Separation processes in microalgae biorefining

Abstract

Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de nous enfocaments per a processos de separació en la producció de biodièsel a partir de microalgues mitjançant tecnologia de membranes. Entre totes les etapes implicades en el procés, aquesta tesi se centra en la investigació de la deshidratació de microalgues mitjançant l'ús de diverses tècniques de filtració de membrana i en la transesterificació mitjançant l'ús d'un reactor catalític de membrana. L'etapa de collita és una de les principals responsables del cost final del biodièsel de microalgues, i la reacció de transesterificació necessita la utilització de massa quantitat d'aigua i moltes etapes que fan que aquest procés sigui inviable econòmicament per a aquesta aplicació. Calen millores en aquest sentit, a partir de la investigació de mètodes i materials més barats per al primer procés a configuracions més simples per a l'últim.

Per assolir aquests objectius s'han realitzat estudis específics per a aquesta aplicació en: (i) nous materials en la filtració per membrana, a partir de polímers ja coneguts (PSF, PAN), a partir de polímers generalment no emprats en la indústria de la membrana (ABS, PETG, CA de serradures); (ii) noves tecnologies en la deshidratació de les microalgues, com un sistema de filtració vibratòria de flux transversal; (iii) noves perspectives en la reacció de transesterificació, amb la utilització de catalitzador heterogeni immobilitzat en una membrana polimèrica.

Finalment, la permeabilitat és el paràmetre més estudiat en la tecnologia de filtració per membrana per a l'avaluació dels fenòmens de embrutiment. Aquest paràmetre depèn de moltes variables i el seu estudi és particularment important quan s'utilitzen membranes sintetitzades amb característiques desconegudes. Per simplificar la seva obtenció s'ha dut a terme un estudi teòric sobre la predicció de permeabilitat de la membrana amb el desenvolupament d'un model pensat per membranes poroses.

Esta tesis se centra en el desarrollo de nuevos enfoques para procesos de separación en la producción de biodiesel a partir de microalgas mediante tecnología de membranas. Entre todas las etapas implicadas en el proceso, esta tesis se centra en la investigación de la deshidratación de microalgas mediante el uso de varias técnicas de filtración de membrana y en la transesterificación mediante el uso de un reactor catalítico de membrana. La etapa de cosecha es una de las principales responsables del coste final del biodiesel de microalgas, y la reacción de transesterificación necesita la utilización de demasiada cantidad de agua y muchas etapas que hacen que este proceso sea inviable para esta aplicación. Se necesitan mejoras en este sentido, a partir de la investigación de métodos y materiales más baratos para el primer proceso a configuraciones más simples para el último.

Para alcanzar estos objetivos se han realizado estudios específicos para esta aplicación en: (i) nuevos materiales en la filtración por membrana, a partir de polímeros ya conocidos (PSf, PAN) a polímeros generalmente no empleados en la industria de la membrana (ABS, PETG, CA de serrín); (ii) nuevas tecnologías en la deshidratación de las microalgas, como sistema de filtración vibratoria de flujo transversal; (iii) nuevas perspectivas en la reacción de transesterificación, con la utilización de catalizador heterogéneo inmovilizado en una membrana polimérica.

Por último, la permeabilidad es el parámetro más estudiado en la tecnología de filtración por membrana para la evaluación de los fenómenos de ensuciamiento. Este parámetro depende de muchas variables y su estudio es particularmente importante cuando se utilizan membranas sintetizadas con características desconocidas. Para simplificar su obtención un estudio teórico final se ha llevado a cabo en la predicción de permeabilidad de la membrana con el desarrollo de un modelo pensado para membranas porosas.

This thesis focuses on the development of new approaches for separation processes in biodiesel production from microalgae by membrane technology. Biodiesel production from microalgae is a theme being developed in the last years that still need more investigation in order to reduce its costs. Among all steps involved in the process this thesis focuses the investigation of the microalgae dewatering by using several membrane filtration techniques and on transesterification by using a catalytic membrane reactor. Harvesting step is one of the major responsible of the final cost of microalgae biodiesel, and transesterification reaction needs the utilisation of too much quantity of water and many stages that make it unfeasible for this application. Enhancements are needed in this sense, starting from the research of cheaper methods and materials for the first process to simpler configurations for the latter one. Considerable attention has been dedicated to the complete understanding of membrane filtration technology in this application from the laboratory to the pilot plant scale.

To reach these goals specific studies have been performed for this application on: (i) new materials in membrane filtration, from polymers already known (PSf, PAN) to polymers usually not employed in membrane industry (ABS, PETg, sawdust CA); (ii) new technologies in microalgae dewatering, as vibrating cross-flow filtration system; (iii) new perspectives in the transesterification reaction, with the utilization of heterogeneous catalyst immobilized on a membrane.

Finally, permeability is the most studied parameter in membrane filtration technology for the evaluation of fouling phenomena. This parameter depends from many variables and its study is particularly important when synthesized membranes with unknown characteristics are used. To simplify its attainment a final theoretical study has been carried out on membrane permeability prediction by the development of a model conceived for porous membranes.