Feasibility analysis of microalgae derived biodiesel

Abstract

A obtenção de biocombustíveis a partir de microalgas pode revelar-se uma alternativa potencialmente atrativa comparativamente à produção de combustíveis fósseis a sua utilização possui vantagens significativas do ponto de vista de minimização da poluição ambiental. O objetivo principal desta tese consiste em investigar os procedimentos necessários à eliminação das lacunas entre os testes laboratoriais e a produção industrial em grande escala. Para tal, procedeu-se à investigação e análise das tecnologias necessárias à viabilidade comercial da produção de biodiesel a partir de microalgas. Algumas estirpes de microalgas foram cultivadas em condições distintas e os seus lípidos foram extraídos usando várias técnicas. De seguida produziu-se biodiesel através do processo de transesterificação. Testes à qualidade do biodiesel produzido foram conduzidos de acordo com os padrões Europeus de qualidade com base na normativa EN14214:2003. Adicionalmente, foi feito um estudo de impacto económico e ambiental abrangendo todo o processo de produção. Os resultados experimentais obtidos permitiram determinar a altura ótima da colheita da biomassa e revelaram o papel do fotoperíodo e do fornecimento de CO2 à cultura. A análise da qualidade da produção de biodiesel a partir de microalgas cultivadas nas regiões de Aveiro, Almeria e Vigo confirmou a sua aptidão usando a normativa Europeia. Os resultados indicaram ainda que a utilização de águas residuais como meio de crescimento conduziu à necessidade de menos nutrientes. A análise económica comparativa sugeriu que a valorização dos co-produtos pode representar uma condição necessária à viabilidade do processo. uma modernização do projeto de instalação (por exemplo, a valorização do coproduto, de modo a aumentar as receitas do sistema). A Análise de Ciclo de Vida indicou que a fase de extração teve o maior impacto nas emissões (é responsável por 94% de gases por efeito de estufa – GEE e 84% de energia utilizada e obtida a partir de combustíveis fósseis – FEC) enquanto a fase de cultivo permitiu reduzir as emissões totais (-4% de GEE e -2% de FEC). O estudo de sensibilidade sugeriu um decréscimo acentuado nas emissões (8.9 e 4.5 vezes de GEE e FEC, respetivamente) usando recuperação dos solventes usados nos processo de extração a 95% face ao valor de 50%. A conclusão deste trabalho realçou a potencialidade das microalgas como matéria-prima no que concerne à produção de biodiesel. Se os riscos de contaminação forem evitados, as grandes lagoas abertas desempenharão um papel fundamental para a viabilidade global da otimização do processo produtivo de biomassa em grande escala.

Microalgae derived biofuel is becoming attractive as a renewable fuel, promoting potential advantages resulting from its capability to reduce environmental pollution. The main objective of this thesis is to investigate the requirements to bridge the gap between laboratory scale testing and its industrial production. The research was focused on the characterization and analysis of the technologies required to obtain commercially viable microalgae derived biodiesel. Several microalgae strains were cultivated in different conditions and their lipids were extracted using different techniques and chemically trans-esterified to biodiesel. Quality testing of the produced biodiesel was performed (in accordance to the European biodiesel quality standard EN14214:2003) An economic and environmental study was developed for the whole production pathway. This approach projects that maximum biomass is obtained at the end of the ‘exponential phase’ of microalgae growth and that high illumination increases the biomass concentration irrespective of the aeration rate. Quality analysis confirmed that the analyzed properties of biodiesel produced from microalgae’s grown in Aveiro, Almería and Vigo region comply with the European standard. The use of wastewater as a growth medium does not compromise biodiesel quality and implies the use of less nutrients. A comparative economic analysis showed that the facility design used in this work requires upgrading since co-product valorization can add revenue and improve feasibility. The life cycle assessment study highlights the high contribution to emissions from the extraction step (94% greenhouse gas emission -GHG and 84% fossil energy consumption - FEC) while the cultivation step adds positive value to the total emissions (-4% GHG and -2% FEC). A sensitivity study highlighted the relevant reduction in emission (8.9 times GHG emission and 4.5 times FEC) with 95% solvent recovery when compared with 50% solvent recovery. The work concludes that microalgae have the potential to become a good feedstock for biodiesel production and if contamination risks can be avoided then large open ponds will play a vital role in large quantity biomass production hence optimizing overall feasibility