Efeito da filtração tangencial associada à floculação na separação de microalgas Tetradesmus obliquus

Abstract

Resumo: O mercado mundial de microalgas é considerado emergente, com expectativa de crescimento de 10% ao ano. Suas aplicações abrangem a indústria de produtos químicos, nutricionais, farmacêuticos e de biocombustíveis. Características como rápido crescimento e alto teor de lipídeos tornam as microalgas uma matéria prima atrativa, porém a redução de custos e aprimoramento dos processos de obtenção da biomassa ainda são desafios a serem aprimorados no desenvolvimento desta tecnologia. A separação da biomassa pode representar uma parcela muito grande dos custos de produção, por isso, o presente trabalho tem como objetivo estudar o efeito da floculação no processo de filtração tangencial de microalgas, através do fluxo crítico e das cinéticas, utilizando filtros cerâmicos de baixo custo. Foram usadas duas membranas filtrantes (M1 e M2) de material cerâmico confeccionadas por extrusão e de composições diferentes, como floculante foi usado o Tanfloc e as microalgas da espécie Tetradesmus obliquus. O desempenho das membranas foi avaliado usando experimentos de cinética com variações de concentração (20 mg.L-1 e 60 mg.L-1), pH (4 e 7) e de composição da solução (com e sem floculante). Avaliou-se ainda os mecanismos de fouling, a remoção de turbidez; o fluxo crítico pelo metodo de "stepping" para as condições de microalgas com e sem floculante na concentração de 60 mg.L-1 e pH 4. Os resultados demonstraram que os comportamentos das cinéticas foram semelhantes para as duas membranas em uma dada pressão, entretanto a redução de fluxo permeado ao longo da filtração foi menor para a membrana M1 (42 a 58%) do que para a membrana M2 (48 a 71%) usando a solução sem floculante, enquanto com adição de floculante a redução do fluxo para a M1 foi maior (41 a 53%) do que para a M2 (32 a 45%). As taxas de remoção de turbidez foram superiores a 95% nas duas membranas; o ponto crítico para a membrana M1 foi de 0,5 bar tanto para filtração de solução sem floculante quanto com floculante. Para a membrana M2 este ponto foi de 0,5 bar para a filtração da solução sem floculante, enquanto para a solução com floculante o ponto crítico não foi evidenciado. O modelo que melhor se ajustou para a formação do fouling foi o de formação de torta de filtração. Como conclusão, a adição de floculante resultou em fluxos permeados maiores nas duas membranas para uma mesma pressão; em relação ao fluxo crítico foi verificado que para a membrana M1 a operação com pressões transmembranares menores de até 0,5 bar são mais eficientes por estarem abaixo do ponto crítico evitando a incrustação irreversível. Palavras chaves: microalgas, filtração, floculação, fouling.

Abstract: The global microalgae market segment is emergent, with a growth expectancy of 10% yearly. Their applications range from chemical, nutrition, pharmaceutical to biofuels industries. Fast biomass growth and high lipid content make microalgae appealing raw materials but processing costs and improvement in biomass yield still impose challenges to their development as a viable technology. Biomass separation can represent a considerable amount of production costs and the present work aims to study flocculation effect on microalgae cross-flow filtration, trough critical flux determination and filtration kinetics, applying low-cost ceramic membranes. Two ceramic membranes (M1 and M2), with different compositions, synthesized by extrusion, a flocculant named Tanfloc and Tetradesmus obliquus microalgae were applied in experimental runs. Filtration kinetics experiments at different microalgae concentrations (20 mg.L-1 and 60 mg.L-1), pH values (4 and 7) and solution compositions (presence or absence of flocculant) were utilized to evaluate membrane performance. Fouling mechanisms, turbidity removal and critical flux analysis through the stepping method were evaluated for a microalgae concentration of 60 mg.L-1, pH equal to 4 with flocculant addition and in its absence. Results showed similar filtration kinetics behaviors for both membranes at fixed pressures, although the reduction of permeate flux over filtration time was lower for membrane M1 (42 to 58%) than for M2 (48 to 71%) in experiments without flocculant addition. Its presence lead to higher permeate flux reductions for membrane M1 (41 to 53%) than for M2 (32 to 45%). Both membranes achieved turbidity removal efficiencies higher than 95%. M1 reached critical flux at 0.5 bar with presence and absence of flocculant, while M2 also reached it at the same pressure condition when flocculant was absent, and a critical point was not identified with flocculant addition. Cake filtration model, as a fouling mechanism, achieved the best fit to the results studied. Through data analysis, it was possible to conclude that, at fixed pressures, flocculant addition leads to higher permeate fluxes for both membranes; for M1, transmembrane pressure lower than 0.5 bar is more efficient because it leads to operation below the critical point, avoiding irreversible fouling. Keywords: microalgae, filtration, flocculation, fouling.