Prof. Donato A. G. Aranda, Ph. D Greentec Lab

UFRJ (Federal University of Rio de Janeiro)

FlRJAN, Setembro - 2014

Biorrefinaria de Microalgas

Brazilian Biodiesel Program

B2 mandatory at Jan/2008 (850,000 ton/year)

B3 mandatory at Jul/2008 (1,300,000 ton/year)

B4 mandatory at Jul/2009 (1,800,00 ton/year)

B5 mandatory at Jan/2010 (2013, originaly)

67 biodiesel plants (> 8,000,000 ton/year, capacity)

43,000 gas stations providing B5

B7 – 2014 ! (4.2 million ton/year – Biodiesel)

B20 and B100 in some bus fleets

(São Paulo, more than 3,000 buses using B20)

3

Direct Social Impacts

2010

103,000 small producers

4

Jobs

2005-2010

1,300,000

grãos

lavoura processamento transporte posto

5

Diesel Imports

Diesel Imports

1,000,000 m3/month

2013 (Jan-Setembro)

Fonte:

Average value:

US$ 0.83/Liter

R$ 1.95/Liter

Diesel importado mais caro que o Biodiesel em 2013 !

Soot and Aromatics

Emissions

• CO2 emissions drop 65-72% in Brazilian biodiesel

(LCA, Delta CO2)

• So far, about 25 million mton of avoided CO2 emissions

• Biodiesel has no sulphur !!!

• CO, Soot and Aromatics significantly reduced

Bio Jet Fuel

Two main processes to obtain bio-isoparaffins:

Biomass Gaseification + Fischer Tropsch + Hydroisomerization

Hydrotreating Esters and Fatty Acids (HEFA)

International Aviation Organizations looking just for “drop in” biofuels

Bio Jet Fuel

Fatty Acid

FATTY ACID DEOXYGENATION FOR BIO-JETFUEL

PRODUCTION

Bio jet fuel (1-Pd/K10, 30 bar H2 e 6 h)

First Flight in Brazil

During Rio+20 United Nations Conference on Sustainable Development

Primeiro Voo Comercial com Bioquerosene no Brasil

Biodiesel Feedstocks

Boletim Mensal dos Combustíveis Renováveis, nº 45 | setembro | 2011

Soybean Biodiesel (Output/Input Energy~ 3)*

* NREL (USA) http://www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24089.pdf

Soybean produces 4 times more meal than biodiesel.

5 kg of Soybean produces: 4 kg of Soybean meal + 1 liter of biodiesel

Massive soybean meal production reduces protein based food prices !

MICROALGAE – NEW TREND FOR BIODIESEL PRODUCERS

Soybean Oil per hectare: 450 liter/ha.year

Palm Oil per hectare: 5,000 liters/ha.year (however, it spends 5 years to start production)

Algae Oil per hectare: More than 400,000 liters/ha.year

Main feed for algae: CO2 !!!

Waste water can be used and treated by some algae

Main species: Chlorela, Spirulina, Monoraphidium, Scenedesmus,

Dunaliela, Nanochloropsis. (> 200,000 species)

Low investment Raceways

Problems: Evaporation + Contamination

Feasibility: Spirulina prices at US$ 15-20/kg, Not for fuel !!

Microalgae Production in Transparent PBRs Like soybean, Protein and Lipids simultaneously produced

At each 24 hours, biomass weight increases

3 times !!

1st Day 2nd Day

3rd Day 8 AM 3rd Day 2 PM

Biomassas concentradas na

Unidade Piloto

Biomassa úmida de

Monoraphidium sp. (MORF-1)

Biomassa úmida de

Chlamydomonas sp.

Expensive Transparent Materials

Glass: US$ 150/m2

Polycarbonate: US$ 200/m2

Much more expensives than materials like:

Carbon Steal

Polyethylene

PVC

US$ 10/m2

Photobioreactors with sunlight concentrators

PBR with sunlight concentrator

Sunlight Prisms

Fresnel Lens

Photobioreactor with optic fibers

Much cheaper and feasible !

Esquema do PBR Proposto

Rastreador

Lente de Fresnel

Fibras óticas Plásticas (POF)

Tanque Opaco

Sistema de iluminação interna testado

Ensaios exploratórios – Monoraphidium sp.

