Biodigestor – Fatores Químicos, Físicos e Biológicos Relacionados à Sua Produtividade

Biodigestor – A produção de biogás é um processo natural que ocorre espontaneamente em um ambiente anaeróbio, ou seja, sem oxigênio. Este processo é causado por microrganismos como parte do ciclo biológico da matéria orgânica que envolve a fermentação ou digestão da matéria orgânica para a obtenção do biogás.

Biodigestores são sistemas projetados para otimizar a produção de biogás a partir de resíduos agrícolas, estrume ou efluentes industriais, obtendo assim energia limpa e de baixo custo de uma fonte renovável.

O uso dessa tecnologia não é novo, mas nos últimos anos vem ganhando interesse devido à atual crise energética decorrente do esgotamento dos combustíveis fósseis.

Além disso, o uso do biogás ajuda a reduzir as emissões de gases de efeito estufa como o metano (CH 4 ), cujo potencial de aquecimento global é 23 vezes maior que o do dióxido de carbono (CO 2 ).

Em países como Alemanha e França, o biogás é usado como combustível para veículos motorizados. No entanto, na Costa Rica e em outros países em desenvolvimento, o uso de biogás tem sido limitado aos locais onde é produzido, onde pode ser usado diretamente para combustão para cozinhar ou iluminação, ou indiretamente, para acionar motores de combustão interna que geram motores ou elétricos poder.

No Instituto Tecnológico da Costa Rica (ITCR), um projeto financiado pelo Vice-reitor de Pesquisa (VIE) foi implementado em 2008. Seu objetivo era desenvolver um sistema eletrônico de controle e proteção sem fio para monitorar a produção, compressão e armazenamento de biogás de um biodigestor. Um dos objetivos específicos do projeto era pesquisar métodos para acelerar a decomposição da matéria-prima e aumentar a produção de gás.

Os parâmetros matemáticos relacionados à produtividade do biodigestor são apresentados neste documento. Além disso, vários fatores químicos, físicos e biológicos que afetam este processo são discutidos.

Parâmetros matemáticos relacionados à produtividade de um biodigestor

Um dos parâmetros para estimar a produção de biogás em um biodigestor é a produtividade do metano ou produtividade metanóica. Isso é definido como a quantidade de metano gerada em uma unidade de tempo a partir do material colocado no reator.

A expressão matemática para calcular a produtividade do metano de um determinado resíduo orgânico em um determinado tempo é a seguinte:

Onde V CH4 é o volume de metano gerado; V reator é o volume de matéria colocado na câmara de fermentação e t é o tempo para o local da produção.

A produção de metano é limitada pela natureza da matéria colocada no sistema digestor. A fórmula para estimar a geração máxima de metano para um determinado produto é a seguinte:

BiodiGestor

Onde V CH4 é o volume de metano gerado e S org total é a quantidade total de matéria orgânica usada no processo.

Nas seções a seguir deste documento, uma análise detalhada é apresentada a respeito da influência de fatores químicos, como composição do substrato, combinações de substrato, adição de gordura e presença de inibidores na produtividade do biodigestor.

Fatores químicos de um biodigestor

1. Composição química do substrato

Os substratos ideais para a digestão anaeróbia em biodigestores são resíduos orgânicos úmidos de atividades agrícolas, industriais, domésticas e municipais, bem como excrementos humanos e animais.

Resíduos da indústria alimentícia e da atividade agrícola em particular são excelentes substratos para a digestão anaeróbia, uma vez que não contêm poluentes, agentes patogênicos ou metais pesados.

A presença de nutrientes como carbono, nitrogênio e enxofre, bem como alguns oligoelementos, é necessária para o crescimento das comunidades microbianas que produzem biogás.

A proporção de nitrogênio de carbono deve ser de 20-30 partes de carbono para cada parte de nitrogênio. Se a participação do nitrogênio aumenta, a produção de biogás pode diminuir devido à formação de amônia, que é gerada durante a degradação anaeróbia da ureia ou proteínas.

