Produção de biogás a partir da co-digestão de resíduos da geração de energia

Aplicações de microalgas tem tornado esses micro-organismos importantes em pesquisas com fins tanto comerciais como energéticos. A biofixação de CO2 por microalgas é vista como uma forma economicamente viável e ambientalmente sustentável para mitigar as emissões de CO2 e geração de biomassa para obtenção de bioprodutos de alto valor agregado como os biocombustíveis. Na digestão anaeróbia da biomassa de microalgas a adição de um cosubstrato rico em carbono pode facilitar o processo de produção de biogás. O glicerol possui alta concentração de carbono orgânico e é solúvel em água. Neste sentido, a combinação de ambos os substratos pode solucionar um dos principais problemas para o processo de digestão, que reside no equilíbrio da razão (C/N). Co-digestão anaeróbia consiste na digestão anaeróbia de uma mistura de dois ou mais substratos com composições complementares. O objetivo do estudo foi avaliar a geração de biogás através da co-digestão anaeróbia de biomassa de Spirulina sp. LEB 18 e glicerol bruto. Para a realização do estudo foram construídos e operados sete biorreatores com volume útil de 1,5 L, alimentados com 5, 6, 10, 15 e 20 g.L -1 da mistura de biomassa de Spirulina e glicerol. A adição de diferentes quantidades de glicerol (5 e 10 g.L -1 ) foi utilizada como um suplemento na digestão anaeróbia em sistema de batelada. A razão C/N variou de 3,3×103 a 23,7. Os ensaios foram realizados a 35 °C, em reatores equipados com sistema de coleta de gás, alimentação e retirada do efluente líquido, operados em batelada sequencial. O efluente líquido dos reatores foi analisado quanto ao pH, nitrogênio amoniacal e alcalinidade. O volume de biogás produzido diariamente foi medido em gasômetro de frasco invertido. Em todos os ensaios, os valores médios de pH variaram de 7,0 a 7,3 e nitrogênio amoniacal de 62,02 a 1100,99 mg.L-1 . A alcalinidade do efluente variou entre 1133,37 e 3578,98 mg.L-1 CaCO3. Em todos os ensaios com adição de glicerol houve incremento na produção específica de biogás (0,16 – 0,24 d -1 ) quando comparado ao ensaio em que somente biomassa microalgal era alimentada no processo (0,03 L.d-1 ), demonstrando ser esta uma alternativa interessante para a produção de biocombustível e concomitante agregação de valor ao glicerol residual da produção de biodiesel.

Extração e caracterização dos lipídeos da microalga Chlorella pyrenoidosa visando à produção de ésteres graxos

A produção de biodiesel a partir do óleo de microalgas tem sido demonstrada na literatura usando rotas convencionais, que envolvem a extração dos lipídeos seguida pela sua conversão para ésteres graxos. A extração de lipídeos a partir da biomassa microalgal é uma etapa importante do processo global de produção de biodiesel. Este trabalho teve como objetivo determinar o teor de lipídeos da Chlorella pyrenoidosa bem como o perfil graxo dos diferentes extratos lipídicos. Os métodos de extração utilizados envolveram o uso de ultrassom, agitação magnética e soxhlet na presença dos solventes: clorofórmio:metanol (2:1 v/v) (método de Bligh & Dyer), metanol, clorofórmio, etanol e hexano. Os melhores resultados foram obtidos a partir do método com agitação magnética utilizando clorofórmio:metanol 2:1 (v/v), onde foram extraídos em média de 20 % de lipídeos totais seguido de metanol (17 %), clorofórmio (10,5 %), etanol (7,8 %) e hexano (1,15 %). A presença dos ácidos graxos 14:0, 16:0, 18:1, 18:0, 18:2 e 18:3 foram confirmados pelas análises de cromatografia gasosa. A partir das frações lipídicas extraídas foram realizadas as reações para obtenção dos ésteres graxos utilizando temperatura de 60°C por 4h na presença de 3% de H2SO4 em relação à massa de lipídeos. Os extratos lipídicos foram obtidos usando 100 g de biomassa seca. A partir das frações extraídas com clorofórmio:metanol 2:1 (v/v), metanol e etanol foram produzidos em média 6,40g, 8,98g, 6,98g de ésteres graxos, respectivamente.

