Desenvolvimento do processo de extração e destilação do óleo bruto de microalgas para produção de hidrocarbonetos (green diesel)

Abstract

Resumo: É crucial reconhecer que a dependência contínua de combustíveis fósseis é extremamente insustentável devido às graves restrições ambientais associadas a todo o ciclo de vida desses combustíveis. Dessa maneira, as microalgas surgem como uma fonte promissora para produzir biomassa devido a várias aplicações que podem oferecer. Os biocombustíveis produzidos a partir da biomassa são recursos energéticos mais viáveis, renováveis e alternativos. Nesse contexto os hidrocarbonetos, tais como alcanos e alcenos, são particularmente atrativos devido ao seu potencial como biocombustíveis. Com base na revisão bibliográfica apresentada, esse trabalho possui o objetivo avaliar o processo de extração e destilação do óleo de microalgas para produção de hidrocarbonetos. A espécie de microalga utilizada neste trabalho foi Tetradesmus obliquus e foi cultivada em FBR compacto de 12 m3 de volume. A metodologia de extração foi com solventes orgânicos, pois demonstrou alta seletividade e solubilidade na extração dos lipídios das microalgas. A separação dos compostos ocorre através da destilação. Foram realizados quatro experimentos para a extração do óleo e destilação (em triplicata cada experimento) usando uma combinação de solventes e um único solvente orgânico. A extração com hexano apresentou um rendimento percentual menor em comparação a extração com uma mistura de solventes, com valores de 1,66 ± 0,10 % para o hexano puro e 6,06 ± 0,33 %, 6,50 ± 0,13 % e 8,25 ± 0,11 % para a mistura de solventes. O rendimento da destilação foi de 0,57 ± 0,01 % para o hexano e 50,77 ± 2,70 %, 40,54 ± 2,11 % e 50,12 ± 3,56 % para a mistura de solventes. A análise por CG-EM foi conduzida para identificar e quantificar os compostos presentes no óleo da microalga. Verificou-se que a condição 2 [50-50] apresentou a maior quantidade de alcanos 62,39 ± 29,63 %, enquanto a condição 3 [100] resultou na menor quantidade 28,14 ± 8,70 %. Esses resultados sugerem que a proporção do solvente utilizado na extração afeta a produção de alcanos. Por fim foram analisados parâmetros físico-químicos, os valores de poder calorífico do diesel 42 - 45,77 MJ/kg estão dentro da faixa dos valores dos poderes caloríficos superiores e inferiores das amostras de óleo destilado PCS: 41,85 ± 0,97 MJ/kg e PCI: 38,59 ± 1,06 MJ/kg para a condição 1 [70-30] e PCS: 43,50 ± 0,73 MJ/kg e PCI: 39,99 ± 0,85 MJ/kg para a condição 2 [50-50]. As amostras de óleo destilado apresentam níveis significativamente mais altos de enxofre em comparação com o diesel, demonstrando a necessidade de processo de remoção como a hidrodessulfurização (HDS). Observou-se que a faixa de composição de hidrogênio do diesel de petróleo 13,32 % - 15,26 % são similares à composição estimada de hidrogênio nas amostras de óleo destilado 15,01 % em massa. Isso sugere que tanto o óleo de microalgas quanto as amostras diesel de petróleo possuem uma proporção semelhante de hidrogênio em relação à sua massa total. Dessa maneira, o processo de produção e extração em escala piloto do óleo de microalgas para a produção de hidrocarbonetos mostra-se promissor, uma vez que é possível purificar esses compostos e obter informações relevantes para uso futuro.

Abstract: It is crucial to recognize that the continuous dependence on fossil fuels is extremely unsustainable due to the severe environmental constraints associated with the entire lifecycle of these fuels. In this way, microalgae emerge as a promising source for biomass production due to various applications they can offer. Biofuels produced from biomass are more viable, renewable, and alternative energy resources. In this context, hydrocarbons such as alkanes and alkenes are particularly attractive due to their potential as biofuels. Based on the presented literature review, this study aims to evaluate the extraction and distillation process of microalgae oil for hydrocarbon production. The microalgae species used in this study was Tetradesmus obliquus and it was cultivated in a compact 12 m3 volume FBR. The extraction methodology used organic solvents, as they demonstrated high selectivity and solubility in extracting lipids from microalgae. Compound separation occurs through distillation. Four experiments were performed for oil extraction and distillation (in triplicate for each experiment) using a combination of solvents and a single organic solvent. Hexane extraction showed a lower percentage yield compared to the extraction with a solvent mixture, with values of 1.66 ± 0.10 % for pure hexane and 6.06 ± 0.33 %, 6.50 ± 0.13 %, and 8.25 ± 0.11 % for the solvent mixture. The distillation yield was 0.57 ± 0.01 % for hexane and 50.77 ± 2.70 %, 40.54 ± 2.11 %, and 50.12 ± 3.56 % for the solvent mixture. GC-MS analysis was conducted to identify and quantify the compounds present in the microalgae oil. It was found that condition 2 [50-50] had the highest number of alkanes, 62.39 ± 29.63 %, while condition 3 [100] resulted in the lowest amount, 28.14 ± 8.70 %. These results suggest that the proportion of the solvent used in extraction affects the production of alkanes. Finally, physicochemical parameters were analyzed, and the heating values of diesel, 42-45.77 MJ/kg, fall within the range of higher and lower heating values of the distilled oil samples, HHV: 41.85 ± 0.97 MJ/kg and LHV: 38.59 ± 1.06 MJ/kg for condition 1 [70-30], and HHV: 43.50 ± 0.73 MJ/kg and LHV: 39.99 ± 0.85 MJ/kg for condition 2 [50-50]. The distilled oil samples have significantly higher sulfur levels compared to diesel, indicating the need for a removal process like hydrodesulfurization (HDS). It was observed that the hydrogen composition range of petroleum diesel, 13.32 % - 15.26 %, is like the estimated hydrogen composition in the distilled oil samples, 15.01 % by mass. This suggests that both microalgae oil and petroleum diesel samples have a similar proportion of hydrogen relative to their total mass. Thus, the pilot-scale production and extraction process of microalgae oil for hydrocarbon production show promise, as it is possible to purify these compounds and obtain relevant information for future use.