A amônia livre pode inibir a fermentação anaeróbica e é tóxica para bactérias metanogênicas.

Não é recomendado usar um único tipo de substrato. Ao contrário, é ideal combinar materiais ricos em nitrogênio com materiais ricos em carbono para obter um equilíbrio de nutrientes que promoverá o crescimento de microorganismos degradadores de matéria orgânica dentro do biodigestor, aumentando assim sua produtividade.

2. Combinações de substrato

Desde 1999, as usinas alemãs de produção de biogás misturam excrementos animais com resíduos industriais de alimentos, agricultura, mercados, restaurantes e do setor municipal.

A produtividade das excretas bovinas e suínas utilizadas como biomassa varia de 25-36 m 3 / ton de massa fresca, visto que seu teor de matéria orgânica seca é baixo (2-10%). Além disso, sua relação carbono / nitrogênio é inferior a 25: 1, ou seja, são ricos em nitrogênio.

Enquanto isso, a produção de biogás de culturas como beterraba forrageira, milho, sorgo doce e cevada é de -1000m 3 por tonelada de massa orgânica seca. A relação carbono / nitrogênio desses substratos é superior a 30: 1, ou seja, são ricos em carbono.

A co-digestão dessas safras resulta não apenas em um forte aumento na produtividade do biogás, mas também em uma redução de oligoelementos nos resíduos digeridos.

Rodríguez et al. (1997 ) analisaram a produtividade de uma combinação de esterco com a planta Eichornia crassipes , e de cada substrato separadamente, e descobriram que os digestores aos quais E. crassipes foram adicionados apresentaram a maior produtividade, enquanto aqueles contendo esterco foram menos produtivos. Quando os dois substratos foram combinados, os autores descobriram que a adição de E. crassipes melhorou a produtividade do esterco.

Esses estudos reforçam o conceito de combinar diferentes tipos de substratos para equilibrar a proporção de nutrientes disponíveis para as comunidades microbianas responsáveis ​​pela produção de biogás.

3. Adição de gordura

As gorduras vegetais possuem alto potencial energético devido à sua composição química e alto teor de lipídios que podem ser degradados por bactérias anaeróbias.

Quando adicionados a biodigestores, podem aumentar a produtividade do biogás em até 2.400%. Três tratamentos foram testados em um estudo conduzido na Costa Rica por pesquisadores da EARTH University.

Os testes consistiram em adicionar 0%, 2,5% e 5% de óleo a um biodigestor fornecido com excrementos de suínos e bovinos. Houve um aumento direto na produtividade com o aumento da porcentagem de óleo.

O teste de linha de base com 0% de óleo gerou 244 litros de biogás; o teste de tratamento com 2,5% de óleo gerou 342 litros; e o teste de tratamento com 5% de óleo adicionado gerou 477 litros ( Dias et al., 2007 ).

Martínez (2008 ) alerta que o uso de gorduras animais pode aumentar o risco de transmissão de doenças. Ele também sugere o pré-tratamento de resíduos de restaurantes, mercados e municípios para reduzir o tamanho das partículas, separar os poluentes potenciais do processo de digestão e facilitar a aplicação subsequente de resíduos tratados anaerobicamente no solo. Com relação a este último ponto, ele recomenda a pasteurização a 70 ºC por uma hora para eliminar os germes patogênicos.

Pode-se concluir que o uso de gorduras vegetais em combinação com substratos ricos em nitrogênio e carbono aumenta a produtividade do biodigestor.

4. Inibidores da produção de biogás

Além da amônia livre, segundo García et al . (2006 ), o sufonato de alquilbenzeno linear (LAS) é o surfactante aniônico mais importante encontrado em produtos de limpeza domésticos e industriais. Na maioria dos digestores, a adição de surfactantes causa uma redução na taxa de produção de biogás.

