Domínio técnico da invenção

Este invento diz respeito à produção de biodiesel a partir de biomassa – microalgas .A utilização das microalgas para produzir óleo que transesterificado resulta em diesel denominado biodiesel mas para além desta aplicação também resultam subprodutos que têm grande utilidade como a glicerina, oxigénio (que é libertado pelas microalgas), polpa, que pode ser aproveitado para: Venda de Cake em bruto, produção de etanol (álcool), adubos, pode ser refinada em componentes: Pigmentos, minerais, suplementos alimentícios, suplementos e componentes medicinais. Para além desta utilidade dos subprodutos este processo reduz as emissões poluentes, especificamente de CO2.
Esta técnica tem também o mérito de produzir biodiesel à dimensão de cada local, zona ou região, podendo existir em cada local uma pequena unidade de produção.

Técnica anterior

O acto de produzir biodiesel, a utilização da biomassa para produzir óleo (biodiesel), assim como a aplicabilidade das microalgas em domínios como o de alimentação, já existe no mercado, no entanto esta técnica tem a vantagem de produzir biodiesel em pequenas unidades adaptadas a cada local, zona ou região e de utilizar determinadas estirpes de microalgas que libertam uma elevada quantidade de lípidos.

Existem outras patentes referentes a produzir microalgas mas sem o aproveitamento do óleo para transesterificar e produzir exclusivamente diesel (biodiesel).

Descrição pormenorizada do invento

As vantagens deste invento e relação aos existentes são as seguintes:

1. Reprodução das microalgas

A reprodução das microalgas tem um crescimento exponencial sendo vantajoso em relação à utilização de outro tipo de biomassa, pois sendo uma produção contínua durante 24 horas, aumenta o volume de microalgas e consequentemente a libertação de óleo e portanto de diesel.

2. Produzir biodiesel em pequenas unidades

Dado que produzir biodiesel em quantidades idênticas à produção de diesel fóssil é extremamente díficil e portanto a conversão da produção é igualmente dificil, este processo tem a vantagem de produzir biodiesel em pequenas unidades adaptadas às necessidades de cada local contribuindo assim para a sustentabilidade desse local.

3. Vantagens económicas

Produzir biodiesel a partir de microalgas é mais barato do que a utilização de outro tipo de biomassa ou produzir a partir de combustível fóssil, para além de que existe também o aproveitamento dos subprodutos que podem ser aproveitados e comercializados todos 100% naturais. Também é vantajoso economicamente a utilização de um fotobiorreactor que produz 24 horas microalgas em articulação com a produção de microalgas em tanques abertos em que são aproveitadas as condições climatéricas de uma dada região, resultando daí uma produção de um volume significativo e contínuo de óleo que será transesterificado em biodiesel.

4. Descrição do método

1.1. Produção de microalgas em sistema fechado (fotobiorreactor) que pode ser complementado com um sistema aberto (tanques)

As microalgas (biomassa) são produzidas continuamente num sistema fechado designado por fotobiorreactor que é um conjunto de tubos interligados onde passam os ingredientes necessários para produzir exponencialmente este tipo de biomassa circulando continuamente, impulsionados por uma bomba de circulação, sendo iluminado artificialmente (figura da publicação) e controlado por um sistema computarizado. Neste sistema existe também uma bomba colectora das microalgas e através de prensagem ou outros processos é extraído o óleo (lípidos).
As estirpes utilizadas neste processo são as que libertam pelo seu metabolismo uma elevada quantidade de lípidos. Estas estirpes são pesquisadas em laboratório fazendo-se testes de multiplicação em recipientes adequados, com as condições de cultura ideias em nutrientes, pH, luz e temperatura.

1.2. Estirpes de microalgas com teor elevado em lípidos.

Tabela 1. composição em lípidos de diversas estirpes de microalgas

A alga Chlorella vulgaris é uma das microalgas que produzem maior quantidade de lípidos e pode ser aproveitada para a produção do Biodiesel e de outros produtos, nomeadamente do amido com diversas aplicações nomeadamente na alimentação. Portanto é uma microalga para ser produzida em proporções industriais. É uma alga de água doce.

A microalga Prymnesium Parvum é a espécie que produz e liberta uma quantidade mais elevada de lípidos. A estirpe Prymnesium parvum é uma alga dourada que produz uma toxina e é normalmente encontrada suspensa na coluna de água, é uma alga tóxica, é necessário ter cuidado para não contaminar o ambiente e provocar acidentes ambientais. A toxina leva a morte os peixes e parece ter pouco efeito sobre o gado ou humanos.

Esta estirpe cresce num intervalo de salinidade 0,1% -10%. A faixa de temperatura que permite a sobrevivência de P. parvum situa-se entre os 2 e os 30°C. O crescimento diminui em pH menor de 5,8. O organismo prefere ambientes altamente luminoso, mas o crescimento pode ser inibido pela luz excessiva. O organismo é capaz de crescer no escuro, na presença de glicerol e bactérias, especialmente quando o fosfato é limitando. Pode-se usar uma grande variedade de fontes de nitrogénio, incluindo amónia, nitratos, aminoácidos (quais aparentemente depende do pH), creatina, mas é incapaz de usar ureia.

1.3. Obtenção do óleo (lípidos)
A extracção do óleo é assunto que merece maior atenção.
Há entre outras, 3 maneiras principais:

Prensar, Químicas, Choque térmico ou extracção com líquidos Super Críticos. Neste caso só serão aplicados dois métodos, um em alternativa do outro.

• Prensar:
Neste processo é preciso primeiro proceder à secagem das algas, que é também benéfico para o processo a seguir: a transformação em biodiesel.
Em seguida, procede-se a um simples processo de prensagem para obter o óleo. Este processo tem um rendimento entre 70 - 75%, mas com técnicas mais avançadas podem ser obtidos melhores resultados.

