O Potencial da Tecnologia de Liquefação Hidrotérmica Catalítica Para Converter Biomassa de Algas em Óleo e Bioquímicos

A liquefação hidrotérmica catalítica (CHTL) é um processo que pode converter biomassa úmida de algas em óleo cru, uma alternativa renovável e sustentável aos combustíveis fósseis

Prof. Aécio D’Silva, Ph.D
AquaUniversity

Liquefação hidrotérmica catalítica (CHTL) pode superar os desafios da produção convencional de biocombustíveis, como o elevado consumo de energia, a baixa eficiência de conversão e a má qualidade do biocrude. A CHTL também pode utilizar vários tipos de algas, como microalgas, macroalgas e cianobactérias, que apresentam alta produtividade de biomassa, baixas necessidades de terra e água e altos benefícios ambientais.

As algas são organismos aquáticos que podem realizar fotossíntese e produzir biomassa, que pode ser convertida em biocombustíveis, como biogás, bioetanol, biodiesel ou petróleo bruto. Os biocombustíveis são fontes de energia renováveis e sustentáveis que podem reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, aumentar a segurança energética e diversificar o portfólio energético. No entanto, a produção de biocombustíveis a partir de algas também enfrenta alguns desafios, tais como elevado teor de humidade, baixo teor de lípidos, estrutura complexa da parede celular e composição diversificada de biomassa, que podem afectar o processo de conversão e a qualidade do biocrude. (1)

A liquefação hidrotérmica catalítica (CHTL) é um processo que pode converter biomassa úmida de algas em óleo cru, um combustível líquido que pode ser refinado e transformado em combustíveis para transporte, como gasolina, diesel ou combustível de aviação. A CHTL pode superar os desafios da produção convencional de biocombustíveis, tais como elevado consumo de energia, baixa eficiência de conversão e má qualidade do biocrude, utilizando água como meio de reação, catalisadores como promotores de reação e alta temperatura e pressão como impulsionadores de reação. O CHTL também pode utilizar vários tipos de algas, como microalgas, macroalgas e cianobactérias, que apresentam alta produtividade de biomassa, baixas necessidades de terra e água e altos benefícios ambientais. (2)

Nesta postagem de Conhecimento Restaurador do mybelojardim, exploraremos as vantagens, princípios, parâmetros e aplicações do CHTL e forneceremos alguns exemplos e recomendações para seu uso e desenvolvimento.

As vantagens da Liquefação Hidrotérmica Catalítica para a produção de biocrude a partir de algas

Recentemente, a Reliance Industries Ltd da Índia apresentou a sua tecnologia de ponta de transformação de algas em combustível num vídeo na plataforma de redes sociais Instagram. A empresa operou com sucesso grandes lagos de algas nos últimos cinco anos perto de Jamnagar, convertendo luz solar, CO2 e água do mar em bio-óleo. Eles demonstraram o uso da tecnologia de liquefação hidrotérmica catalítica para converter biomassa de algas em óleo, permitindo o uso direto da biomassa úmida sem secagem, garantindo a conversão de cada fragmento orgânico em óleo sem desperdício. (3a)

Consequentemente, a CHTL tem demonstrado várias vantagens sobre outros métodos de produção de biocombustíveis, como transesterificação, pirólise ou gaseificação, como alto rendimento de biocrude, baixo consumo de energia, ampla gama de matérias-primas e alta qualidade de biocrude.

O CHTL apresenta diversas vantagens sobre outros métodos de produção de biocombustíveis, tais como:

• Elevado rendimento de biocrude : O CHTL pode atingir um elevado rendimento de biocrude, até 80% do peso da biomassa seca, convertendo não apenas os lípidos, mas também as proteínas, hidratos de carbono e outros componentes da biomassa de algas em óleo biocrude. O CHTL também pode reduzir a formação de subprodutos indesejados, como carvão, gás ou fase aquosa, usando catalisadores que podem melhorar a cinética, a seletividade e a estabilidade da reação.
• Baixo consumo de energia: O CHTL pode reduzir o consumo de energia, utilizando biomassa húmida de algas, com um teor de humidade de 50-90%, sem quaisquer etapas prévias de secagem ou desidratação, que podem consumir até 75% do consumo total de energia. O CHTL também pode recuperar o calor e a água dos produtos da reação, utilizando trocadores de calor, separadores ou condensadores, o que pode melhorar a eficiência energética e o equilíbrio hídrico do processo. (4)
• Ampla gama de matérias-primas: O CHTL pode utilizar vários tipos de algas, tais como microalgas, macroalgas e cianobactérias, que possuem diferentes características de biomassa, tais como tamanho, forma, parede celular, composição e taxa de crescimento. O CHTL também pode lidar com biomassa de algas misturadas ou contaminadas, como algas colhidas de águas residuais ou água do mar, que podem conter impurezas, como sais, metais ou patógenos, usando catalisadores que podem tolerar ou remover essas impurezas. ( 5)
• Biocrude de alta qualidade: A CHTL pode produzir biocrude oil de alta qualidade, com alto poder calorífico, baixo teor de oxigênio, baixa viscosidade e baixa acidez, usando catalisadores que podem melhorar o biocrude oil durante a reação, removendo ou modificando os compostos indesejáveis, como oxigênio, nitrogênio, enxofre ou metais, que podem afetar a estabilidade, compatibilidade e desempenho do biocrude. O CHTL também pode produzir coprodutos valiosos, como biocarvão, biogás ou biofertilizante, a partir das fases sólida, gasosa ou aquosa, que podem ser usados para correção do solo, geração de energia ou recuperação de nutrientes. (6)