Catalytic dehydration of glycerol to acrolein: catalysts and processes

The valorization of glycerol has been widely studied notably due to the oversupply of the latter from biodiesel production. Among the different upgrading reactions, dehydration to acrolein is of high interest due to the importance of acrolein as an intermediate for polymer industry (via acrylic acid) and for feed additive (synthon for DL-methionine). It is known that acrolein can be obtained by glycerol catalytic dehydration over acid catalysts. Zeolites and heteropolyacid catalysts are initially highly active, but deactivate rapidly with time on stream by coking, whilst mixed metal oxides are more stable catalytic systems but less selective and in addition they require an activation period. In this talk, the strategy we followed is described. It consisted in a parallel approach in which we developed supported heteropolyacid-based catalysts with increased stability and acrolein selectivity by using a ZrO2-grafted SBA-15 playing the role of the support for silico-tungstic acid active phase, as well as a new concept based on a two zones fluidized bed reactor (TZFBR) to tackle the unavoidable deactivation issue of the HPA catalysts. This type of reactor comprises – in one single capacity – reaction and regeneration zones. In the second part of the lecture the REALCAT platform was introduced. REALCAT (French acronym standing for ‘Advanced High-Throughput Technologies Platform for Biorefineries Catalysts Design’) is an highly integrated platform devoted to the acceleration of innovation in all the fields of industrial catalysis with an emphasis on emergent biorefinery catalytic processes. In this extremely competitive field, REALCAT consists in a versatile High-Throughput Technologies (HTT) platform devoted to innovation in heterogeneous, homogeneous or biocatalysts AND their combinations under the ultra-efficient very novel concept of hybrid catalysis.

Estudo da gasificação do glicerol em reator de leito fixo

As metas da União Europeia para 2020 em termos de biocombustíveis e biolíquidos traduziram-se, na última década, num destaque da indústria de biodiesel em Portugal. Inerente ao processo de produção biodiesel está um subproduto, o glicerol bruto, cujo estudo tem vindo a ser alvo de interesse na comunidade científica. O objetivo principal deste trabalho consistiu no estudo da gasificação do glicerol técnico e do glicerol bruto, usando vapor como agente oxidante. Pretendeu-se avaliar a composição do gás de produção obtido e os parâmetros de gasificação, como a percentagem de conversão de carbono e de hidrogénio, o rendimento de gás seco, a eficiência de gás frio e o poder calorífico do gás produzido. No estudo da gasificação do glicerol técnico avaliou-se o efeito da temperatura na performance do processo, entre 750 – 1000 ºC, e estudou-se ainda o efeito do caudal de alimentação ao reator (3,8 mL/min, 6,5 mL/min e 10,0 mL/min). Para o caudal mais baixo, estudou-se o efeito da razão de mistura glicerol/água (25/75, 40/60, 60/40 e 75/25) e para a razão de mistura 60/40 foi avaliada a influência da adição de ar como agente gasificante. O estudo da gasificação do glicerol bruto foi feito realizando ensaios de gasificação numa gama de temperaturas de 750 ºC a 1000 ºC, para uma razão de mistura glicerol/água (60/40) com o caudal de 3,8 mL/min e usando apenas vapor de água como agente de gasificação. Os ensaios foram realizados num reator de leito fixo de 500 mm de comprimento e 90 mm de diâmetro interno, composto por um leito de alumina com partículas de 5 mm de diâmetro. O aquecimento foi realizado com um forno elétrico de 4 kW. A amostra de gás de produção recolhida foi analisada por cromatografia gasosa com detector de termocondutividade. Os resultados obtidos na gasificação do glicerol técnico, revelaram que a temperatura é uma variável preponderante no desempenho do processo de gasificação. À exceção do poder calorífico superior, para o qual se obteve uma ligeira diminuição de valores com o aumento da temperatura, os valores mais elevados dos parâmetros de gasificação foram obtidos para temperaturas superiores a 900 ºC. Esta temperatura parece ser determinante no modelo cinético de gasificação do glicerol, condicionando a composição do gás de produção obtido. Concluiu-se ainda que, na gama de caudais testada, o caudal de alimentação ao reator não teve influência no processo de gasificação. Os ensaios realizados para avaliar o efeito da razão de mistura permitiram verificar que, o aumento da adição de água à alimentação se traduz na redução do teor de CO e de CH4 e no aumento do teor de H2 e CO2, no gás de produção. Para a razão de mistura 25/75 foram obtidos valores de 1,3 para o rácio H2/CO para temperaturas superiores a 900 ºC. A influência da adição de água tornou-se mais evidente nos ensaios de gasificação realizados a temperaturas superiores a 900 ºC. Verificou-se um aumento da conversão de carbono, do rendimento de gás seco e da eficiência do gás frio e uma ligeira diminuição do poder calorífico e da potência disponível, no gás de produção. Para as razões de misturas 60/40 e 40/60 obtiveram-se resultados, para os parâmetros de gasificação, da mesma ordem de grandeza e com valores intermédios entre os obtidos para as razões de mistura 25/75 e 75/25. Porém, quanto maior o teor de água alimentado maior o consumo de energia associado à vaporização da água. Assim, o aumento do teor de água na mistura só apresentará interesse industrial se o objetivo passar pela produção de hidrogénio. Quanto ao efeito da adição de ar como agente de gasificação, os resultados obtidos dão indicação que se poderão potenciar algumas reações exotérmicas que contribuirão para a redução do consumo energético global do processo. Por outro lado, o gás de produção apresentou um rácio H2/CO interessante do ponto de vista da sua aplicação industrial, superior em 35 % ao verificado para a gasificação efetuada apenas na presença de vapor. À exceção do decréscimo no valor do poder calorífico superior do gás de produção, os restantes parâmetros estudados apresentaram a mesma ordem de grandeza, dos obtidos para o estudo da mesma razão de mistura na ausência de ar. Relativamente ao estudo da gasificação do glicerol bruto, obtiveram-se valores de rácio H2/CO e eficiência de gás frio mais elevados que os valores obtidos para a mesma razão de mistura usando glicerol técnico. Os demais parâmetros de gasificação avaliados mostraram-se semelhantes entre as duas matérias-primas, verificando-se apenas uma ligeira diminuição no valor do poder calorífico superior do gás produzido com glicerol bruto. Os resultados obtidos demonstram a possibilidade de valorização energética do glicerol bruto resultante da produção de biodiesel.

