Floculação-sedimentação de microalgas em escala piloto

Abstract

Resumo: Os biocombustíveis são importantes alternativas para substituição de combustíveis fósseis e a busca por matérias-primas para sua produção é de relevante importância no cenário atual. Dentre elas estão as microalgas, que são espécies de fácil adaptação a diversas condições e que necessitam de menor área para cultivo quando comparada às oleaginosas utilizadas na produção de biodiesel. O principal fator limitante para a produção de microalgas em larga escala é o custo envolvido no processo. Os métodos de separação das microalgas do meio de cultivo representam 20 a 30% do custo total, e a determinação das técnicas de menor custo de separação é uma etapa determinante no processo. A separação de microalgas por floculação-sedimentação é vantajosa devido ao baixo custo envolvido. Este trabalho avaliou duas variáveis importantes, concentração de alimentação e vazão de operação em um processo contínuo de floculação-sedimentação de microalgas Acutodesmus obliquus, utilizando Tanfloc como floculante do processo. Foram realizados ensaios em batelada em diferentes valores de pH (5,4, 6,0 e 7,0) e quatro modelos, que relacionam velocidade de sedimentação e concentração (vsed = f(C)), foram ajustados aos dados experimentais: Vesilind, Takács, Cole e Diehl. Exceto Cole, os demais modelos ajustaram satisfatoriamente os dados, atingindo valores de R2 superiores a 0,98, principalmente o modelo de Diehl, o qual atingiu R2 de 0,995 (pH = 5,4), 0,992 (pH = 6,0) e 0,982 (pH = 7,0) e apresentou parâmetros de baixas incertezas. Por ser um modelo de lei de potência, Diehl ajustou satisfatoriamente desde suspensões de baixa concentração (sedimentação discreta) a suspensões de concentração elevada (sedimentação com compressão). A aplicação destes modelos de batelada na teoria do fluxo limite de sólidos foi utilizada visando a prever o comportamento do sistema. Os ensaios contínuos foram feitos para diferentes vazões de alimentação (300, 600 e 1000 mL min-1) e diferentes concentrações de alimentação (0,18 a 0,76 g L-1). As melhores condições de operação previstas pelo modelo, caracterizadas quando o fluxo de entrada de sólidos é próxima ao fluxo limite, mostraram melhor desempenho nos ensaios contínuos, com remoção mais elevada de microalgas (85 a 97%) e com os perfis de lodo e clarificado indicando estabilização de concentração ao longo do tempo, comportamento não verificado em todos as demais condições de operação. Os perfis do lodo nestas condições ideais mostraram que o tempo de resposta do sistema para 300, 600 e 1000 mL min-1 foi 30, 25 e 20 minutos, respectivamente, o que indica que o tempo de resposta é mais lento para menores vazões. Na condição de sobrecarga, em C0 = 0,67 g L-1 e 1000 mL min-1 (pH = 5,4), a remoção foi a menor (26,8%), o que indica que esta condição era inadequada. A estimativa dos diâmetros também indicou que para as melhores condições de operação os valores calculados foram mais próximos do diâmetro real do sedimentador.

Abstract: Biofuels are alternative sources for replacing fossil fuels, and the search for raw materials to its production is of great importance in current scenario. Microalgae are species that survives in hard conditions and require small area compared to oleaginous used for biodiesel production. The main limiting factor for producing microalgae in large scale is the process cost. Harvesting methods represent 20 to 30% from total cost and the selection of the harvesting technique is an important step in the process. Flocculation-sedimentation is an advantageous method due to the low-cost involved. This work evaluated two important variables, fed concentration and operational flow rates in a continuous process of flocculation-sedimentation of microalgae Acutodesmus obliquus, using Tanfloc as flocculant. Batch tests were carried out in different pH conditions (5.4, 6.0 and 7.0) and four sedimentation models that relate settling velocity and concentration (vsed = f(C)) were fit to experimental data: Vesilind, Takács, Cole and Diehl. Except for Cole, all further models fit well data, achieving R2 values superior to 0.98, mainly Diehl, which achieved R2 of 0.995 (pH = 5.4), 0.992 (pH = 6.0) e 0.982 (pH = 7.0) and presented low parameters uncertainty. Because it is a power law function, Diehl has satisfactorily adjusted from low concentration suspensions (discrete sedimentation) to high concentration suspensions (compression sedimentation). The appliance of this model in theory of limit flux of solids was utilized to predict the system behavior. Continuous tests were carried out for different flow rates of feed (300, 600 e 1000 mL min-1) and different microalgae concentration (0,18 a 0,76 g L-1). Best operational conditions predicted by the flux model, when affluent flux is close to limit flux of solids, showed the best biomass removal (85 a 97%). Clarified and sludge profiles stabilized in these conditions and it was not observed in the other operational conditions. Sludge profiles in these ideal conditions showed the time response for 300, 600 e 1000 mL min-1 was 30, 25 e 20 minutes, respectively, indicating slow time response for low feed flow. In overload condition, C0 = 0,67 g L-1 and 1000 mL min-1 (pH = 5.4), biomass removal was small (26,8%), indicating that this condition was inappropriate. Diameters estimation also indicated that in these conditions the calculated diameter is close to real diameter.