Produção e refino de bio-óleo de microalgas visando a remoção de nitrogênio e transformação em combustível sustentável de aviação: avaliação técnica, econômica e ambiental

Abstract

A biomassa de microalgas cultivada em águas residuárias apresenta elevado potencial para aplicação em rotas tecnológicas sustentáveis voltadas à produção de biocombustíveis avançados. O presente estudo avaliou a produção e o refino de bio- óleo de microalgas visando à obtenção de combustível sustentável de aviação (SAF) através da superação do gargalo da remoção de compostos nitrogenados. Inicialmente, a biomassa microalgal produzida em mistura de águas residuárias domésticas e industriais foi convertida em bio-óleo por meio do processo de liquefação hidrotérmica (LHT), apresentando rendimentos de 20% (em base seca). O bio-óleo bruto indicou poder calorífico superior (PCS) de aproximadamente 40 MJ kg1, contendo teores de nitrogênio (N), enxofre (S) e oxigênio (O) de 6 %, 1 % e 4 %, respectivamente. No refino, investigou-se o hidrotratamento catalítico focado na remoção de N, via hidrodesnitrogenação (HDN) utilizando catalisadores bimetálicos de níquel-rutênio (NiRu) suportados em diferentes materiais. Com o intuito de selecionar o sistema catalítico mais eficiente, realizou-se primeiramente uma triagem utilizando o indol (C8H7N), principal composto nitrogenado recalcitrante, como molécula modelo. O catalisador NiRu/Al2O3 apresentou o melhor desempenho na conversão da molécula modelo e foi posteriormente aplicado ao hidrotratamento do bio-óleo real, promovendo uma redução de 13 % no teor de N, 100 % de O e 13 % de S, um aumento de 22 % na razão H/C e melhoria nas propriedades energéticas do combustível. Paralelamente, a simulação do processo em escala industrial indicou um preço mínimo de venda do combustível (PMVC) de 12,36 USD/GGE. Os custos foram influenciados significativamente pelo sistema de tratamento de efluentes (63,7 % do CAPEX) e pelo elevado consumo de hidrogênio (67,3 % do OPEX). A avaliação do ciclo de vida demonstrou benefícios ambientais, com a rota atuando como dreno de carbono (impacto de -7,5 em aquecimento global) e apresentando reduções em categorias como eutrofização de águas doces (-13,5) e escassez de recursos minerais (-7,1). Conclui-se que a integração entre cultivo em efluentes, LHT e hidrotratamento catalítico constitui uma rota tecnicamente viável, sendo a remoção catalítica de nitrogênio a etapa crítica para a consolidação tecnológica do processo. Palavras-chave: Microalgas cultivadas em efluentes; liquefação hidrotérmica; hidrodesnitrogenação; combustível sustentável de aviação; viabilidade técnicoeconômica; avaliação do ciclo de vida.Microalgae biomass cultivated in wastewater presents high potential for application in sustainable technological routes aimed at the production of advanced biofuels. This study evaluated the production and refining of microalgae bio-oil aiming at obtaining sustainable aviation fuel (SAF) by overcoming the bottleneck of nitrogen compound removal. Initially, microalgal biomass produced in a mixture of domestic and industrial wastewater was converted into bio-oil through the hydrothermal liquefaction (LHT) process, showing yields of 20% (on a dry basis). The crude bio-oil indicated a higher heating value (HHV) of approximately 40 MJ kg1, containing nitrogen (N), sulfur (S), and oxygen (O) contents of 6%, 1%, and 4%, respectively. In refining, catalytic hydrotreating focused on N removal via hydrodenitrogenation (HDN) using nickel- ruthenium (NiRu) bimetallic catalysts supported on different materials was investigated. To select the most efficient catalytic system, a screening was first performed using indole (C8H7N), the main recalcitrant nitrogen compound, as a model molecule. The NiRu/Al2O3 catalyst showed the best performance in converting the model molecule and was subsequently applied to the hydrotreating of real bio-oil, promoting a 13% reduction in N content, 100% in O, and 13% in S, a 22% increase in the H/C ratio, and improved fuel energy properties. In parallel, simulation of the process on an industrial scale indicated a minimum selling price of the fuel (PMVC) of USD 12.36/GGE. Costs were significantly influenced by the wastewater treatment system (63.7% of CAPEX) and high hydrogen consumption (67.3% of OPEX). Life cycle assessment demonstrated environmental benefits, with the route acting as a carbon sink (-7.5 impact on global warming) and showing reductions in categories such as freshwater eutrophication (-13.5) and mineral resource scarcity (-7.1). It is concluded that the integration of wastewater cultivation, LHT, and catalytic hydrotreatment constitutes a technically viable route, with catalytic nitrogen removal being the critical step for the technological consolidation of the process. Keywords: Microalgae cultivated in wastewater; hydrothermal liquefaction; hydrodenitrogenation; sustainable aviation fuel; techno-economic feasibility; life cycle assessment.