Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) da produção de biodiesel de microalgas cultivadas em fotobiorreatores compactos industriais

Abstract

Resumo: Este estudo avaliou a sustentabilidade do modelo de produção de biodiesel de microalgas cultivadas em fotobiorreatores (FBRs) compactos industriais no Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Energia Autossustentável (NPDEAS) utilizando a metodologia de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV). O sistema de produção foi dividido em: i) montagem dos sistemas de cultivo; ii) cultivo das microalgas; iii) recuperação da biomassa; iv) extração dos ácidos graxos e; v) conversão em biodiesel de microalgas. Em comparação aos sistemas de cultivos abertos, o FBR apresentou menores impactos quanto à acidificação (AC) em 7,18% e depleção da camada de ozônio (DCO) em 42,53%. Outra vantagem encontrada dos FBRs consiste no uso do solo, visto que nas condições avaliadas os FBRs utilizam uma área 3,4 vezes menor que os sistemas abertos para produção da mesma quantidade de biodiesel estudada (25 litros). Em relação às demais etapas analisadas, os melhores desempenhos ambientais segundo o uso dos Métodos CML 2000 e Eco-Indicator 99 consistem em: cultivo com meios alternativos em substituição aos nutrientes sintéticos, recuperação da biomassa com floculante NaOH e acoplamento de operações unitárias, extração dos ácidos graxos por saponificação e produção do biodiesel por via enzimática. As vantagens correspondem às reduções dos impactos ambientais pela substituição dos nutrientes sintéticos por efluentes da suinocultura em 60,41% para ecotoxicidade de água doce (EAD), 79,45% para ecotoxicidade de água marinha (EAM), também para o potencial de aquecimento global (PAG) e eutrofização (EU) o cultivo com efluente da suinocultura gerou um crédito deixando de emitir 1,24E+11 KgCO2eq. e 7,03E+04 KgPO4eq., ou seja, reduziu em 100% os impactos quando comparados com o nutriente sintético. Para a recuperação da biomassa, o NaOH apresentou menores emissões em praticamente todas as categorias analisadas, exceto para depleção abiótica (DA) e ecotoxicidade terrestre (ET), no entanto, foi considerado o agente floculante padrão dessas análises, uma vez que promoveu a coagulação com valores tão eficientes quanto 93,5%, apresentou o melhor perfil ambiental entre os agentes floculantes estudados, juntamente com o acoplamento de tecnologias de floculação e centrifugação para obtenção da biomassa úmida e floculação e secagem térmica para biomassa seca. Dentre os métodos de extração dos ácidos graxos avaliados, a saponificação apresentou menores emissões em praticamente todas as categorias comparado com a extração a quente, dando destaque para reduções em DA (92,35%) e DCO (93,56%). Na esterificação enzimática dos ácidos graxos obtidos por extração a quente, notou-se menores emissões em torno de 50% em todas as categorias de impacto analisadas. Em comparação aos biodieseis tradicionais como soja, palma e canola, o de microalgas apresentou um melhor perfil ambiental para as categorias toxicidade humana (TH) e EU, e quando comparado com o biodiesel de soja, também para oxidação fotoquímica (OF). Portanto, após a avaliação de todas as etapas do processo de produção de biodiesel no NPDEAS, o uso da metodologia de ACV mostrou que o biodiesel de microalgas tem potencial de apresentar um desempenho ambiental superior em comparação com algumas culturas terrestres. Além disso, os resultados deste trabalho fornecem as bases para o desenvolvimento continuado deste trabalho pelo grupo de pesquisa no NPDEAS para o aprimoramento da tecnologia para a produção de biodiesel de microalgas em escala industrial de forma sustentável.

Abstract: This study evaluated the sustainability of microalgae biodiesel production model grown in industrial compact photobioreactors (PBRs) at the Center for Research and self-sustaining Energy Development (NPDEAS) using the Life Cycle Assessment methodology (LCA). The production system has been divided into: i) farming systems mounting; ii) microalgae culturing; iii) biomass recovering; iv) fatty acids extraction and; v) conversion to biodiesel microalgae. Compared to open cultivation systems, the FBR had smaller impacts regarding to acidification (AC) in 7.18% and depletion of the ozone layer (DCO) at 42.53%. Another advantage of FBRs is found in land use, since under the evaluated conditions the FBRs use an area 3.4 times smaller than the open systems to produce the same amount of biodiesel studied (25 liters). Concerning other steps analyzed, the best environmental performance according to the use of methods CML 2000 and Eco-Indicator 99 consist of: cultivation with alternative means to replace synthetic nutrients, recovery of biomass with flocculant NaOH and coupling unit operations, extraction of fatty acids by saponification and enzymatic production of biodiesel. The benefits correspond to reductions in environmental impact by replacing the synthetic nutrients by effluent from swine farming in 60.41% for freshwater ecotoxicity (EAD), 79.45% for seawater ecotoxicity (EAM), also for the global warming potential (PAG) and eutrophication (EU) with the cultivation of swine effluent generated a credit by not emitting 1.24E+11 KgCO2eq. and 7.03E+04 KgPO4eq., i.e., reduced by 100% compared to the synthetic nutrient impacts. For the recovery of the biomass, the NaOH had lower emissions in virtually all categories examined, except for abiotic depletion (DA) and Earth ecotoxicity (ET), however, it was considered the standard flocculating agent of these analyses, since it promoted coagulation with values as efficient as 93.5%, showed the best environmental profile of the flocculating agents studied, together with the coupling of flocculation and centrifugation technologies to obtain wet biomass and flocculation and thermal drying to dry biomass. Considering the methods of the assessed fatty acids extraction, saponification had lower emissions in almost all categories compared to the hot extraction, highlighting reductions in CA (92.35%) and DCO (93.56%). In enzymatic esterification of fatty acids obtained by hot extraction, it was noted about 50% lower emissions in all impact categories analyzed. Compared to traditional biodiesels as soy, palm and canola, the microalgae showed a better environmental profile for human toxicity (TH) and EU categories, and when compared to soy biodiesel, the same for photochemical oxidation (OF). Therefore, after the evaluation of all stages of biodiesel production process in NPDEAS, the use of LCA methodology has shown that microalgae biodiesel has the potential to deliver superior environmental performance in comparison to some land crops. In addition, the results of this study provide the basis for the continued development of this work by the research group at NPDEAS in improving technology for microalgae biodiesel production on an industrial scale in a sustainable way.