Validação experimental e otimização de um modelo matemático de sistema de fixação de emissões por cultivo de microalgas em fotobiorreatores industriais

Abstract

Resumo: O presente trabalho apresenta o desenvolvimento, ajuste e validação de um modelo matemático para o processo de fixação de gases poluentes gerados na combustão de diesel em um gerador. Foi utilizado o Método de Elementos de Volume (MEV) para os processos de transferência de massa dos gases CO2, NO2 e SO2 e fixação pela biomassa das microalgas. O desenvolvimento desse estudo foi conduzido em conjunto com a aluna de mestrado Johana Guadalupe Blanco Martinez. Os experimentos foram realizados pelo período de 10 dias em fotobiorreator (FBR) industrial de tubos transparentes de 2,6 m3 de volume e os gases foram submetidos a uma coluna de troca gasosa de 9 m de altura e diâmetro de 0,384m. Foi utilizada a microalga da espécie Tetradesmus obliquus para o biotratamento. O modelo desenvolvido foi validado e se mostrou representativo para os dados e condições testados. Pôde-se observar que os gases estudados foram biofixados e não inibiram o crescimento das microalgas, que atingiram sua maior produção de biomassa (0,68 g.L-1) no dia 7 dos experimentos. Portanto, a utilização de microalgas como agentes biorremediadores de gases de exaustão se mostrou alternativa viável no controle de emissões. O regime permanente de tratamento dos gases foi atingido após 6 horas. O modelo validado demonstra potencial para uso em simulação, controle, projeto e otimização de sistemas com características similares ao apresentado nesse trabalho. Através de análise paramétrica também foi possível realizar a otimização do modelo. A maior eficiência de tratamento das emissões foi atingida com vazão volumétrica de gases de 30000 L.h-1 e coeficiente de transferência de massa 1. Já o máximo de produção de biomassa foi atingido a uma vazão de 1500 L.h-1 de cultivo na coluna de fixação. Palavras-chave: microalgas, emissões, modelagem matemática, combustão

Abstract: The present work presents the development, adjustment and validation of a mathematical model for the process of fixation of polluting gases generated in the combustion of diesel in a generator. The Volume Element Method (MEV) was used for the mass transfer processes of the CO2, NO2 and SO2 gases and fixation by the microalgae biomass. The experiments were carried out for 11 days in an industrial photobioreactor (FBR) of transparent tubes of 2.6 m3 volulme and the gases were submitted to a gas exchange column of 9 m high and diameter of 0.384 m. The microalgae of the species Tetradesmus obliquus were used for the biotreatment. The developed model was validated and proved to be representative for the data and conditions tested. It was observed that the studied gases were biofixed and did not inhibit the growth of microalgae, which reached their highest biomass production (0.68 g.L-1) on day 7 of the experiments. Therefore, the use of microalgae as exhaust gas bioremediation agents has proved to be a viable alternative in the control of emissions. The permanent gas treatment regimen was reached after 6 hours. The validated model demonstrates potential for use in simulation, control, design and optimization of systems with similar characteristics to that presented in this work. Through parametric analysis it was also possible to perform the optimization of the model. The highest treatment efficiency of the emissions was achieved with volumetric gas flow of 30000 Lh-1 and mass transfer coefficient 1. The maximum biomass production was reached at a flow rate of 1500 Lh-1 of culture in the fixation column. Keywords: microalgae, emissions, mathematical modeling, combustion