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Publicação
Microalgae Biomass Biorefinery: Development and Implementation of Processing Strategies in an Industrial Unit in Portugal
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Resumo(s)
Throughout the years, we have witnessed a disturbing increase in the consumption of resources provided by our planet as the world population increases. Microalgae have been receiving much interest as a promising feedstock for biorefinery products, such as nutraceuticals or protein for human food and animal feed applications, as these microorganisms are extremely competitive with other plant crops.
The ultimate goal of this thesis is to develop a sustainable and economically viable biorefinery for the co-production of several added-value products from Nannochloropsis sp. biomass, and compare its economic results with other solutions that attempt to set up a dedicated production facility to produce a single product (e.g., biodiesel). This work comprises the optimisation of several unit operations that are essential to the development of a refining process of Nannochloropsis sp. biomass.
Firstly, the Nannochloropsis sp. biomass stabilisation through heat treatment was performed. The stabilisation step aimed to minimise the lipid hydrolysis reactions by inactivating the enzymes responsible for catalysing those reactions. This step is of extreme importance as the main product of the proposed biorefinery is an EPA-rich lipid fraction. The optimised operating conditions (95 ºC for 3 min) were able to prevent the degradation of the lipids present in the wet biomass after the cellular disruption. The cellular disruption is also particularly important for Nannochloropsis sp. as this strain possesses a robust cell wall. Bead milling was proposed as a suitable technique and the operating conditions were optimised to enhance the cellular disruption. The optimised conditions for a pilot-scale bead mill revealed that it is possible to achieve almost 95% of cellular disruption with a single pass at a flow rate of 10 L.h-1 and a tip speed of 14 m.s-1.
Additionally, biomass fractionation steps were studied. Membrane technology was selected to produce a permeate enriched in soluble proteins, free from coloured chlorophyll a, insoluble proteins, and with low lipid content. Two different operating approaches were evaluated - controlled transmembrane pressure and controlled permeate flux – under concentration and diafiltration modes. Ultrafiltration operated in a diafiltration mode, under controlled permeate flux conditions, led to the highest soluble protein recovery (78%) with the highest constant permeate flux (12 L.m-2.h-1) and low membrane fouling.
On the other hand, a solvent extraction methodology was selected to produce an EPA-rich polar lipid extract. The solvent selected (ethanol) is considered a GRAS solvent (Generally Recognized as Safe), and a food grade solvent. The ethanol to biomass ratio was optimised, and a techno-economic evaluation was performed. The extraction with a solvent to biomass ratio (v/w) of
5 mL.g-1 allowed a final extraction efficiency of 71%, with the lowest production cost.
Finally, a biorefinery concept based on EPA-rich Nannochloropsis sp. is proposed, based on a downstream process where different value-added compounds are targeted. The techno-economic performance of a single product value chain and a multiproduct value chain biorefinery were compared. Also, a comparative analysis between five scenarios with different operational costs was performed. Therefore, the Net Present Value (NPV), the Internal Rate of Return (IRR), and the Payback Period were calculated and compared. The baseline designed multi-product biorefinery resulted in estimated economic performance indicators that correspond to an IRR of 20.3%, and a payback period of 4.7 years.
Ao longo dos últimos anos, temos vindo a assistir ao aumento preocupante do consumo dos recursos fornecidos pelo nosso planeta, aumentando assim a busca por fontes que possam substituir esses recursos. As microalgas surgem como uma fonte promissora de vários produtos, como por exemplo suplementos alimentares ou proteína para alimentação humana e animal, uma vez que estes microrganismos são extremamente competitivos com outras culturas vegetais. O objetivo principal desta tese de doutoramento é desenvolver uma biorrefinaria não só economicamente viável, mas também ambientalmente e socialmente sustentável, para a produção de diferentes produtos de valor acrescentado a partir da biomassa de Nannochloropsis sp.. A comparação dos resultados económicos da biorrefinaria proposta com os resultados de outras soluções que apostam na definição de unidades de produção dedicadas à produção de apenas um produto final (ex. biodiesel), será também um dos objetivos desta tese. Este trabalho será focado na otimização de diversas operações unitárias essenciais à biorrefinaria de Nannochloropsis sp.. Em primeiro lugar, foi realizada a estabilização da biomassa de Nannochloropsis sp. através de um tratamento térmico. O objetivo desta etapa foi minimizar as reações de hidrólise lipídica, através da inativação das enzimas responsáveis por catalisar essas mesmas reações. As condições de operação otimizadas (95 °C por 3min) permitiram prevenir a degradação dos lípidos presentes na biomassa húmida, após a rutura celular. A rutura celular é também um passo particularmente importante no caso da Nannochloropsis sp., uma vez que esta espécie é conhecida por possuir uma parede celular robusta. A rutura celular em moinho de esferas foi proposta como a técnica mais adequada e as suas condições de operação foram otimizadas de forma a atingir o máximo de rutura celular. As condições otimizadas para um moinho de esferas em escala piloto revelaram que é possível atingir quase 95% de rutura celular com uma única passagem a um caudal de operação de 10 L.h-1 e uma velocidade de rotação do veio de 14 m.s-1. Adicionalmente foi estudado o fracionamento da biomassa. A tecnologia de membranas foi selecionada para produzir um permeado enriquecido em proteínas solúveis, livre de clorofila a e de proteínas insolúveis e com baixo teor de lípidos. Foram avaliadas duas abordagens operacionais - pressão transmembranar controlada e fluxo de permeado controlado - nos modos de concentração e diafiltração. A ultrafiltração operada no modo de diafiltração, sob condições controladas de fluxo de permeado, resultou numa maior recuperação de proteína solúvel (78%) e permitiu manter um fluxo de permeado mais elevado (12 L.m-2.h-1). Por outro lado, foi selecionada e testada uma metodologia de extração com solvente de forma a produzir um extrato de lípidos polares rico em EPA. O solvente selecionado (etanol) é um solvente considerado seguro e de grau alimentar. O rácio etanol/biomassa foi otimizado e uma avaliação técnico-económica foi realizada. A extração com uma razão (v/w) solvente/biomassa de 5 mL.g-1 resultou numa eficiência final de extração de 71%, exibindo esta um custo de produção menor. Finalmente, foi desenvolvido um processo de biorrefinaria de forma a fracionar e recuperar compostos de valor acrescentado. Foi realizada a comparação entre o desempenho técnico-económico de uma unidade produtiva para produção de um produto único e uma biorrefinaria multiproduto. Além disso, foi realizada uma análise comparativa entre cinco cenários cujos custos operacionais se diferenciam devido às disparidades existentes no preço de compra da biomassa. Foram calculados e comparados o valor presente líquido (VPL), a taxa interna de retorno (TIR) e o período de retorno. A biorrefinaria multiproduto projetada teve como resultados do seu desempenho económico uma TIR de 20.3% e um período de retorno de 4.7 anos.