Isso deve ser levado em consideração ao adicionar resíduos domésticos e industriais a um biodigestor em operação, uma vez que a inclusão acidental desses materiais pode reduzir a produtividade em vez de aumentá-la.

Fatores físicos de um biodigestor

1. Temperatura

A biodigestão anaeróbia pode ocorrer em temperaturas variando de 5 a 60 ° C. As bactérias metanogênicas são mais sensíveis à temperatura do que os outros microrganismos de um biodigestor, pois sua taxa de crescimento é mais lenta.

O processo de digestão anaeróbia não é afetado pelo aumento da temperatura em alguns graus. Porém, uma queda na temperatura pode atrasar a produção de metano, sem prejudicar as bactérias acidificantes, causando um acúmulo excessivo de ácidos e uma possível falha no biodigestor.

Portanto, esforços devem ser feitos para manter um microclima quente no biodigestor, o que, por sua vez, favorecerá maiores taxas de produção de biogás ( Bidlingmaie, 2006 ; Osorio et al., 2007 ).

Uma estratégia para aumentar a temperatura do biodigestor, e mantê-la constante, é construir uma estrutura leve forrada com plástico de estufa, que também ajudará a excluir animais que possam danificá-la.

2. Separação de sólidos

Impurezas como plástico ou areia devem ser separadas por meio de técnicas de flotação e sedimentação. Além disso, uma redução no tamanho das partículas de resíduos sólidos para 10-40 mm é necessária para alcançar uma melhor acessibilidade biológica e fluxo de substrato ( Weiland, 2000 ).

De acordo com Kasapgil et al. (2001 ), a utilização de membranas tubulares sem suporte para ultrafiltração, unidas ao biodigestor como unidade externa, produz um aumento significativo na quantidade de biogás com valor energético produzido.

Esta é uma medida de baixo custo que pode ser facilmente implementada na entrada de qualquer biodigestor.

3. Extração de proteína do lodo

Cui e Jahng (2006 ), descobriram que a desintegração do lodo e subsequente extração de proteínas melhorou significativamente a geração de biogás, bem como o teor de metano no biogás produzido a partir do lodo desproteinizado, que subiu de 55,6% (v / v) (controle) para 74,8%.

Isso ocorre porque 40-50% do peso seco de uma célula microbiana consiste em proteínas que geram amônia. Como mencionado anteriormente, a amônia livre inibe a produção de biogás porque é tóxica para bactérias metanogênicas. Portanto, a extração de proteínas do lodo pode otimizar a produção e a qualidade do biogás.

Os autores deste estudo realizaram a desproteinização do lodo por meio de tratamento térmico a 121ºC, por sonicação (uso de ondas de ultrassom) e por desnaturação do pH alcalino. Dessas alternativas, a menos viável de aplicar na Costa Rica é a sonicação, uma vez que seria necessário adquirir equipamentos caros.

4. Separação de fases

No geral, cerca de 70% da biomassa é convertida em metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). Para aumentar esse percentual, é necessária uma separação das fases que compõem a digestão anaeróbia da matéria orgânica – ou seja, hidrólise (degradação de compostos orgânicos complexos em compostos simples), acidogênese (remoção de ácidos graxos), acetogênese (produção de acetato) e metanogênese (geração de metano). Assim, as condições de pH e temperatura em cada processo podem ser otimizadas ( Gleixner, 2007 ; Antoni et al., 2007 ; Park et al. 2008. )

Kon et al. (2006 ) desenvolveram um sistema trifásico modificado para fermentação de metano. Os processos de hidrólise semianaeróbia e acidogênese foram realizados na primeira fase.

A acidogênese estritamente anaeróbia foi realizada na segunda fase, e a metanogênese estritamente anaeróbia foi realizada na terceira fase. O fluido ácido produzido no fermentador acidogênico secundário foi usado como substrato, e o fluido metanogênico criado no fermentador metanogênico foi usado como inóculo.

