PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE RESÍDUO AGRÍCOLA DA BANANICULTURA

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1 PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DE RESÍDUO AGRÍCOLA DA BANANICULTURA Ozair Souza 1,2* ; Gustavo Alexandre Achilles Fischer 1 ; Elias Luiz de Souza; Noeli Sellin 1,2 ; Cíntia Marangoni 1,2 1 Engenharia Química, 2 Mestrado em Engenharia de Processos, Univille, Joinville-SC, Brasil. * ozair.souza@univille.br RESUMO: A região nordeste de Santa Catarina é a maior produtora de bananas do estado catarinense. Para cada tonelada de banana Musa cavendischii colhida, aproximadamente quatro toneladas de resíduos vegetais são gerados. A metanização controlada dessa biomassa apresenta-se como uma alternativa bastante atrativa, pois além de contribuir com a remoção dos resíduos do campo possibilita ao agricultor o uso de uma fonte renovável de energia. O objetivo deste trabalho foi avaliar o uso do resíduo casca de banana (C), folhas (F) e pseudocaule (P) da bananeira como substrato da fermentação metanogênica e estabelecer a sua influência sobre a produção de gás metano. Foram avaliadas três composições diferentes de substrato em processo de batelada repetida utilizando reator de mistura (30 C, ph 7,2) com 7 L de volume de trabalho e 25 g/l de massa seca de substrato (ST): Ensaio E1-50% de C, 25% de F e 25% de P; Ensaio E2-50% de C e 50% de P; Ensaio E3-100% de C. Todos os resíduos foram utilizados in natura com tamanho de partícula de 1 a 3 mm. Como cultura inicializadora da metanização (cultura start) foi utilizado 3,5 L de inóculo composto por 60% v/v de suspensão microbiana proveniente de unidade de geração de biogás de dejetos de suínos e 40% v/v de suspensão microbiana proveniente de lixiviado de compostagem. Após 35 dias de metanização, foi alcançado o rendimento médio em CH 4 de 178,2 NL G /kg ST para E1, 193,3 para E2 e 343,4 para E3. Em todos os ensaios realizados a fração volumétrica de CH 4 no biogás gerado foi superior a 60% com redução percentual da carga orgânica acima de 57% para DQO. Palavras-chave: biomassa, biocombustível, energia alternativa, energia renovável, gás metano. BIOGAS PRODUCTION FROM AGRICULTURAL WASTE OF THE BANANA CULTURE ABSTRACT: The Northeastern region of Santa Catarina is the largest producer of bananas in the state. For each tonne of harvested banana Musa cavendischii, approximately four tonnes of waste biomass are generated. The controlled methanisation of this biomass is a very attractive alternative, once beyond to contribute to the removal of waste from the field, also allows the farmer to use an alternative source of energy and consequent reduction in the cost of banana cultivation. The aim of this study was to evaluate the use of this biomass using different compositions of substrate and establish their influence on methane production. Three methanisation tests were carried out with the a batch repeated process in a mixing reactor (30 C, ph 7.2) with 7 L working volume containing 25 g/l of dry weight of substrate (ST): E1-50% of banana peel, 25% of leaf and 25% of pseudostem; E2-50% of banana peel and 50% of pseudostem; E3-100% banana peel. All residues were used in nature with particle size of 1 to 3 mm. Inoculum of 3.5 L, consisting of 60% v/v of the microbial suspension from biogas generation unit from pig slurry and 40% v/v of the microbial suspension from leached composting, was used as the methanisation starter culture. After 35 days of methanisation, it was reached the CH 4 average yield of 178,2 NL G /kg ST for E1, 193,3 for E2 and 343,4 for E3. In all tests carried out, after 35 days of methanisation, the

