Secagem de biomassa de microalga Scenedesmus obliquus com energia solar concentrada

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Resende, Michael de Oliveira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Viçosa; Engenharia Agrícola
• Palavras-chave em Português: Energia - Fontes alternativas; Microalga - Secagem; Energia solar; Dinâmica dos fluidos - Simulação por computador; Óptica - Análise; Análise térmica; Engenharia de Processamento de Produtos Agrícolas
• Link de acesso: https://locus.ufv.br//handle/123456789/29892; https://doi.org/10.47328/ufvbbt.2022.056

A necessidade por novas fontes de energia renováveis e sustentável são um dos maiores desafios e interesse de pesquisa na área de energia. Dentre essas, as microalgas são uma fonte de matéria- prima promissora de lipídios para produção de biodiesel, de carboidratos para etanol, proteínas para a alimentação. Em menores quantidades, as microalgas também contêm pigmentos e antioxidantes que podem ser utilizados em diversos setores. Durante seu crescimento, as microalgas realizam fotossíntese, absorvendo CO 2 da atmosfera. Além disso, é uma cultura que não compete diretamente com a produção de alimentos e não utiliza espaço de outras culturas agrícolas. Na utilização da biomassa de microalgas, uma etapa muito importante e com elevada demanda de calor é a secagem. Essa etapa é considerada crítica, pois pode inviabilizar a produção em larga escala, sobretudo para produtos de baixo valor como o biodiesel. Assim, o uso da energia solar como fonte de calor para secagem de produtos com grande quantidade de água é considerado pela literatura como a mais promissora. Porém, a secagem por exposição direta ao sol acarreta muitas perdas de qualidade da biomassa. Por ser possível controlar as condições de secagem, a coleta e armazenamento da energia solar para uso em câmaras de secagem torna-se imprescindível. Logo, este trabalho objetivou desenvolver e avaliar um sistema fechado de secagem de biomassa de microalgas, usando a coleta de energia solar por captação em calha parabólica com armazenamento térmico. Inicialmente, diferentes configurações de geometrias absorvedoras foram investigadas utilizando a dinâmica de fluidos computacional visando a alocação da geometria de melhor desempenho no interior de tubos a vácuo de aquecedores residenciais. Foram propostas três geometrias distintas, as quais apresentaram rendimentos térmicos de 97 %, 33,4 % e 98 % de, respectivamente. De posse da geometria com eficiência de 97 % e considerada tecnicamente mais simples de ser confeccionada, foi construído um sistema de calha parabólica com rastreamento solar e sistema de armazenamento térmico. Esse protótipo foi testado usando rastreamento solar e totalmente estático, durante o inverno e o verão para se verificar sua eficiência e capacidade de armazenamento térmico. Os resultados demonstraram eficiências ópticas e térmicas muito baixas para os sistemas sem rastreamento. Os sistemas com rastreamento obtiveram ganhos de energia úteis de até 123,5% no inverno e até 110,15% no verão em comparação ao sistema sem rastreamento. A análise econômica indica um custo nivelado de energia (LCOH) de 0,56 e 2,26 US$ kWh -1 para os sistemas com e sem rastreamento, respectivamente. Com os dados referente ao sistema de coleta e armazenamento solar, foi desenvolvido uma câmara de secagem para Scenedesmus obliquus em bandejas (camada fina, 5 mm). Foram avaliadas a cinética de secagem, a energia específica necessária e as características do produto seco, como cor, teor de pigmentos, análise centesimal e perfil de ácidos graxos. Os resultados da secagem foram comparados com três outros métodos de secagem: por exposição direta ao sol, por estufa de secagem e por liofilização, sendo esse último o tratamento controle quanto a qualidade da biomassa seca. A umidade final (base seca) para a secagem por exposição ao sol, secador de bandeja, estufa de secagem e liofilização foram 0,131±0,03 (p/p), 0,115±0,01 (p/p), 0,123±0,02 (p/p) e 0,026±0,01 (p/p), respectivamente. As difusividades efetivas obtidas nos ensaios cinéticos para a secagem por exposição direta ao sol, secador de bandeja, estufa de secagem foram 1,5 × 10 -8 m 2 s -1 , 1,52 × 10 -8 m 2 s -1 , 1,27 × 10 -8 m 2 s -1 , respectivamente. As energias específicas necessárias para a secagem por exposição direta ao sol, secador de bandeja, estufa de secagem e liofilização foram 244,61MJ kg -1 de água, 20,4 MJ kg -1 de água, 202,83 MJ kg -1 de água, 737,64 MJ kg -1 de água, respectivamente. Além disso, a biomassa seca no secador de bandeja desenvolvido, não apresentou diferença significativa em relação ao método padrão (liofilização) em relação a qualidade final do produto analisado. Diante disso, foi possível verificar a viabilidade da utilização de sistema de concentração de energia solar como fonte promissora para a secagem de biomassa de microalgas. Palavras-chave: Concentração Solar. Dinâmica de fluidos computacional. Cinética de secagem. Análise óptica. Análise térmica. Energias renováveis.