BRPI0703633B1 - sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia aplicado em fotobiorreatores para produção industrial de micro algas - Google Patents

Abstract

sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia aplicado em fotobiorreatores para produção industrial de micro algas. refere-se a presente invenção a um sistema de agitação para ser aplicado em tanques industriais de produção de microalgas, capaz de provocar somente um revolvimento do meio de cultura e ao mesmo tempo reduzir radicaímente o consumo de energia necessário a cada cicloprodutivo, o dispositivo agitador apresenta a forma de uma estrutura vertical plana que disposta dentro do tanque, divide o volume total do mesmo em duas seções contiguas e de volume variável, interligados somente por uma estreita comunicação na sua extremidade inferior, por meio da qual se provoca uma turbulência de progressão ascendente.

Description

SISTEMA DE AGITAÇÃO DE FLUXO VERTICAL E BAIXO CONSUMO DE ENERGIA APLICADO EM FOTOBIORREATORES PARA PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE MICRO ALGAS CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um sistema de agitação para ser aplicado em tanques de produção de microalgas em escala industrial, capaz de provocar um revolvimento vertical do meio de cultura e ao mesmo tempo reduzir radicalmente o consumo de energia necessário a cada ciclo produtivo.

[0002] O sistema concentra o consumo de energia não natural inserida no processo de cultivo, principalmente com o revolvimento da biomassa, minimizando ao máximo o gasto de energia com a circulação de todo o volume do fluido de cultura ao longo da extensão de tanque.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0003] O biodiesel é um combustível natural usado em motores diesel, produzido através de fontes renováveis, que atende as especificações da ANP (Agência Nacional de Petróleo). Ele é produzido a partir de óleos vegetais ou gordura animal. Resumidamente pode-se descrever que sua obtenção é o resultado da mistura de um desses tipos de óleo com álcool ou metanol, em seguida a mistura é estimulada por um catalisador para provocar uma reação química entre o óleo e o álcool de modo a remover a glicerina resultante do composto.

[0004] Este processo químico de fabricação do biodiesel é chamado transesterifícação, onde a glicerina é separada da gordura ou do óleo vegetal. O processo gera dois produtos: ésteres de ácidos graxos (o biodiesel) e glicerina (produto valorizado no mercado de sabões).

[0005] O bíodíesel não contém petróleo, mas pode ser adicionado a ele formando uma mistura tecnicamente e economicamente viável. Mesmo puro pode ser usado em um motor de ignição a compressão do ciclo de diesel sem necessidade de modiftcação, sendo um produto biodegradável, não tóxico e essencialmente livre de compostos sulfurados e aromáticos.

[0006] Os óleos vegetais puros não estão autorizados a serem utilizados como óleo combustível. No entanto o bíodíesel pode ser produzido com qualidade seguindo especificações industriais restritas. Como exemplo de especificação técnica a nível internacional tem-se a ASTM D6751. Desta forma, nos EUA, o biodiesel é o único combustível alternativo a obter completa aprovação no Ciean Air Act de 1990 e autorizado pela Agência Ambiental Americana (EPA) para venda e distribuição.

[0007] O biodiesel pode ser usado puro ou em mistura com o óleo diesel comerciai em qualquer proporção. Tem aplicação singular quando misturado com o óleo diesel de ultrabaixo teor de enxofre, porque confere a este, melhores características de lubricidade.

[0008] Comercial mente, o uso de biodiesel em adição de 5% á 8% ao diesel, com ultrabaixo teor de enxofre, reconstitui essa lubricidade, e é visto como uma alternativa excelente.

[0009] Mundialmente passou-se a adotar uma nomenclatura bastante apropriada para identificar a concentração do biodiesel na mistura, onde a percentagem em volume do biodiesel à mistura é indicada após o caractere “B” Por exemplo, o B2, B5, B20 e B100 são combustíveis com uma concentração de 2%, 5%, 20% e 100% de bíodíesel, respectivamente.

[0010] No entanto, quanto mais desperta o interesse dos governos como alternativa energética, o uso de óleo derivado de sementes como matéria prima do biodiesel tem causado igualmente polêmica a nível mundial, [0011] Visto a crescente necessidade de combustíveis para a manutenção do modo de vida moderno, bem como o aumento da população mundial e suas necessidades básicas de alimentação, em contraste à redução crescente de áreas disponíveis para produção agrícola, pesquisadores do mundo inteiro têm buscado novas soluções para a fabricação do biodiesel, [0012] O biodiesel requer grandes volumes de oleaginosas para a sua produção, no entanto das sementes se extraí em mêdía 80% de farinha e apenas 20% de óleo. Assim, aumentou o interesse pela pesquisa de outras fontes vegetais com características oleaginosas promissora: as microalgas.

