Biorrefinaria de Microalgas

Transcrição

1 Biorrefinaria de Microalgas Prof. Donato A. G. Aranda, Ph. D Greentec Lab UFRJ (Federal University of Rio de Janeiro) FlRJAN, Setembro

2 Brazilian Biodiesel Program B2 mandatory at Jan/2008 (850,000 ton/year) B3 mandatory at Jul/2008 (1,300,000 ton/year) B4 mandatory at Jul/2009 (1,800,00 ton/year) B5 mandatory at Jan/2010 (2013, originaly) 67 biodiesel plants (> 8,000,000 ton/year, capacity) 43,000 gas stations providing B5 B7 2014! (4.2 million ton/year Biodiesel) B20 and B100 in some bus fleets (São Paulo, more than 3,000 buses using B20)

3 3 Direct Social Impacts ,000 small producers

4 4 Jobs ,300,000 grãos lavoura processamento transporte posto

5 Diesel Imports (Jan-Setembro) Average value: Diesel Imports 1,000,000 m 3 /month US$ 0.83/Liter R$ 1.95/Liter Fonte: Diesel importado mais caro que o Biodiesel em 2013!

6 Soot and Aromatics

7 Emissions CO2 emissions drop 65-72% in Brazilian biodiesel (LCA, Delta CO2) So far, about 25 million mton of avoided CO2 emissions Biodiesel has no sulphur!!! CO, Soot and Aromatics significantly reduced

8 Bio Jet Fuel International Aviation Organizations looking just for drop in biofuels Two main processes to obtain bio-isoparaffins: Biomass Gaseification + Fischer Tropsch + Hydroisomerization Hydrotreating Esters and Fatty Acids (HEFA)

9 Bio Jet Fuel

10 FATTY ACID DEOXYGENATION FOR BIO-JETFUEL PRODUCTION Fatty Acid Bio jet fuel (1-Pd/K10, 30 bar H 2 e 6 h)

11 First Flight in Brazil During Rio+20 United Nations Conference on Sustainable Development

12 Primeiro Voo Comercial com Bioquerosene no Brasil

13 Biodiesel Feedstocks Boletim Mensal dos Combustíveis Renováveis, nº 45 setembro 2011

14 Soybean Biodiesel (Output/Input Energy~ 3)* Soybean produces 4 times more meal than biodiesel. 5 kg of Soybean produces: 4 kg of Soybean meal + 1 liter of biodiesel Massive soybean meal production reduces protein based food prices! * NREL (USA)

15 MICROALGAE NEW TREND FOR BIODIESEL PRODUCERS Soybean Oil per hectare: 450 liter/ha.year Palm Oil per hectare: 5,000 liters/ha.year (however, it spends 5 years to start production) Algae Oil per hectare: More than 400,000 liters/ha.year Main feed for algae: CO2!!! Waste water can be used and treated by some algae Main species: Chlorela, Spirulina, Monoraphidium, Scenedesmus, Dunaliela, Nanochloropsis. (> 200,000 species)

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18 Low investment Raceways Problems: Evaporation + Contamination Feasibility: Spirulina prices at US$ 15-20/kg, Not for fuel!!

19 Microalgae Production in Transparent PBRs Like soybean, Protein and Lipids simultaneously produced

20 At each 24 hours, biomass weight increases 3 times!! 1st Day 2nd Day 3rd Day 8 AM 3rd Day 2 PM

21 Biomassa úmida de Chlamydomonas sp. Biomassas concentradas na Unidade Piloto Biomassa úmida de Monoraphidium sp. (MORF-1)

22 Expensive Transparent Materials Glass: US$ 150/m2 Polycarbonate: US$ 200/m2 Much more expensives than materials like: Carbon Steal Polyethylene PVC US$ 10/m2

