Produção de bio-óleo e biohidrogênio a partir de microalgas cultivadas em águas residuárias

Abstract

A integração da produção de biomassa de microalgas com a geração de bio-óleo e biohidrogênio (bioH2) apresenta uma abordagem potencialmente sustentável e inovadora para energia renovável e recuperação de recursos. Este estudo abrange o cultivo de microalgas em sistemas híbridos (reatores de biofilme integrados a lagoas de alta taxas) utilizando uma mistura de efluentes industriais e domésticos para maximizar a produtividade da biomassa. Frequências de raspagem a cada 2 dias proporcionaram a maior produtividade de biomassa (18,75 g de sólidos voláteis totais m-2 d-1) e maior teor lipídico (15,45%), além de alcançar tratamento eficiente do efluente, com remoção de até 100% do nitrogênio amoniacal. A biomassa produzida foi utilizada em duas rotas de valorização. A primeira envolveu a liquefação hidrotermal (LHT) para produção de bio-óleo, com maiores produções de bio-óleo a 300°C por 30 minutos, resultando em um bio-óleo com teor de carbono de até 76,3% e poder calorífico de até 38,34 MJ kg-1. O aprimoramento com catalisadores de cobalto-molibdênio (CoMo) aumentou a presença de hidrocarbonetos de cadeia longa, como o heptadecano, destacando seu potencial como biocombustível, embora ainda seja necessário um refinamento adicional para atender aos padrões de combustível, como por exemplo, maiores remoção de compostos nitrogenados. A segunda rota explorou a produção de bioH2 por fermentação escura, precedida por um pré-tratamento hidrotérmico com fosfato de nióbio (NbP) para melhorar a fermentabilidade da biomassa. O pré-tratamento a 180°C por 10 minutos com 75% de NbP liberou 7.431 mg carboidratos totais (CHt) L-1, melhorando os rendimentos de bioH2 (1,03 mmol H2 mol-1 CHt) em comparação com a biomassa não tratada. Fermentação com pH 5,0 alcançou uma eficiência de conversão de carboidratos de 83,6%, destacando a sinergia entre o pré-tratamento e o controle de pH para uma hidrogenogênese mais eficiente. No geral, este trabalho destaca o potencial das microalgas cultivadas em efluentes como uma matéria-prima versátil para energia renovável, enfatizando a necessidade de otimização nos aspectos econômicos e ambientais para viabilizar a implementação em larga escala. Para ambas as rotas, a análise econômica revelou que a obtenção de biomassa de microalgas representa a maior parcela dos custos de produção, enquanto a análise do ciclo de vida (ACV) demonstrou que a utilização de fontes de energia renováveis nos processos é fundamental para minimizar os impactos ambientais, reforçando a necessidade de estratégias de otimização para garantir a viabilidade sustentável e econômica em larga escala. Palavras-chave: Tratamento de efluentes; Colheita de biomassa; Biocombustíveis; Liquefação hidrotérmica; Fermentação escura; Análise de viabilidadeThe integration of microalgae biomass production with bio-oil and biohydrogen (bioH2) generation presents a potentially sustainable and innovative approach to renewable energy and resource recovery. This study involves the cultivation of microalgae in hybrid systems (biofilm reactors integrated with high-rate algal ponds) using a mixture of industrial and domestic effluents to maximize biomass productivity. Scraping frequencies every two days resulted in the highest biomass productivity (18.75 g of total volatile solids m-2 d-1) and lipid content (15.45%), while also achieving efficient wastewater treatment, with up to 100% removal of ammoniacal nitrogen. The produced biomass was utilized in two valorization pathways. The first involved hydrothermal liquefaction (HTL) for bio-oil production, with the highest bio-oil yields obtained at 300°C for 30 minutes, resulting in a bio-oil with up to 76.3% carbon content and a heating value of up to 38.34 MJ kg-1. Upgrading with cobalt- molybdenum (CoMo) catalysts increased the presence of long-chain hydrocarbons, such as heptadecane, highlighting its potential as a biofuel. However, further refining is still necessary to meet fuel standards, particularly regarding the removal of nitrogenous compounds. The second pathway explored bioH2 production through dark fermentation, preceded by a hydrothermal pretreatment with niobium phosphate (NbP) to enhance biomass fermentability. Pretreatment at 180°C for 10 minutes with 75% NbP released 7,431 mg of total carbohydrates (CHt) L-1, improving bioH2 yields (1.03 mmol H2 mol-1 CHt) compared to untreated biomass. Fermentation at pH 5.0 achieved a carbohydrate conversion efficiency of 83.6%, emphasizing the synergy between pretreatment and pH control for more efficient hydrogenogenesis. Overall, this study highlights the potential of microalgae cultivated in effluents as a feedstock for renewable energy, underscoring the need for economic and environmental optimization to enable large-scale implementation. For both pathways, the economic analysis revealed that microalgae biomass obtention represents the largest share of production costs, while the life cycle assessment (LCA) demonstrated that the use of renewable energy sources in the processes is crucial to minimizing environmental impacts. This reinforces the need for optimization strategies to ensure sustainable and economically viable large-scale deployment. Keywords: Wastewater treatment; Biomass harvesting; Biofuels; Hydrothermal liquefaction; Dark fermentation; Feasibility analysis