[0013] As microalgas possuem características físico-químicas e químicas similares às das plantas oleaginosas, como mamona e soja, mas têm a vantagem de não ter limite de espaço para cultivo, os custos de colheita e transporte são relatívamente baixos e há possibilidade de extrair mais óleo do que das plantas oleaginosas.

[0014] Apesar deste potencial, ainda não existem muitos estudos sobre o tema, principalmente pesquisas que foquem os meios de cultivo de microalgas e seus equipamentos para a produção industrial de biocombustíveis.

[0015] Assim uma nova vertente de pesquisas do biodiesel atualmente está voltada para o objetivo de produzir microalgas em uma escala industrial, para que possa substituir matérias-primas como a soja na produção de biocombustíveis.

[0016] As vantagens são grandes: as microalgas se reproduzem rapidamente, tendo uma produtividade 200 a 300 vezes superior às oleaginosas conhecidas, a área ocupada na sua produção é 100 vezes inferior á das culturas tradicionais, sendo preciso apenas 2500 hectares para abastecer uma refinaria de 250 mil toneladas, contra 500 mil hectares de soja e de 250 míl hectares de girassol, [0017] As mícroalgas têm ainda a vantagem de “sequestrar" dióxido de carbono C02 no seu processo de desenvolvimento, contribuído assim para a redução das emissões de gases de efeíto-estufa para a atmosfera. Para cada tonelada produzida de mícroalgas são consumidas duas toneladas de C02) ou seja, equiparável a atê vinte vezes mais do que as restantes oleaginosas como a soja, girassol e palma, [0018] Já existem aplicações de bíorreatores de mícroalgas interligados diretamente a saída de chaminés de indústrias ou mesmo termoelétricas, permitido a captura e redução das emissões de C02 produzidas pela empresa, podendo no final ser obtido metano, que poderá ser utilizado nessa mesma indústria, por exemplo, para a produção de energia elétrica, [0019] A produção em larga escala de mícroalgas seja qual for a sua aplicação final, requer água, C02p nutrientes (N, P| e luz solar. O sol e o calor são fundamentais na cultura de mícroalgas que são cultivadas em estruturas próprias, denominadas fotobiorreatores, que facilitam a captação desta luz.

[0020] Atualmente os fotobiorreatores, responsáveis por esta captação, são geralmente conformados como uma estrutura de alvenaria em forma ovalada, rasa e dividida ao meio, de modo a formar dois canais paralelos, sendo um deles provido com um agitador para movimentação da biomassa em suspensão. O agitador geralmente é constituído por bombeamento submerso, injeção de ar ou por pás giratórias.

[0021] Neste conceito de cultivo, o volume da lagoa é estimado em função do tempo de retenção hidráulico (Tr mínimo de 20 dias), da carga orgânica aplicada (DQO, máximo de 1000 mg/L) e velocidade de movimentação do fluido de cultura de 0,15 m/s para a otimização da produção de algas.

[0022] No entanto, este último parâmetro, a movimentação, está relacionado diretamente ao modus operandi dos atuais fotobiorreatores, que além de revolver o fluído de cultura também forçam a biomassa em suspensão a realizar um movimento circular dentro dos tanques geralmente ovalados dos fotobiorreatores.

[0023] A agitação da biomassa é importante ao bom desempenho do sistema fotossintético, pois a zona com iluminação ideal para o metabolismo máximo das microalgas em fotobiorreatores raramente ultrapassa os 2cm superficiais do meio de cultura. Assim o objetivo do agitador em um fotobiorreator é revolver a biomassa de modo a alternar constantemente a disposição das microalgas ao longo da lâmina d’água com iluminação ideal para o foto metabolismo.

[0024] É fácil compreender que existe uma grande perda de energia nesta etapa do processamento da biomassa dentro de um fotobiorreator, pois os agitadores além de revolver a biomassa em suspensão a fim de alternar a disposição das microalgas ao longo da lâmina d'água com iluminação ideal, também forçam um movimento circular de todo o fluido dentro dos tanques ovalados dos fotobiorreatores. Portanto os agitadores atualmente realizam duas funções concomitantemente que requerem disponibilizaçâo de energia não natural, e consequentemente contabilizam custos adicionais ao produto final.