23 Photobioreactors with sunlight concentrators Sunlight Prisms PBR with sunlight concentrator Fresnel Lens

24 Photobioreactor with optic fibers Much cheaper and feasible!

25 Esquema do PBR Proposto Lente de Fresnel Fibras óticas Plásticas (POF) Rastreador Tanque Opaco

26 Sistema de iluminação interna testado

27 Ensaios exploratórios Monoraphidium sp.

28 Tratamento das POFs

29 Como serão dispersas as fibras dentro do tanque?

30 Rastreador solar

31 Concentrador Solar Greentec/UFRJ

32 Biorefinery Treatment for Algae Biomass 0.5-2% 40-60% Algas 10-40% (90% água) Anti-oxidantes and PU Fatty Acids (Omega 3, Omega 6) US$ /kg Protein (human and animal feeding) US$ 1-1.2/kg Lipids US$ 1/kg Esterification Hydrotreating Biodiesel

33 Antioxidantes (US$ +500/kg ) Ômega 3 (US$ 100/kg)

34 Biorefinery Model

35 Ácidos graxos Ácidos graxos saturados Ácidos graxos insaturados MUFAs PUFAs Ác. Esteárico HO HO C O C Ác.Oleico O

36 PUFAs de interesse comercial Ômega 6 Ômega 3 Ácido eicosapentaenóico (EPA) Ácido docosahexaenóico (DHA)

37 Métodos de purificação de PUFAs Destilação molecular Fluidos supercríticos Métodos enzimáticos Extração a frio com centrifugação Complexo de ureia

38 Complexo de ureia Baseia-se nas propriedades da cristalização da ureia por a interação com as moléculas. Os canais da ureia podem ser ocupados por cadeias orgânicas com estrutura linear e com um número de carbono superior a seis para favorecer a cristalização.

39 Esquema do processo Etanol + Ureia + Ác.graxo Reação Etanol + Ureia + Ác.graxo 70 C 4 C Cristalização filtração Etanol + PUFAs Ureia, Ác graxo saturado e MUFAs

40 Aplicação do método de complexo de ureia Obtenção de PUFAs para aplicações alimentícias. Obtenção de Biodiesel com baixo ponto de congelamento Baixar o índice de acidez dos óleos.

41 Biomassa úmida de microalgas - Centrifugada Sln. Hidroalcoólica de KOH Biomassa Residual Úmida H 2 SO 4, calculado estequiometricamente para neutralizar a quantidade de KOH adicionada na saponificação SAPONIFICAÇÃO 1h de reação a 80 ºC Hexano Produto da saponificação CENTRIFUGAÇÃO Hexano Fração líquida saponificada SEPARAÇÃO ACIDULAÇÃO 2h de reação a 80 ºC Fração Sabão Insaponificável (Antioxidantes Carotenóides) + Hexano Produto da acidulação Evaporação de Solvente Hexano Recuperado Fração Insaponificável (Antioxidantes Carotenóides) Água LAVAGEM, SEPARAÇÃO, RECUPERAÇÃO DO HEXANO E SECAGEM Resíduo de ácido sulfúrico, água + K 2 SO 4 Hexano Recuperado Ácidos Graxos Álcool Catalisador ESTERIFICAÇÃO 1h de reação a 200 ºC Biodiesel Água Ômega 3

42 High Protein Concentration in Algae (More than 60%) Hydrolized Algae Powder Shrimp Farm

43 Planta no Brasil deverá ser inaugurada em Parceria com a Bunge Planta de 100 mil ton/ano Orindiúva-SP

44 Conclusions Brazilian Biodiesel Program is quite successful with strong social impacts and strategical domestic energy production Food crops like soybean not necessary a problem since soybean meal is simultaneously produced (4 times more than oil) Following the soybean model (with much larger productivity), Microalgae production must be considered in a muliti-products biorefinery concept. Coproducts like Omega 3 and Antioxidants and High Proteic Meal are very important to provide cheap and feasible algae biofuels. Reduction in CAPEX using sunlight concentrators

45 Agradecimentos à equipe Em especial: Leonardo Bacelar (Petrobras) e Greg Mitchell (UC-San Diego)

46 Thank you! God causes all things to work together for good to those who love Him ( Rm 8,28)