Transporte de massa e calor de dispersões aquosas de microalgas em atomizadores

Orientador: Prof. Dr. Everton Fernando Zanoelo

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos. Defesa : Curitiba, 02/08/2019

Inclui referências: p. 81-92

Resumo: O objetivo do presente trabalho foi determinar a cinética de secagem de microalgas por atomização, a fim de empregá-la como uma operação integrada de tratamento térmico e secagem. Os principais impactos práticos esperados da aplicação desta técnica de secagem são o incremento dos rendimentos de extratos de ácidos graxos, e redução de custo do processo global de produção de biodisel a partir desta matéria-prima, principais obstáculos atuais para uma produção comercial de combustível renovável a partir de microalgas. Neste contexto, foram realizados experimentos de secagem de gotas de água livres de sólidos, e de gotas de dispersões aquosas com microalgas, para investigação da cinética de secagem nos períodos convectivo e difusivo, respectivamente. Em ambos os casos, as gotas formadas com microseringas foram depositas manualmente sobre uma superfície hidrofóbica de politetrafluoretileno (PTFE), a qual encontrava-se inserida em uma câmara de secagem operada a aproximadamente 38, 47 e 54 ºC, e em velocidades do ar de secagem de ~0,5 e 1,0 m/s. A cinética de secagem no período convectivo (com gotas contendo ou não contendo microalgas) foi reproduzida corretamente por equações de conservação de massa e energia envolvendo coeficientes convectivos de secagem ajustados para reproduzir os resultados de perda de massa das gotas livres de sólidos. O transporte de água das microalgas para o seio da fase fluida no período difusivo de transporte de massa, ou seja, para valores de umidade dos sólidos inferiores a uma umidade crítica de aproximadamente 3,4 kg/kg, foi descrito pela Segunda Lei de Fick para esferas isotérmicas sem resistências convectivas, e com coeficiente calculado de difusividade efetiva de aproximadamente 1,4??10-13 m²/s. Como esperado, o incremento da velocidade e temperatura do ar contribuíram positivamente para a cinética de secagem no período convectivo. De forma igualmente consistente, a alteração da velocidade do ar não resultou em qualquer mudança na cinética de secagem no período difusivo. Ensaios de extração com amostras idênticas de microalgas, envolvendo etanol como solvente, em idênticas condições de temperatura, razão sólido-solvente, e tempo de extração, mas secas por atomização, e em secador de bandeja foram realizados. Os rendimentos de extratos das amostras secas por atomização foram em geral 100 % superiores aos rendimentos dos extratos das amostras de microalgas desidratadas em estufa.

Abstract: The objective of the present work was to determine the drying kinetics of microalgae by atomization in order to use it as an integrated operation of heat treatment and drying. The main practical impacts expected from the application of this drying technique are the increase of yields of fatty acid extracts and reduction of the cost of the overall biodiesel production process from this raw material, which are the main current obstacles to commercial production of renewable fuel from microalgae. In this context, drying experiments of droplets without solids and drops of aqueous dispersions of microalgae were carried out to investigate drying kinetics in the convective and diffusive periods, respectively. In both cases, the drops formed with microsyringe were manually deposited on a hydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) surface, which was placed in a drying chamber operated at approximately 38, 47 and 54 ° C, and at air velocities of drying of ~ 0.5 and 1.0 m/s. The drying kinetics in the convective period (with droplets containing or not containing microalgae) were reproduced correctly by mass and energy conservation equations involving convective drying coefficients adjusted to reproduce the mass loss results of the droplets without solids. The water transport from the microalgae to the fluid phase in the diffusive mass transport period, that is, for moisture values below a critical moisture of approximately 3.4 kg/kg, was described by the Fick's second law for isothermal spheres without convective resistance, and with a calculated coefficient of effective diffusivity of approximately 1.4??10-13 m²/s. As expected, the increase in air velocity and temperature contributed positively to the drying kinetics in the convective period. Consistently, the change in air velocity did not result in any change in the drying kinetics in the diffusive period. Extraction assays with identical samples of microalgae, involving ethanol as solvent, under the same conditions of temperature, solid-solvent ratio, and extraction time, but spray-dried, and tray drier were performed. The extract yields of the spray dried samples were generally 100% higher than the yields of the extracts of the microalgae samples dehydrated in the oven.