• Químicas:
Outra maneira muitas vezes usada é o uso de químicos para a extracção do óleo. Ambientalmente não é a mais indicada, mas dá resultados um pouco melhores que prensar. Os químicos usados são Benzeno e Éter, embora que o Hexano, tem ganho mais popularidade por ser relativamente mais barato.
Mesmo assim tem sido usado mais para extrair os restos da polpa que sobra depois de a prensar. O passo a seguir é a de destilação, para purificação do óleo. O resultado da combinação dos dois métodos ronda as 90% de rendimento relativo ao peso das algas.

1.4. A reacção de transesterificação
O biodiesel é comumente produzido por meio de uma reacção química denominada transesterificação. No caso específico para a reacção abaixo, os triacilgliceróis (óleos ou gorduras de origem animal/vegetal) reagem com o metanol, na presença de um catalisador, produzindo glicerol (subproduto) e o éster metílico de ácido gordo (biodiesel). A reacção de transesterificação pode ser catalisada por ácido ou base, dependendo das características do óleo e/ou gordura utilizados.

A “Receita” para produzir biodiesel:
O texto abaixo descreve duas maneiras simplificadas (chamadas de Composição A e Composição B) de se produzir ésteres de glicerídeos. Para que esses ésteres sejam classificados como biodiesel B100, no fim de todo o processo devem ser feitas várias análises, tais como caracterizações físico-químicas, estudo calorimétrico, estudo termogravimétrico, estudo reológico. Só depois de se comprovar que o produto obtido atende às normas é que o produto poderá ser realmente chamado de biodiesel.

A receita para produzir biodiesel:

1000 L de óleo extraído das microalgas
220 L de metanol
5 kg de soda cáustica (NaOH), também chamado de hidróxido de sódio

Procedimento:
Aquecer o óleo a 55 ºC.
Misturar a soda com o metanol e obter um metóxido.
Misturar o metóxido com o óleo quente e agitar por 20 minutos.
Deixar descansar.
Ao fim de 30 minutos, retirar a glicerina do fundo.
Adicionar 220 L de água tépida e agitar com muito cuidado.
Remover a água, que deve estar turva.
Repetir várias vezes, aumentando a intensidade do agitar até que a água fique transparente.

Outro procedimento para produzir biodiesel:

A reacção de transesterificação é realizada num reactor de 500 L, provido de bomba de circulação de água aquecida e agitação mecânica.

O sistema permanece a 50 ºC e então 300 L de óleo são adicionados.

Quando o sistema atinge 45 ºC, a solução de 150 L de metanol anidro e 1,5 kg do catalisador NaOH é adicionada, estabelecendo-se este momento como sendo o tempo zero da reacção. O tempo de reacção é de 5 min., pois neste tempo pode-se constatar a conversão completa de ésteres pelo escurecimento brusco da mistura, seguida de retorno da coloração inicial.

Após o término da reacção, 60 kg de glicerina P.A. são adicionados para acelerar a formação da fase inferior. Isso resulta na formação de uma fase superior correspondente aos ésteres metílicos e uma fase inferior contendo a glicerina.
A fase inferior contém também o excesso de metanol, o hidróxido de sódio remanescente, junto com sabões formados durante a reacção e alguns traços de ésteres metílicos e glicerídeos parciais (mono, di ou até mesmo triglicerídeos).

Após a separação das duas fases por decantação, os ésteres obtidos são então purificados por meio da lavagem com uma solução contendo 150 L de água destilada a 90 ºC e 0,5% de HCl concentrado.

Com isso, o catalisador remanescente da reacção é neutralizado, facto confirmado com a análise da água de lavagem com indicador fenolftaleína 1%. A fase aquosa é separada do éster por decantação e os traços de humidade são eliminados pela filtração posterior com sulfato de sódio anidro.

A fase inferior separada é submetida a uma destilação a 80ºC sob vácuo moderado, para recuperação do excesso de metanol, e a glicerina permanece.

5. OBTENÇÃO DO CO2

A obtenção de CO2 é essencial para a produção. Pode ser simplesmente adquirido mas é benéfico se puder recolher de uma fábrica ou central produtora de electricidade. Esta fábrica teria de pagar pelo serviço, pois passa a pagar menos encargos pela diminuição da poluição. Alternativamente há possibilidade de obter créditos de carbono através do Protocolo do Kyoto.

Através da redução destas emissões pode-se “vender” estas toneladas através da UNFCCC (Nações Unidas) ou o governo de um país subscritor do Protocolo de Kyoto para um país ou entidade poluidora. Há vários sistemas para conseguir isso.

Cumulativamente podemos obter também créditos pela diminuição de emissões em CO2 pela produção de Biodiesel próprio, pois qualifica como produto que emite menos CO2 em comparação com o Diesel tradicional.

As instalações de captura de CO2 são um investimento que irá apenas render numa fase de produção, por isso acho que nessa fase de arranque ainda não se deve usar esta opção. Quando a produção assim o justificar podemos considerar este investimento.

Há porém umas escolhas que se pode considerar desde já: produzir as algas próximo a uma fábrica ou centralizar esta produção e transportar o CO2 para as instalações de produção das algas. Ambas as situações são viáveis.

Para ter uma ideia do que se fala, exemplos:
- Instalação de recuperação de CO2.
- Instalação de geração de CO2.

Adição de um aditivo para neutralizar o cheiro típico da combustão do biodiesel

 Ainda há o facto que na combustão de biodiesel é emitido um cheiro comparável ao de pipocas ou batata frita, que para algumas pessoas é considerado como incomodativo. Assim é necessário procurar algum aditivo que altere ou neutralize este cheiro típico por exemplo essências de limão ou pinho.