Os princípios e parâmetros do CHTL para produção de biocrude a partir de algas

O CHTL é baseado nos princípios da liquefação hidrotérmica (HTL), que é um processo de conversão termoquímica que utiliza água como meio de reação, e catalisadores, que são substâncias que podem acelerar ou direcionar a reação, sem serem consumidos ou alterados. O CHTL é influenciado por vários parâmetros, tais como:

• Temperatura: A temperatura é o principal parâmetro que determina a taxa de reação, o rendimento do biocrude e a qualidade do biocrude. A faixa de temperatura típica para CHTL é de 250-400°C, o que é suficiente para quebrar as macromoléculas de biomassa, como lipídios, proteínas, carboidratos e lignina, em moléculas menores, como ácidos graxos, aminoácidos, açúcares e fenóis. e, em seguida, recombiná-los em petróleo bruto. Temperaturas mais altas podem aumentar o rendimento do biocrude e reduzir o teor de oxigênio, mas também aumentar a formação de carvão e gás e degradar a qualidade do biocrude. ( 7)
• Pressão: Pressão é o parâmetro que controla a fase aquosa, a densidade da água e o poder de solvatação da água. A faixa de pressão típica para CHTL é de 10-25 MPa, necessária para manter a água no estado líquido ou supercrítico, o que pode dissolver os componentes da biomassa, facilitar a transferência de massa e calor e evitar a vaporização do óleo cru. . Pressões mais elevadas podem aumentar o rendimento e a qualidade do biocrude, mas também aumentar o consumo de energia e o custo do equipamento. (8)
• Tempo de residência: O tempo de residência é o parâmetro que define a duração da reação, a extensão da reação e a distribuição dos produtos da reação. O intervalo de tempo de residência típico para CHTL é de 5 a 60 minutos, o que é suficiente para completar a decomposição da biomassa e a formação do biocrude. Tempos de residência mais longos podem aumentar o rendimento do biocrude e reduzir o teor de oxigênio, mas também aumentar a formação de carvão e gás e degradar a qualidade do biocrude.
• Proporção biomassa/água: A relação biomassa/água é o parâmetro que afeta a concentração de biomassa, a disponibilidade de água e a diluição da água. A faixa típica de relação biomassa-água para CHTL é de 5-20%, o que é ideal para alcançar um alto rendimento e qualidade do biocrude, evitando ao mesmo tempo a viscosidade da pasta de biomassa, a escassez de água e a diluição do biocrude. Razões mais elevadas entre biomassa e água podem aumentar o rendimento e a qualidade do biocrude, mas também aumentar o consumo de energia e o tamanho do equipamento.
• Tipo e carga do catalisador: O tipo e a carga do catalisador são os parâmetros que influenciam a atividade, a seletividade e a estabilidade do catalisador, bem como o rendimento e a qualidade do biocrude. Os tipos típicos de catalisadores para CHTL são catalisadores homogêneos, catalisadores heterogêneos ou catalisadores híbridos, que podem ser classificados de acordo com sua fase, composição ou estrutura. Catalisadores homogêneos são catalisadores que estão na mesma fase que os reagentes, como ácidos, bases ou sais, que podem melhorar a hidrólise da biomassa, a desoxigenação do biobruto ou a esterificação do biobruto. Catalisadores heterogêneos são catalisadores que estão em uma fase diferente dos reagentes, como metais, óxidos ou carbonetos, que podem melhorar a hidrogenação da biomassa, a desnitrogenação do biobruto ou a dessulfurização do biobruto . Catalisadores híbridos são catalisadores que combinam as vantagens de catalisadores homogêneos e heterogêneos, como catalisadores suportados, catalisadores core-shell ou catalisadores bifuncionais, que podem melhorar a conversão de biomassa, a atualização do biocrude ou a recuperação do catalisador. A faixa típica de carga de catalisador para CHTL é de 0,1-10%, o que é ideal para alcançar um alto rendimento e qualidade de biocrude, evitando ao mesmo tempo a desativação do catalisador, a lixiviação do catalisador ou o envenenamento do catalisador.

