Modelagem matemática de coluna de gaseificação de fotobiorreatores tubulares para cultivo de microalgas

Abstract

Resumo

Resumo: O cultivo de microalgas em fotobiorreatores fechados possibilita a obtenção de elevada produtividade de biomassa por área ocupada, melhor controle dos parâmetros de processo e controle da contaminação por outros micro-organismos, porém ainda é pouco utilizado em larga escala devido à ausência de um projeto ideal para o equipamento. O dimensionamento do fotobiorreator pode ser realizado através da modelagem matemática dos parâmetros que apresentam maior influência sobre o crescimento das microalgas: intensidade luminosa e concentrações de O2 e CO2 dissolvidos. O objetivo do presente trabalho é propor um modelo matemático para a concentração de O2 e CO2 na fase gasosa e na fase líquida da coluna de gaseificação de um fotobiorreator tubular, o compartimento do fotobiorreator no qual ocorre a transferência de massa gás-líquido. O modelo proposto considerou uma fase líquida composta de água pura, sem microalgas, mas, apesar disso, foi validado com dados experimentais da literatura, obtidos durante o cultivo de microalgas. O efeito da salinidade do meio sobre o resultado do modelo foi estudado e observou-se que, considerando meio com biomassa e salinidade próxima à da água do mar, o fornecimento de carbono pode ser de 19% a 38% menor do que o estimado considerando apenas água, dependendo da altura da coluna. Por outro lado, a remoção de O2 é pouco alterada. O efeito dos erros das estimativas do holdup do gás e do coeficiente global de transferência de massa (kLa) sobre a previsão do modelo também foi avaliado, e verificou-se que tanto o fornecimento de CO2 quanto a remoção de O2 experimentais devem ser inferiores aos valores obtidos na simulação, em até 50%. O estudo da resposta do modelo às variações dos parâmetros de processo também foi realizado. Ao simular o sistema com velocidade superficial da fase líquida maior, observou-se um aumento inicial da absorção de CO2 seguido de um declínio. Por outro lado, ao aumentar o pH, a velocidade superficial gasosa ou a fração molar de CO2 no ar de entrada, houve apenas o aumento da absorção de CO2. Em pH 7,5, a influência da temperatura foi conforme o esperado: houve redução da absorção de CO2 com o aumento da temperatura. Entretanto, para pH 9,0 e 10,5, a absorção de CO2 foi maior em temperaturas superiores, porque o aumento do kLa compensou a diminuição da solubilidade do gás. Por fim, foram feitas simulações a fim de propor modificações na atual coluna de gaseificação do fotobiorreator do Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento em Energia Auto-Sustentável (NPDEAS) e, assim, obter maior produtividade de biomassa. Nesta análise, constatou-se que, para obter a produtividade desejada no fotobiorreator do NPDEAS, de 1,5 kg m-3 dia-1, é necessário aumentar o número de colunas de gaseificação e utilizar ar enriquecido com CO2 oriundo do tri-gerador instalado na planta. Entretanto, apenas com o modelo proposto neste trabalho, não é possível realizar um dimensionamento apropriado da coluna de gaseificação. Devido às interações entre a coluna de gaseificação e o compartimento de cultivo, é necessário um modelo mais completo para o fotobiorreator, que considere pelo menos a intensidade luminosa no interior do fotobiorreator e seu efeito sobre a velocidade de crescimento da microalga.

Abstract: The cultivation of microalgae in closed photobioreactors enables high biomass productivity per occupied area, improved control of process parameters and control of contamination by other microorganisms, however, it is rarely used at large scale due to the lack of an ideal photobioreactor design. The design of a photobioreactor can be guided by a mathematical model that considers the parameters that most influence the growth of microalgae: light intensity and the concentrations of dissolved O2 and CO2. The objective of the present work is to propose a mathematical model for the O2 and CO2 concentrations in the gas and liquid phases of a gas transfer column of a tubular photobioreactor. Although the model considers a liquid phase composed of pure water, without the microalgae, it was validated using experimental literature data from algal cultures. The effect of medium salinity was studied by considering the characteristics of a sea water-based medium with biomass, and it was observed that the absorption of CO2 within the gas transfer column may be 19% to 38% less than the value estimated using the properties of pure water, depending on the height of the column. O2 removal, on the other hand, is hardly altered by the presence of salts or biomass. The effect of estimation errors in gas holdup and the global mass transfer coefficient (kLa) on the predicted results was also evaluated, and it was verified that experimental values of CO2 absorption, as well as O2 removal, may be up to 50% lower than values predicted by the model. The sensitivity of the predictions of the model to the values of key process parameters was also evaluated. With increasing values of the liquid superficial velocity, the efficiency of CO2 mass transfer first increased, but then fell. On the other hand, increases in pH, gas superficial velocity or CO2 molar fraction in the inlet gas improved CO2 mass transfer over the ranges studied. At pH 7.5, the influence of temperature was as expected: higher temperatures reduced CO2 absorption. At pH 9.0 and 10.5, however, CO2 absorption was higher at higher temperatures, because the increase in kLa more than compensated for the decrease of solubility of the gas. Finally, simulations were carried out in order to propose modifications to the current gas transfer column of the photobioreactor of the Center for Research and Development of Sustainable Energy of UFPR, aiming to achieve a productivity of 1.5 kg m-3 day-1. These analyses indicated that, in order to achieve this productivity, it is necessary to increase the number of gas transfer columns and to use air enriched with CO2 from the generator installed at the Center. However, the model developed in the current work is not a complete tool for the design of the gas transfer column: Due to the interactions between this column and the solar collector of the photobioreactor, it is necessary to develop a complete model for the photobioreactor that includes, at the very least, the light intensity in the interior of the photobioreactor and its effect on the growth rate of the microalgae.