Espécies de Clostridiumforam usados ​​como microrganismos na fermentação acidogênica. Uma mistura de bactérias isoladas do solo e de esterco de vaca foi usada na fermentação metanogênica.

Na reação, 8 litros da mistura de substrato e inóculo (1: 1) foram colocados no reator metanogênico. Cada reator foi operado a temperaturas que aumentaram de 30 ° C a 55 ° C em intervalos de 5 ° C.

Mudanças no pH, CODs e produção de gás foram monitoradas. Como resultado, as taxas de hidrólise, acidogênese e metanogênese aumentaram sem afetar o pH, e níveis elevados de produção de metano ocorreram.

Porém, apesar das vantagens apontadas na literatura, a maioria das usinas agrícolas de biogás utiliza a tecnologia monofásica, pois sua instalação e manutenção são menos dispendiosas.

4. Fatores biológicos de um biodigestor

1. Adição de bactérias termofílicas

A produtividade de um sistema de digestão anaeróbia está principalmente relacionada à estrutura da comunidade microbiana presente no digestor. Os parâmetros ambientais e operacionais do processo afetam o comportamento, a produtividade e, eventualmente, o destino da comunidade microbiana em digestores anaeróbios.

Além disso, a natureza e a influência do lodo usado para inoculação também devem ser levados em consideração ( Demirel e Scherer, 2008 ). Por exemplo, de acordo com Miah et al . (2005), a adição de uma pequena quantidade de bactérias termofílicas aeróbias (AT) tem um grande potencial como um tratamento de baixo custo para acelerar a digestão anaeróbia de resíduos biológicos.

A adição de 5% (v / v) de lodo de TA metanogênico ao lodo metanogênico aumentou a produção de biogás com uma concentração de metano de 50-67%. Isso se deve ao fato de que, durante a solubilização do lodo, as enzimas da bactéria TA excretada influenciaram a hidrólise do lodo durante a digestão anaeróbia.

No entanto, é necessário ter uma temperatura de operação próxima a 65ºC para trabalhar com o TA, o que aumenta o custo do processo.

2. Importância dos metanógenos

De acordo com Demirel e Scherer (2008 ), diferenças nas condições ambientais e operacionais afetam o comportamento de metanógenos acetotróficos e hidrogenotróficos em um digestor de biogás.

Os metanógenos acetotróficos são anaeróbios obrigatórios que convertem o acetato em metano (CH 4 ) e dióxido de carbono (CO 2 ). Sua atividade e função são altamente importantes durante a conversão anaeróbica de acetato.

Por outro lado, a atividade de metanógenos hidrogenotróficos é crucial para um funcionamento estável e eficiente do biodigestor, embora a presença de hidrogênio possa ser um fator dificultador para esses microrganismos.

Para promover o aumento da produtividade do biodigestor, eles podem ser inoculados com fontes conhecidas de microrganismos metanogênicos, como o rúmen de vaca, que é uma alternativa eficaz e de baixo custo.

Conclusão sobre o biodigestor

A produtividade de um biodigestor está principalmente relacionada à estrutura da comunidade microbiana nele utilizada. Além disso, a produção de metano é limitada pela natureza da matéria colocada no sistema digestor.

No entanto, por meio da manipulação dos fatores químicos, físicos e biológicos discutidos neste documento, a produção de biogás pode ser facilmente adaptada à demanda de energia atual.

Vale destacar as abordagens de custo relativamente baixo, como combinação de substratos, adição de gorduras, separação de sólidos e inoculação de biodigestores com microrganismos metanogênicos.

A investigação em curso para reforçar o nosso conhecimento nesta área está a ser realizada no ITCR através de um projecto multidisciplinar financiado pelo Vice-reitor de Investigação e Extensão (VIE).

Está prevista a construção de um biodigestor de polietileno para fazer os testes de campo. A pesquisa subsequente se concentrará em métodos de purificação de biogás para obter metano altamente purificado que pode ser engarrafado e transportado.

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