Alguns dos desafios do CHTL para a produção de biocrude a partir de algas são:

• Como otimizar as condições de reação, como temperatura, pressão, tempo de residência e tipo de catalisador, para maximizar o rendimento e a qualidade do biocrude. (1, 9))
• Como reduzir o consumo de energia e água do processo, especialmente para as etapas de pré-tratamento de biomassa, desidratação e atualização de biocrude, (9, 10)
• Como gerir os subprodutos do processo, tais como a fase aquosa, os sólidos residuais e as emissões gasosas, que podem conter nutrientes, produtos químicos ou poluentes valiosos. (9, 11)

Os pesquisadores estão trabalhando em várias soluções para enfrentar esses desafios, como o desenvolvimento de novos catalisadores, a integração da recuperação de coprodutos e o acoplamento do CHTL com outros processos de conversão. (1, 9, 11). CHTL é uma tecnologia promissora para a produção de biocombustíveis sustentáveis a partir de algas e outras fontes de biomassa.

Como o CHTL se compara a outras tecnologias de biocombustíveis? (12, 13)

CHTL, ou liquefação hidrotérmica catalítica, é um processo que converte biomassa, como algas, em petróleo bruto, uma fonte de energia renovável e de baixo carbono.

Comparado com outras tecnologias de biocombustíveis, o CHTL apresenta algumas vantagens e desvantagens.

Algumas das vantagens são:

• O CHTL tem uma elevada eficiência de conversão, pois pode converter até 80% da energia da biomassa em petróleo bruto.
• O CHTL tem baixos requisitos de matéria-prima, pois pode utilizar biomassa húmida sem necessidade de secagem ou redução de tamanho.
• O CHTL é compatível com a infra-estrutura petrolífera existente, uma vez que o petróleo bruto biológico pode ser co-processado com o petróleo bruto convencional nas refinarias.

Algumas das desvantagens são:

• O CHTL requer um catalisador, que pode ser caro, escasso ou propenso à desativação. (13)
• A CHTL produz um petróleo bruto que é ácido, instável e contém impurezas, como nitrogênio, enxofre e oxigênio.
• O CHTL consome muita energia e água, especialmente para as etapas de pré-tratamento de biomassa, desidratação e atualização de biocrude,

Portanto, o CHTL é uma tecnologia promissora que pode produzir biocombustíveis sustentáveis a partir de biomassa, mas também enfrenta alguns desafios que precisam de ser abordados através de mais investigação e desenvolvimento. (14)

Concluindo, a liquefação hidrotérmica catalítica (CHTL) é uma tecnologia promissora que pode converter biomassa de algas em petróleo bruto, uma fonte de energia renovável e de baixo carbono. O CHTL tem várias vantagens sobre outros métodos de conversão de biomassa, tais como elevada eficiência de conversão, baixos requisitos de matéria-prima e compatibilidade com a infra-estrutura petrolífera existente. No entanto, o CHTL também enfrenta alguns desafios, como a seleção e desativação de catalisadores, a qualidade e estabilidade do biocrude e a otimização e integração de processos. Para superar estes desafios, são necessárias mais investigação e desenvolvimento para melhorar a compreensão do mecanismo de reação, cinética e termodinâmica do CHTL, bem como para explorar o potencial de coprocessamento, co-liquefação e atualização do biocrude. CHTL é uma tecnologia promissora que pode contribuir para o desenvolvimento sustentável da bioenergia e da biorrefinaria. Para mais conhecimento e informações práticas sobre conversão de algas em biocombustíveis e bioquímicos veja nosso livro ALGAE Coloring the Future Green na Amazon Books.

Referencias:

(1) https://link.springer.com/article/10.1007/s12155-023-10615-5.

(2) https://www.nrel.gov/docs/fy13osti/58051.pdf.

(3) https://www.mdpi.com/2227-9717/10/2/207/htm.

(3a) https://www.instagram.com/reel/Cex2l2YIniD/

(4) https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/gc/d0gc02893b.

(5) https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-020-11942-2.

(6) https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-19-0680-0_5.

(7) http://www.osti.gov/bridge

(8) http://www.ntis.gov/help/ordermethods.aspx.

(9) https://www.energy.gov/sites/default/files/2021-04/beto-43-peer-review-2021-algae-anderson.pdf.

(10) https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-1804-1_11.

(11) https://www.mdpi.com/1996-1073/14/21/6992.

(12) https://energsustainsoc.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13705-014-0020-x.

(13) https://link.springer.com/article/10.1007/s10311-021-01273-0.

(14) https://bmcenergy.biomedcentral.com/articles/10.1186/s42500-019-0004-7.