Ao longo dos últimos anos, temos vindo a assistir ao aumento preocupante do consumo dos recursos fornecidos pelo nosso planeta, aumentando assim a busca por fontes que possam substituir esses recursos. As microalgas surgem como uma fonte promissora de vários produtos, como por exemplo suplementos alimentares ou proteína para alimentação humana e animal, uma vez que estes microrganismos são extremamente competitivos com outras culturas vegetais. O objetivo principal desta tese de doutoramento é desenvolver uma biorrefinaria não só economicamente viável, mas também ambientalmente e socialmente sustentável, para a produção de diferentes produtos de valor acrescentado a partir da biomassa de Nannochloropsis sp.. A comparação dos resultados económicos da biorrefinaria proposta com os resultados de outras soluções que apostam na definição de unidades de produção dedicadas à produção de apenas um produto final (ex. biodiesel), será também um dos objetivos desta tese. Este trabalho será focado na otimização de diversas operações unitárias essenciais à biorrefinaria de Nannochloropsis sp.. Em primeiro lugar, foi realizada a estabilização da biomassa de Nannochloropsis sp. através de um tratamento térmico. O objetivo desta etapa foi minimizar as reações de hidrólise lipídica, através da inativação das enzimas responsáveis por catalisar essas mesmas reações. As condições de operação otimizadas (95 °C por 3min) permitiram prevenir a degradação dos lípidos presentes na biomassa húmida, após a rutura celular. A rutura celular é também um passo particularmente importante no caso da Nannochloropsis sp., uma vez que esta espécie é conhecida por possuir uma parede celular robusta. A rutura celular em moinho de esferas foi proposta como a técnica mais adequada e as suas condições de operação foram otimizadas de forma a atingir o máximo de rutura celular. As condições otimizadas para um moinho de esferas em escala piloto revelaram que é possível atingir quase 95% de rutura celular com uma única passagem a um caudal de operação de 10 L.h-1 e uma velocidade de rotação do veio de 14 m.s-1. Adicionalmente foi estudado o fracionamento da biomassa. A tecnologia de membranas foi selecionada para produzir um permeado enriquecido em proteínas solúveis, livre de clorofila a e de proteínas insolúveis e com baixo teor de lípidos. Foram avaliadas duas abordagens operacionais - pressão transmembranar controlada e fluxo de permeado controlado - nos modos de concentração e diafiltração. A ultrafiltração operada no modo de diafiltração, sob condições controladas de fluxo de permeado, resultou numa maior recuperação de proteína solúvel (78%) e permitiu manter um fluxo de permeado mais elevado (12 L.m-2.h-1). Por outro lado, foi selecionada e testada uma metodologia de extração com solvente de forma a produzir um extrato de lípidos polares rico em EPA. O solvente selecionado (etanol) é um solvente considerado seguro e de grau alimentar. O rácio etanol/biomassa foi otimizado e uma avaliação técnico-económica foi realizada. A extração com uma razão (v/w) solvente/biomassa de 5 mL.g-1 resultou numa eficiência final de extração de 71%, exibindo esta um custo de produção menor. Finalmente, foi desenvolvido um processo de biorrefinaria de forma a fracionar e recuperar compostos de valor acrescentado. Foi realizada a comparação entre o desempenho técnico-económico de uma unidade produtiva para produção de um produto único e uma biorrefinaria multiproduto. Além disso, foi realizada uma análise comparativa entre cinco cenários cujos custos operacionais se diferenciam devido às disparidades existentes no preço de compra da biomassa. Foram calculados e comparados o valor presente líquido (VPL), a taxa interna de retorno (TIR) e o período de retorno. A biorrefinaria multiproduto projetada teve como resultados do seu desempenho económico uma TIR de 20.3% e um período de retorno de 4.7 anos.
Descrição
Palavras-chave
Nannochloropsis sp. Microalgae biorefinery Heat treatment Cellular disruption Ultrafiltration/ Diafiltration Lipid extraction Techno-economic assessment