[0025] A título de exemplificação, um agitador de baixo consumo de energia do tipo pás giratórias consome cerca de 3 a 4 W por m2 da superfície exposta de um fotobiorreator, ou 0,6 kWh ao longo de 24 horas para manter uma agitação vertical da cultura em processamento concomitantemente ao fluxo horizontal do fluido de cultura.

[0026] A presente invenção visa criar uma nova opção de agitação para fotobiorreatores de escala industrial, de aplicação técnica simples e de maior viabilidade econômica, [0027] Como resultado de pesquisas neste sentido, foi inventado o sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia aplicado em fotobiorreatores para produção industrial de microalgas agora proposto.

[0028] A preocupação no desenvolvimento deste novo sistema de agitação visa simplificar e baratear a operação de revolver a biomassa em suspensão, oferecendo mais uma opção de agitador de alta capacidade de revolvimento e de baixo consumo energético, tornando competitivo o cultivo de grandes volumes de microalgas para fins de produção industrial de biocombustíveis.

[0029] Outros objetivos que o sistema agitador de fluxo vertical e de baixo consumo de energia aplicado em fotobiorreatores para produção industrial de microalgas, objeto da presente invenção, se propõem a alcançar são a seguir elencados: a. Baratear custos, tanto de instalação quanto de operação. b. Disponibilizar uma opção de agitação com alta eficiência. c. Dispensar a necessidade de tanques com formatos específicos. d. Facilidade de adaptação das estruturas atuais para operar com este novo conceito de agitação. e. Baratear custo de construção, uma vez que os componentes dos dispositivos envolvidos são baratos. f. Reduzir drasticamente o consumo de energia para a agitação da cultura, chegando a até 4% da energia consumida pelos agitadores atualmente disponíveis, g. Garantir a máxima eficiência do revolvimento da biomassa entre o fundo do tanque e a zona de iluminação ideal com o menor custo e com procedimento simples.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0030] Refere-se a presente invenção a um sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia para produção industrial de microalgas, em que um dispositivo agitador é provido a um tanque de profundidade padrão para a cultura de microalgas, de modo a formar um fotobiorreator de grande escala de produção.

[0031] O dispositivo agitador apresenta a forma de uma estrutura vertical que disposta dentro do tanque, divide o volume total do mesmo em duas seções contíguas e de volume variável, interligados somente por uma estreita comunicação na sua extremidade inferior.

[0032] A estrutura vertical transita ao longo de toda a área de tanque em posição vertical, em sucessivos ciclos de deslocamento de vai e vem acionada por um meio motor qualquer conhecido da técnica. Enquanto a estrutura plana estiver transitando ao logo de toda a área de tanque, a mesma tem que manter uma velocidade lenta e constante de modo que provoque com sua extremidade inferior uma turbulência no fluido de cultura localizado próximo à base do tanque.

[0033] A formação da turbulência carreia a biomassa ascendentemente junto a face contrária ao sentido de movimento imposto à dita estrutura vertical, sem, no entanto, provocar uma circulação do fluido de cultura ao longo da extensão do tanque. Desse modo, o elemento agitador concentra o consumo de energia não natural inserida no processo de cultivo com o revolvimento da biomassa, evitando o gasto de energia com circulação de todo o volume do fluido de cultura ao longo da extensão de tanque, BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0034] A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título de ilustração, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais: [0035] A Figura 1 retrata uma vista esquemática em corte do fotobiorreator com o sistema de agitação proposto.

[0036] A Figura 2A apresenta a configuração construtiva preferida do sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia.

[0037] A Figura 2B retrata uma configuração construtiva alternativa do sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia.

[0038] A Figura 3 retrata detalhamento que alternativamente poderá ser aplicado da extremidade inferior do elemento de agitação do sistema proposto.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0039] O sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia aplicado em fotobiorreatores para produção industrial de microalgas, objeto da presente invenção, foi desenvolvido a partir de pesquisas que visavam reduzir o consumo de energia despendida durante o revolvimento da biomassa dentro do fotobiorreator. Como o objetivo da cultura de microalgas é para fins de produção de energia, torna-se imprescindível detectar e eliminar qualquer desperdício de energia aplicada ao processo, para que o balanço energético final seja o maís proveitoso possível.

