Biorrefinaria de Microalgas

(1)

Prof. Donato A. G. Aranda, Ph. D

Greentec Lab

UFRJ (Federal University of Rio de Janeiro) FlRJAN, Setembro - 2014

(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

(3)

3

Direct Social Impacts

2010

103,000

(4)

4

Jobs

2005-2010

1,300,000

grãos

(5)

5

Diesel Imports

1,000,000 m

3 /month

2013 (Jan-Setembro) Fonte:

Average value:

US$ 0.83/Liter

R$ 1.95/Liter

(6)

(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 !!!

(8)

Bio Jet Fuel

Two main processes to obtain bio-isoparaffins:

Biomass Gaseification + Fischer Tropsch + Hydroisomerization

Hydrotreating Esters and Fatty Acids (HEFA)

(9)

(10)

Fatty Acid

FATTY ACID DEOXYGENATION FOR BIO-JETFUEL

PRODUCTION

Bio jet fuel

(1-Pd/K10, 30 bar H₂e 6 h)

(11)

First Flight in Brazil

(12)

(13)

Biodiesel Feedstocks

(14)

Soybean Biodiesel

(Output/Input Energy~ 3)*

* NREL (USA) http://www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24089.pdf

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 !

(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)

(16)

(17)

(18)

Low investment Raceways

Problems: Evaporation + Contamination

(19)

Microalgae Production in Transparent PBRs

(20)

At each 24 hours, biomass weight increases

3 times !!

1st Day 2nd Day

(21)

Biomassas concentradas na

Unidade Piloto

Biomassa úmida de Monoraphidium sp. (MORF-1) Biomassa úmida de Chlamydomonas sp.

(22)

Expensive Transparent Materials

Glass: US$ 150/m2

Polycarbonate: US$ 200/m2

Much more expensives than

materials like:

Carbon Steal

Polyethylene

PVC

(23)

Photobioreactors with sunlight

concentrators

PBR with sunlight concentrator

Sunlight Prisms

(24)

Photobioreactor with optic fibers

(25)

Esquema do PBR Proposto

Rastreador

Lente de Fresnel

Fibras óticas Plásticas (POF)

(26)

Sistema de iluminação interna

testado

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

Concentrador Solar

Greentec/UFRJ

(32)

Biorefinery Treatment for Algae Biomass

Algas

Anti-oxidantes and PU Fatty Acids (Omega 3, Omega 6)

Lipids

Protein (human and animal feeding)

Esterification _{Hydrotreating}

Biodiesel

US$ 100 – 500/kg US$ 1-1.2/kg US$ 1/kg 0.5-2% 40-60% 10-40% (90% água)

(33)

(34)

(35)

Ácidos graxos

• Ácidos graxos saturados

• Ácidos graxos insaturados

C C O HO O HO Ác. Esteárico Ác.Oleico

MUFAs

PUFAs

(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)

Etanol + Ureia + Ác.graxo Reação 70 °C _{4 °C} Etanol + Ureia + Ác.graxo filtração

Ureia, Ác graxo saturado e MUFAs

Etanol + PUFAs

Cristalização

Esquema do processo

(40)

Aplicação do método de complexo de

ureia

• Obtenção de PUFAs para aplicações

alimentícias.

• Obtenção de Biodiesel com baixo ponto de

congelamento

(41)

SAPONIFICAÇÃO 1h de reação a 80 ºC

Biomassa úmida de microalgas - Centrifugada

Sln. Hidroalcoólica de KOH CENTRIFUGAÇÃO Hexano Sabão Fração Insaponificável (Antioxidantes – Carotenóides) + Hexano Evaporação de Solvente Fração Insaponificável (Antioxidantes – Carotenóides) Hexano Recuperado Produto da saponificação Biomassa Residual Úmida SEPARAÇÃO Hexano Fração líquida saponificada ACIDULAÇÃO 2h de reação a 80 ºC H₂SO₄, calculado estequiometricamente para neutralizar a quantidade de KOH adicionada na

saponificação Produto da acidulação

LAVAGEM, SEPARAÇÃO, RECUPERAÇÃO DO HEXANO

E SECAGEM Água

Resíduo de ácido sulfúrico, água + K₂SO₄ ESTERIFICAÇÃO 1h de reação a 200 ºC Ácidos Graxos Álcool Catalisador Biodiesel Água Hexano Recuperado Ômega 3

(42)

High Protein Concentration in Algae

(More than 60%)

(43)

Planta no Brasil deverá ser

inaugurada em 2014.

Parceria com a Bunge

Planta de 100 mil ton/ano

Orindiúva-SP

(44)

Conclusions

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

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)