Production of biodiesel from the resources endogeneous of Timor Leste

Os biocombustíveis têm estado na linha da frente das políticas energéticas mundiais visto que as suas vantagens conseguem colmatar as incertezas e resolver alguns dos problemas associados aos combustíveis fósseis. O biodiesel tem provado ser um combustível muito fiável, alternativo ao petrodiesel. É uma mistura de ésteres alquílicos produzidos a partir de óleos vegetais e gorduras animais através de uma reacção de transesterificação. Como combustível, o biodiesel é economicamente viável, socialmente responsável, tecnicamente compatível e ambientalmente amigável. O principal desafio associado ao seu desenvolvimento tem a ver com a escolha de matéria-prima para a sua produção. Nos países do terceiro mundo, óleos alimentares são mais importantes para alimentar pessoas do que fazer funcionar carros. Esta tese tem como objectivos produzir/processar biodiesel a partir de recursos endógenos de Timor-Leste e medir/prever as propriedades termodinâmicas do biodiesel, a partir das dos esteres alquílicos. A síntese do biodiesel a partir dos óleos de Aleurites moluccana, Jatropha curcas e borras de café foram aqui estudados. As propriedades termodinâmicas como densidade, viscosidade, tensão superficial, volatilidade e velocidade do som também foram medidas e estimadas usando modelos preditivos disponíveis na literatura, incluindo as equações de estado CPA e soft-SAFT. Timor-Leste é um país muito rico em recursos naturais, mas a maioria da população ainda vive na pobreza e na privação de acesso a serviços básicos e condições de vida decentes. A exploração de petróleo e gás no mar de Timor tem sido controlado pelo Fundo Petrolífero. O país ainda carece de electricidade e combustíveis que são cruciais para materializar as políticas de redução da pobreza. Como solução, o governo timorense criou recentemente o Plano Estratégico de Desenvolvimento a 20 anos cujas prioridades incluem trazer o desenvolvimento do petróleo do mar para a costa sul de Timor-Leste e desenvolver as energias renováveis. É neste último contexto que o biodiesel se insere. O seu desenvolvimento no país poderá ser uma solução para o fornecimento de electricidade, a criação de empregos e sobretudo o combate contra a pobreza e a privação. Para ser usado como combustível, no entanto, o biodiesel deve possuir propriedades termodinâmicas coerentes com as especificadas nas normas da ASTM D6751 (nos Estados Unidos) ou EN 14214 (na Europa) para garantir uma adequada ignição, atomização e combustão do biodiesel no motor.

Utilization of biodiesel-derived glycerol or xylose for increased growth and lipid production by indigenous microalgae

The use of industrial wastes rich in mineral nutrients and carbon sources to increase the final microalgal biomass and lipid yield at a low cost is an important strategy to make algal biofuel technology viable. Using strains from the microalgal collection of the Université de Montréal, this report shows for the first time that microalgal strains can be grown on xylose, the major carbon source found in wastewater streams from pulp and paper industries, with an increase in growth rate of 2.8 fold in comparison to photoautotrophic growth, reaching up to µ=1.1/day. On glycerol, growth rates reached as high as µ=1.52/day. Lipid productivity increased up to 370% on glycerol and 180% on xylose for the strain LB1H10, showing the suitability of this strain for further development for biofuels production through mixotrophic cultivation.