[0040] Com foco neste propósito, percebeu-se que os fotobiorreatores de tanques em formato ovalado, apesar de produzirem um grande volume de biomassa a baixo custo energético, apresentavam um desperdício de energia com a movimentação desnecessária do fluido de suspensão da bíomassa.

[0041] As pesquisas revelaram que independente do sistema de agitação escolhido, constituído por bombea mento submerso, injeção de ar ou por pás giratórias, o mesmo é aplicado em um único ponto do fotobiorreator ao longo de toda sua superfície exposta à luz solar. Consequentemente para que toda a biomassa contida no fotobiorreator seja revolvida de modo a atingir e permanecer um período de tempo na zona ideal de iluminação, o fluido de suspensão tem que circular por todo o circuito do fotobiorreator até que atinja o ponto onde está situado o agitador.

[0042] Portanto, os agitadores realizam duas funções: mover o fluido de suspensão e revolver a biomassa. Neste sentido, as pesquisas foram voltadas para o desenvolvimento de um dispositivo que realize somente o revolvimento da biomassa ao longo de toda a área do fotobiorreator. Comparativamente, esta operação consome energia em uma escala muito menor do que a movimentação de todo o volume de fluido de suspensão e a biomassa nele contida.

[0043] A Figura 1 apresenta uma vista esquemática em corte de um fotobiorreator onde se aplica o sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia 100 para produção industriai de mícroalgas agora proposto. Pode-se verificar que a invenção consiste basicamente de um agitador disposto dentro de um tanque 120 de formato retangular, e provido com um meio de deslocamento não figurado, mas que pode ser constituído por cabos e roldanas acionados por um motor.

[0044] O princípio de funcionamento do sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia 100 baseia-se na geração de uma turbulência t de progressão ascendente no fluido de cultura F» provocado por um efeito hidrodinâmico da extremidade inferior de uma estrutura vertical 110 ao deslocar-se próximo a base de um tanque 120, [0045] O fluido de cultura F que mantêm a biomassa em suspensão fica restrito no interior de um tanque 120 construído com profundidade conforme especificações comuns da técnica, geral mente em torno de 25cm.

[0046] Preferencialmente deve-se optar pelo formato retangular, embora o formato circular também possa ser utilizado, especial mente quando se deseje trabalhar com grandes volumes de biomassa, [0047] A estrutura vertical 110, preferencial mente plana, é disposta transversalmente no interior do tanque 120 ocupando desde uma lateral até a outra, dividindo o tanque 120 em duas seções contíguas e de volume variável. É importante que as extremidades laterais da estrutura vertical 110 estejam o mais próximo possível da superfície lateral interna do tanque 120.

[0048] Ocasionalmente pode ser aplicado nas extremidades laterais da estrutura vertical 110 um elemento vedante flexível tal qual uma cinta. O objetivo desta cinta (não representada) é melhorar a vedação entre as extremidades laterais da estrutura vertical 110 e as respectivas superfícies laterais internas do tanque 120, no entanto, sem ímpor restrição ao movimento relativo entre estes elementos.

[0049] É importante que a extremidade inferior da estrutura vertical 110 mantenha uma distância d mínima da superfície inferior interna do tanque 120 de pelo menos 5cm, podendo atingir cerca de 15cm. Por este espaço é que o fluido de cultura F, que mantêm a biomassa em suspensão, será forçado a passar enquanto a estrutura vertical 110 se desloca entre as extremidades do tanque 120.

[0050] Como o fluido de cultura F fica retido e estanque dentro das duas seções contíguas do tanque 120 separadas apenas pela estrutura vertical 110, à medida que esta é deslocada vaga rosa mente de uma extremidade a outra do dito tanque 120, toda a massa de fluido de cultura F disposta em uma seção é conduzida para a seção contígua através da abertura existente entre a extremidade inferior da estrutura vertical 110 e a superfície inferior interna do tanque 120, que forma uma comunicação entre as duas seções de volumes contíguos.

[0051] Esta passagem gradual do fluido de cultura F junto à extremidade inferior da estrutura vertical 110 gera uma turbulência t na base do tanque 120. A turbulência t se desloca ascendentemente junto à face da estrutura vertical 110 contrária ao sentido de movimento imposto à dita estrutura. Esta turbulência t é suficiente para revolver a biomassa em suspensão no fluído de cultura F de modo a carreá-la da zona próxima ao fundo do tanque para a zona com iluminação ideal z, onde ocorre o metabolismo máximo das microalgas.