Tratamento das POFs

Como serão dispersas as fibras dentro do tanque?

Rastreador solar

Concentrador Solar Greentec/UFRJ

Biorefinery Treatment for Algae Biomass

Algas

Anti-oxidantes and PU Fatty Acids (Omega 3, Omega 6)

Lipids

Protein (human and animal feeding)

Esterification Hydrotreating

Biodiesel

US$ 100 – 500/kg

US$ 1-1.2/kg

US$ 1/kg

0.5-2%

40-60%

10-40%

(90% água)

Antioxidantes (US$ +500/kg ) Ômega 3 (US$ 100/kg)

Biorefinery Model

Ácidos graxos

• Ácidos graxos saturados

• Ácidos graxos insaturados

C

C

O

HO

O

HO

Ác. Esteárico

Ác.Oleico

MUFAs

PUFAs

PUFAs de interesse comercial

• Ômega 6

• Ômega 3

Ácido eicosapentaenóico (EPA) Ácido docosahexaenóico (DHA)

Métodos de purificação de PUFAs

• Destilação molecular • Fluidos supercríticos • Métodos enzimáticos • Extração a frio com centrifugação • Complexo de ureia

Complexo de ureia

• Baseia-se nas propriedades da cristalização da ureia por a interação com as moléculas.

• Os canais da ureia podem ser ocupados por cadeias orgânicas com estrutura linear e com um número de carbono superior a seis para favorecer a cristalização.

Etanol + Ureia +

Ác.graxo Reação

70 °C 4 °C

Etanol + Ureia +

Ác.graxo

filtração

Ureia, Ác graxo saturado

e MUFAs

Etanol + PUFAs

Cristalização

Esquema do processo

Aplicação do método de complexo de ureia

• Obtenção de PUFAs para aplicações alimentícias.

• Obtenção de Biodiesel com baixo ponto de congelamento

• Baixar o índice de acidez dos óleos.

SAPONIFICAÇÃO

1h de reação a 80 ºC

Biomassa úmida de microalgas - Centrifugada

Sln. Hidroalcoólica de

KOH

CENTRIFUGAÇÃO

Hexano

Sabão

Fração

Insaponificável

(Antioxidantes –

Carotenóides) +

Hexano

Evaporação de

Solvente

Fração Insaponificável

(Antioxidantes – Carotenóides)

Hexano

Recuperado

Produto da saponificação

Biomassa Residual

Úmida

SEPARAÇÃO

Hexano

Fração líquida

saponificada

ACIDULAÇÃO

2h de reação a 80 ºC

H2SO4, calculado

estequiometricamente para

neutralizar a quantidade de

KOH adicionada na

saponificação Produto da acidulação

LAVAGEM, SEPARAÇÃO,

RECUPERAÇÃO DO HEXANO

E SECAGEM

Água

Resíduo de ácido sulfúrico,

água + K2SO4

ESTERIFICAÇÃO

1h de reação a 200 ºC

Ácidos Graxos

Álcool

Catalisador

Biodiesel

Água

Hexano

Recuperado

Ômega 3

High Protein Concentration in Algae

(More than 60%)

Hydrolized Algae Powder Shrimp Farm

Planta no Brasil deverá ser

inaugurada em 2014.

Parceria com a Bunge

Planta de 100 mil ton/ano

Orindiúva-SP

Conclusions

Following the soybean model (with much larger productivity), Microalgae production

must be considered in a muliti-products biorefinery concept.

Coproducts like Omega 3 and Antioxidants and High Proteic Meal are very important

to provide cheap and feasible algae biofuels.

Reduction in CAPEX using sunlight concentrators

Brazilian Biodiesel Program is quite successful with strong social impacts and

strategical domestic energy production

Food crops like soybean not necessary a problem since soybean meal is

simultaneously produced (4 times more than oil)

Agradecimentos à equipe

Em especial: Leonardo Bacelar (Petrobras) e Greg Mitchell (UC-San Diego)

Thank you !

www.greentec-ufrj.com www.procat-ufrj.com

“ God causes all things to work together for good to those who love Him” ( Rm 8,28)