Biorrefinaria de microalgas para produção biocombustíveis e pontos de carbono

Abstract

As microalgas são microrganismos que reúnem características interessantes, apresentado vantagens em seus cultivos quando comparadas a outras oleaginosas. Além disso, a biomassa de microalgas tem sido relatada na literatura como uma promissora fonte para obtenção de diversos produtos de interesse industrial como, lipídeos (ácidos graxos e carotenoides) proteínas e carboidratos. A biorrefinaria de microalgas é um sistema industrial sustentável que integra processos de conversão da biomassa em bioprodutos de valor agregado. Novos produtos de valor agregado têm sido estudados a fim de aumentar viabilidade econômica das biorrefinarias. Desta forma, o objetivo deste trabalho é analisar o cenário da pesquisa no tratamento de efluentes com consórcio de microalgas e propor uma rota de biorrefinaria de microalgas partindo do tratamento de efluentes da indústria do couro até a obtenção de produtos finais, a partir de dados encontrados na literatura. Para assim, apresentar cada etapa e calcular os rendimentos dos produtos da pirólise, levando em conta uma aplicação para o biochar (gerado na etapa de pirólise da microalga Chlorella sorokiniana). Por fim, realizar a síntese de pontos de carbono (Carbon Dots - CDs) a partir do biochar, que podem ser usados como sensores para detecção de íons metálicos. Primeiramente, foi realizada uma análise dos trabalhos encontrados na literatura sobre o tratamento de águas poluídas utilizando consórcio de microalgas. Em seguida, foi feita uma análise das etapas de uma biorrefinaria de microalgas com dados encontrados na literatura, para propor um nova rota de biorrefinaria e calcular o rendimento dos bioprodutos de interesse da rota. Esta rota inicia com o tratamento de efluentes de curtume, seguida da recuperação de biomassa e pirólise. Os três bioprodutos da pirólise (bio-óleo, biochar e gás) foram analisados e aplicações foram propostas de acordo com o rendimento dos produtos finais. Os resultados mostram que 1.000 m3 de efluente de curtume geram 11,58 ton de biomassa seca de microalgas, gerando 28,95 gal de diesel e 48,68 gal de gasolina e 68,79 kg de pontos de carbono. A proposta da biorrefinaria apresentada é um processo de economia circular sustentável, pois reutiliza os produtos (CO2, biochar, além de dar um destino ao efluente da indústria do couro). Neste trabalho também foram sintetizados pontos de carbono de biochar de microalgas através de despolimerização termoquímica com KMnO4 em diferentes concentrações. A caracterização dos CDs foi realizada por meio de intensidade de fluorescência, Potencial Zeta, Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Microscopia de Força Atômica (AFM). Os resultados mostraram que todas as amostras apresentaram fluorescência, sendo que as amostras sintetizadas com KMnO4 nas concentrações de 8,54 % e 10,0 % (CD-BMK8,54 e CD-BMK10,0, respectivamente) apresentaram maior intensidade de fluorescência máxima e boa estabilidade. Ao adicionar Cr (VI) e Cr (III) às amostras CD-BMK8,54 e CD-BMK10,0, foi possível notar que houve extinção da fluorescência (nos comprimentos de extinção de 330 nm e 350 nm) à medida que a concentração de íons metálicos aumentou, exceto para a amostra CDBMK10,0 com Cr (III), no comprimento de 350 nm, mostrando que esta amostra apresenta seletividade para extinção apenas para Cr (VI). Desta forma, a biorrefinaria ganha novos coprodutos para agregar maior valor econômico ao processo e tornar a produção de biocombustíveis viável para competir com os combustíveis convencionais.

Microalgae are microorganisms that have interesting characteristics, presenting advantages in their cultures when compared to other oilseeds. In addition, microalgae biomass has been reported in the literature as a promising source for obtaining various products of industrial interest, such as lipids (fatty acids and carotenoids), proteins and carbohydrates. The microalgae biorefinery is a sustainable industrial system that integrates biomass conversion processes into value-added bioproducts. New value-added products have been studied in order to increase the economic viability of biorefineries. Therefore, the objective of this work is to propose a microalgae biorefinery route starting from the treatment of effluents from the leather industry to obtaining final products, presenting each step and calculating the yields, and to propose an application for biochar (generated in the microalgae Chlorella sorokiniana pyrolysis method: the synthesis of carbon dots (Carbon Dots - CDs) that can be used as sensors for detecting metal ions. Firstly, an analysis of works found in the literature on the treatment of polluted water using microalgae consortium was carried out. Then, an analysis of the stages of a microalgae biorefinery was carried out with data found in the literature, to propose a new biorefinery route and calculate the yield of the bioproducts of interest in the route. This route starts with the treatment of tannery effluents, followed by biomass recovery and pyrolysis. The three bioproducts generated in pyrolysis (bio-oil, biochar and gas) are analyzed and some of their applications have been proposed according to the yield of the final products. The results show that 1,000 m3 of tannery effluents produce 11.58 tons of dry microalgae biomass, generating 28.95 gal of diesel and 48.68 gal of gasoline and 68.79 kg of carbon points. The proposal of the biorefinery presented is a sustainable circular economy process, as it reuses the products (CO2 and biochar in the process and beyond the destination to the effluent from the leather industry). In this work, carbon dots from microalgae biochar were also synthesized through thermochemical depolymerization with KMnO4 at different concentrations. After this step, the purification of the nanoparticles was performed. The characterization of the CDs was performed using fluorescence intensity, Zeta Potential, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Atomic Force Microscopy (AFM). The results showed that all samples showed fluorescence, with samples synthesized with KMnO4 at concentrations of 8.54% and 10.0% (CD-BMK8.54 and CD-BMK10.0, respectively) which showed the highest maximum fluorescence intensity and good stability. By adding Cr (VI) and Cr (III) to samples CD-BMK8.54 and CD-BMK10.0, it was possible to notice that there was quenching of fluorescence (in the quenching lengths of 330 nm and 350 nm) as the concentration increased. of metallic ions increased, except for the sample CD-BMK10.0 with Cr (III), in the length of 350 nm, showing that this sample presents selectivity for extinction only for Cr (VI). The advantage of using residual biochar from the bioenergy industry is the possibility of coupling the production of nanomaterials with the microalgae biorefinery. In this way, the biorefinery gains new coproducts to add greater economic value to the process and make the biofuel production process viable to compete with conventional fuels.