[0052] O movimento da estrutura vertical 110 não consome energia nos mesmos níveis dos agitadores atualmente existentes, pois não promove a circulação de todo o volume do fluido de cultura F ao longo de toda a extensão de tanque 120, mas somente provoca uma leve turbulência ascendente na medida em que a estrutura vai se deslocando.

[0053] A estrutura vertical 110 é movimentada de uma extremidade a outra do tanque 120, em sucessivos ciclos de deslocamento lento e com velocidade constante, acionada por um meio motor em conjunto com cabos e roldanas ou pinhão e cremalheira ou qualquer outro meio conhecido da técnica.

[0054J Assim, a biomassa contida no fotobiorreator é revolvida ascendentemente de modo a alternar constantemente a disposição das microalgas ao longo da zona com iluminação ideal z para que o foto metabolismo seja acelerado.

[0055] A Figura 2A mostra um tanque 120a de formato retangular, em que a estrutura vertical 110a se desloca de uma extremidade a outra do díto tanque, em sucessivos movimentos de vaí e vem.

[0056] A Figura 2B mostra um tanque 120b de formato circular, Esta disposição construtiva do tanque necessita de uma parede fixa 121 disposta do centro do tanque atê sua parede, e a estrutura vertical 110b, objeto da invenção, também disposta do centro até a parede do tanque, mas que se desloca em movimento circular alternativo, de uma face à outra da dita parede fixa. A parede fixa 121 neste caso opera como um batente, que impede o deslocamento contínuo do fluido de cultura F no interior do tanque.

[0057] Opcíonalmente a estrutura vertical 110 pode apresentar em sua extremidade inferior um formato especial para otimizar a formação da turbulência t, como por exemplo, um acabamento boleado tal qual o revelado em detalhe pela Figura 3.

[0058] Visando o aproveitamento de tanques já existentes, fotobiorreatores de formato ovalado, podem ser convertidos para funcionar com o sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia 100 proposto, bastando para isto que a comunicação entre os canais paralelos seja fechada.

[0059] Ao se adotar o sistema de agitação de fluxo vertical e baixo consumo de energia 100, com a implementação de uma estrutura vertical 110 mais simples, e que impõe baixa resistência ao deslocamento do dispositivo agitador, conforme dados experimentais, é possível reduzir em até 95% a energia usualmente utilizada para a agitação de cultivos, etapa energética crítica do processo de produção em fotobiorreatores de escala industrial, [0060] A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro que a invenção nâo está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas sem fugir ao conceito inventivo aqui descrito.

REIVINDICAÇÕES

Claims (3)

1. SISTEMA DE AGITAÇÃO DE FLUXO VERTICAL E BAIXO CONSUMO DE ENERGIA APLICADO EM FOTOBIORREATORES PARA PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE MICROALGAS, o qual compreende um dispositivo agitador provido a um tanque (120 b) de formato circular e de profundidade padrão para a cultura de microalgas, caracterizado por o tanque (120b) apresentar uma parede fixa (121) disposta do centro do tanque até sua parede, e a estrutura vertical (110b) também disposta do centro até a parede do tanque (120b), dividindo o volume total do dito tanque em duas seções contíguas e de volume variável, porém a extremidade inferior da estrutura vertical (110b) mantendo uma distância mínima da superfície inferior interna do tanque (120b); a parede fixa (121) impede o deslocamento contínuo do fluido de cultura (F) no interior do tanque (120b); a dita estrutura vertical (110b) se desloca em movimento circular alternativo, de uma face a outra da parede (121), em sucessivos ciclos de deslocamento lento e com velocidade constante.

2. SISTEMA DE AGITAÇÃO DE FLUXO VERTICAL E BAIXO CONSUMO DE ENERGIA APLICADO EM FOTOBIORREATORES PARA PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser aplicado nas extremidades laterais da estrutura vertical (110a ou 110b) um elemento de vedação flexível tal qual uma cinta.

3. SISTEMA DE AGITAÇÃO DE FLUXO VERTICAL E BAIXO CONSUMO DE ENERGIA APLICADO EM FOTOBIORREATORES PARA PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a estrutura vertical (110) ser plana.