficiente volumétrico de transferência de massa (kLa) das colunas foi calculado como 13,37 h- 1 para a coluna de bolhas e 20,70 h-1 para a coluna de recheio. A altura de unidade de transferência da coluna de recheio (HTU) calculada foi de 0,227 m. A determinação desses parâmetros permite o dimensionamento adequado de futuros sistemas. Cultivos de microalgas também foram realizados com os dois tipos de sistema de captura, e foi feita uma comparação quantitativa e qualitativa com base nos resultados obtidos. A produtividade e facilidade de instalação e manutenção foram vantagens apresentadas pela coluna de bolhas, enquanto a eficiência de captura e facilidade de operação se destacaram na coluna de recheio. As colunas de absorção otimizadas se mostraram eficientes para utilização em cultivo de microalgas e contribuíram com o desenvolvimento e aplicação de tecnologias de captura de carbono em cultivos fotoautotróficos. Palavras-chave: coluna de absorção; eficiência; taxa de absorção; Scenedesmus obliquus BR003.Mass transfer of carbon dioxide (CO2) from gaseous effluents to the cultivation of microalgae and cyanobacteria is a limiting factor in the use of these microorganisms to mitigate emissions from point sources, as it limits capture efficiency. The aim of this study was to develop an effiient CO2 capture system through absorption columns that can be used in large-scale cultivation. Bubble columns and packed columns were investigated in this work, in which the discrete phases are the gas and cultivation medium, respectively. To develop the columns, operational parameter optimization techniques were applied at bench scale, followed by evaluation of the optimal conditions in pilot-scale cultivation, which provided data for calculating parameters to enable the design of future systems. The methodology used in the optimization tests consisted of neutralizing an alkaline solution with flue gas containing CO2 at concentrations typical of point source emissions and determining the absorption rate and CO2 capture efficiency. Bench-scale experiments were carried out following a central composite rotational design, in which the liquid (L) and gas (G) flow rates, the diameter and type of column were the study factors, and the absorption rate and CO2 capture efficiency were the response variables. Absorption rate increased with higher liquid and gas flow rates but decreased with increasing column diameter. Capture efficiency, however, increased with higher liquid flow rate, lower gas flow rate, and smaller diameter. The effects of reduced absorption rate and efficiency with increasing diameter were smaller in the packed column. The absorption columns were evaluated on a pilot scale cultivation of the microalga Scenedesmus obliquus BR003. Results indicated capture efficiencies above 99% for the columns under non-equilibrium conditions. Minimum L/G (liquid-to-gas) ratios to avoid equilibrium (saturation) occurring in the columns were determined as 7,13 for the bubble column and 5,98 for the packed column. Under non-equilibrium conditions, the volumetric mass transfer coefficient (kLa) was calculated as 13,37 h-1 for the bubble column and 20,70 h-1 for the packed column. The height of a transfer unit (HTU) for the packed column was 0,227 m. These parameters allows proper design of columns for future capture systems. Microalgae cultivations were also carried out using both types of capture system, and the results were compared quantitatively and qualitatively. Productivity and ease of installation and maintenance were advantages presented by the bubble column, while capture efficiency and ease of operation stood out in the packed column. The optimized absorption columns proved to be efficient for use in microalgae cultivation and contributed to the development and application of carbon capture technologies in photoautotrophic cultures. Keywords: absorption column; efficiency; absorption rate; Scenedesmus obliquus BR003.