Biorefinery development through utilization of biodiesel industry by-products as sole fermentation feedstock for 1,3-propanediol production

Rapeseed meal (RSM) hydrolysate was evaluated as substitute for commercial nutrient supplements in 1,3-propanediol (PDO) fermentation using the strain Clostridium butyricum VPI 1718. RSM was enzymatically converted into a generic fermentation feedstock, enriched in amino acids, peptides and various micro-nutrients, using crude enzyme consortia produced via solid state fermentation by a fungal strain of Aspergillus oryzae. Initial free amino nitrogen concentration influenced PDO production in batch cultures. RSM hydrolysates were compared with commercial nutrient supplements regarding PDO production in fed-batch cultures carried out in a bench-scale bioreactor. The utilization of RSM hydrolysates in repeated batch cultivation resulted in a PDO concentration of 65.5 g/L with an overall productivity of 1.15 g/L/h that was almost 2 times higher than the productivity achieved when yeast extract was used as nutrient supplement.

Synergistic effect in the catalytic activity of lipase Rhizomucor miehei immobilized on zeolites for the production of biodiesel

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Production of biodiesel by esterification of palmitic acid over mesoporous aluminosilicate Al-MCM-41

Biodiesel has been obtained by esterification of palmitic acid with methanol, ethanol and isopropanol in the presence of Al-MCM-41 mesoporous molecular sieves with Si/Al ratios of 8.16 and 32. The catalytic acids were synthesized at room temperature and characterized by atomic absorption spectrometry (AAS), thermal analysis (TG/DTA), X-ray diffraction (XRD), nitrogen absorption (BET/BJH), infrared spectroscopy (IR), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The reaction was carried out at 130 degrees C whilst stirring at 500 rpm, with an alcohol/acid molar ratio of 60 and 0.6 wt% catalyst for 2 h. The alcohol reactivity follows the order methanol > ethanol > isopropanol. The catalyst Al-MCM-41 with ratio Si/Al = 8 produced the largest conversion values for the alcohols studied. The data followed a rather satisfactory approximation to first-order kinetics. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Life cycle assessment of sugarcane ethanol and palm oil biodiesel joint production

Sugarcane (Saccharum spp.) and palm tree (Elaeis guianeensis) are crops with high biofuel yields, 7.6 m(3) ha (1) y(-)1 of ethanol and 4 Mg ha(-1) y(-1) of oil, respectively. The joint production of these crops enhances the sustainability of ethanol. The objective of this work was comparing a traditional sugarcane ethanol production system (TSES) with a joint production system (JSEB), in which ethanol and biodiesel are produced at the same biorefinery but only ethanol is traded. The comparison is based on ISO 14.040:2006 and ISO 14044:2006, and appropriate indicators. Production systems in Cerrado (typical savannah), Cerradao (woody savannah) and pastureland ecosystems were considered. Energy and carbon balances, and land use change impacts were evaluated. The joint system includes 100% substitution of biodiesel for diesel, which is all consumed in different cropping stages. Data were collected by direct field observation methods, and questionnaires applied to Brazilian facilities. Three sugarcane mills situated in Sao Paulo State and one palm oil refinery located in Para State were surveyed. The information was supplemented by secondary sources. Results demonstrated that fossil fuel use and greenhouse gas emissions decreased, whereas energy efficiency increased when JSEB was compared to TSES. In comparison with TSES, the energy balance of JSEB was 1.7 greater. In addition, JSEB released 23% fewer GHG emissions than TSES. The ecosystem carbon payback time for Cerrado, Cerradao, and Degraded Grassland of JSEB was respectively 4, 7.7 and -7.6 years. These are typical land use types of the Brazilian Cerrado region for which JSEB was conceived. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Production of biodiesel from animal fat using supercritical ethanol

Biodiesel is currently produced from a catalytic transesterification reaction of various types of edible and non-edible oil with methanol. The use of waste animal tallow instead of edible oils opens a route to recycle this waste. This material has the advantage of lower costs but the problem of high content of free fatty acids, becoming necessary a pre-esterification reaction that increases the cost of the catalytic process. The production of biodiesel using supercritical alcohols is appropriate for materials with high acidity and water content, therefore the use of this process with animal fat is a promising alternative. Ethanol has been used because it can be produced from biomass via fermentation resulting in a complete renewable biodiesel, instead of methanol that derives from fossil feedstocks. Two different processes have been studied: first, the direct transesterification of animal fat using supercritical ethanol and second a two-step process where the first step is a hydrolysis of the animal fat and the second step is the esterification of the resulting fatty acids. The temperature, the molar ratio ethanol:fat and the time have been modified in the different reactions to study the effect in the final conversion and the degradation of the unsaturated fatty acid esters, main inconvenient of these high temperature and pressure processes.