2 volumetric fraction of CH 4 in biogas generated was greater than 60% with a percentage reduction of the organic load above 57% for DQO. Keywords: biomass, biofuel, alternative energy, renewable energy, methane. INTRODUÇÃO Os resíduos gerados na agroindústria estão disponíveis em abundância em todo o país e Santa Catarina, por ser o 3º maior produtor de bananas do brasil (CEPA, 2011), é capaz de gerar anualmente cerca de 2,5 milhões de toneladas de biomassa residual dos quais 75% é pseudocaule, 12% folhas e 11% cascas (SOUZA et al., 2010). A remoção desse tipo de resíduo do campo visando reduzir o seu impacto ao meio ambiente está evidenciada atualmente em todo o mundo, especialmente no sentido de aplicar tecnologias para o seu aproveitamento como fonte alternativa de energia. Existem diferentes tecnologias para o aproveitamento energético desse tipo de resíduo, entre as quais a produção de biogás. Sabe-se que a composição do biogás varia de acordo com as características do tipo de resíduos e as condições de funcionamento do processo de biodigestão e que os seus principais constituintes são o metano (60-80% v/v) e o dióxido de carbono (20-40% v/v). outros gases em menores proporções, como sulfeto de hidrogênio, nitrogênio, hidrogênio e monóxido de carbono podem também fazer parte da composição do biogás. segundo Schalch & Moraes (1988), um metro cúbico de biogás possui equivalência energética a 0,80 kg de carvão vegetal, 1,5 kg de lenha, 0,55 l de óleo diesel 0,45 kg de glp e 1,43 kwh em energia elétrica. A potencialidade do uso da casca de banana, pseudocaule e folhas de bananeira para a produção de biogás já foi constatada por Federizzi (2008) e Souza et al. (2010) porém, sem se preocuparem com a proporcionalidade desses resíduos na composição do substrato da fermentação. O objetivo deste trabalho foi avaliar a influência dessa composição sobre a produção de gás metano e estimar os respectivos valores de rendimento de CH 4 em função da massa de resíduo empregada. MATERIAL E MÉTODOS Como substrato da fermentação foram utilizados os resíduos in natura casca de banana, folhas e pseudocaule da bananeira Musa cavendischii previamente trituradas até tamanho médio da partícula abaixo de 3 mm (inspeção visual). Os ensaios de fermentação foram realizados em reator de bancada empregando o processo de batelada repetida e volume de trabalho de 7 L, 30 C e ph 7,2. Como cultura inicializadora da fermentação (cultura start) empregou-se 3,5 L de suspensão composta por 60% v/v de efluente de biodigestor em operação em granja de criação de suínos e 40% v/v de lixiviado obtido de material proveniente de compostagem. A retirada de 50% do volume de trabalho e reposição de igual volume de substrato fresco foi realizada a cada 35 dias de processo, sempre com valor da demanda química de oxigênio no caldo de fermentação acima de 8 g/l para evitar a escassez de carboidrato no reator e a redução da eficiência metabólica da flora microbiana existente. Foram avaliadas três diferentes composições de substratos (em massa seca): Ensaio 1-50% casca de banana (C), 25% pseudocaule (P) e 25% folhas (F), Ensaio 2-50% C e 50% P, Ensaio % C. Tanto no início dos experimentos como periodicamente até final de cada etapa de fermentação foram retiradas amostras para as determinações dos valores de demanda química de oxigênio (DQO) através de kit DQO reagente da Hach Company, sólidos totais (ST) por análise gravimétrica (105 C/48h) empregando cadinhos de porcelana e cinco mililitros de amostra e composição do biogás gerado (CH 4, CO 2 e H 2 S) por cromatografia de fase gasosa empregando coluna HP-PLOT Q da Agilent e detector de condutividade térmica (TCD) com temperatura de 250 ºC e

3 vazão de referência He a 20 ml/min e N 2 (makeup) a 7,0 ml/min conforme Federizzi (2008). O volume de biogás produzido diariamente foi determinado a partir da leitura do deslocamento de coluna de água acondicionada em proveta graduada de 2 L conforme proposto por Souza et al. (2010). Na parte superior da proveta foi adaptado um conector na forma de Y para a retirada de amostra e para a determinação da temperatura do gás através de um termômetro de mercúrio. O volume de biogás produzido foi convertido em volume de gás nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP) e expresso na unidade NL. Os resultados obtidos nos experimentos foram submetidos à análise de variância através do teste de Tukey com nível de significância de 5% (ANOVA). RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 apresenta os resultados médios obtidos nos ensaios realizados após a primeira repetição da fermentação em batelada repetida para cada uma das três diferentes composições de substrato empregada. De acordo com o decréscimo da DQO apresentado na Tabela 1 pode-se verificar que, após 35 dias do início da metanização da carga orgânica do reator, em todos os ensaios realizados houve a redução de mais de 57% da DQO disponível. Essa porcentagem pode ser incrementada com maior tempo de residência do substrato no reator o que não foi realizado para evitar a limitação do processo fermentativo pela ausência de fonte de carbono no meio e a consequente redução da eficiência metabólica dos micro-organismos existentes. A produção acumulada de biogás nos ensaios E1 e E2 foi de 36,8 NL com rendimento em biogás (R G ) de 178,2 NL G /kg ST para E1 e de 193,3 NL G /kg ST para E2. Os respectivos rendimentos em gás metano (R CH4 ) foram de 119,0 e 121,8 NL CH4 /kg ST. Ao empregar somente a casca de banana como substrato (Ensaio E3) houve acréscimo de 73% na produção de biogás e de 92,7% no rendimento em gás metano (R CH4 = 343,4 NL CH4 /kg ST ) em relação ao ensaio E1 e de 64,5% em comparação ao ensaio E2. Deivanai & Kasturi (1995) e Kalia et al. (1995), trabalhando com processo descontínuo, empregaram como substrato o pseudocaule de bananeira puro e alcançaram valores de rendimento em gás metano em torno de 63 e 229 NL CH4 /kg ST com 30 e 57 dias de metanização, respectivamente. O uso da mistura do pseudocaule com 50% de casca de banana utilizada no ensaio E2 proporcionou um incremento em R CH4 da ordem de 95% em comparação a Deivanai & Kasturi (1995), porém foi 23% inferior ao valor obtido por Kalia et al. (1995). O maior rendimento obtido por Kalia e colaboradores pode ser explicado pelo fato de que os autores não utilizaram a biomassa in natura como neste trabalho e sim previamente tratada (tratamento químico a quente) conseguindo com isto aumentar a biodegradabilidade do resíduo pelos micro-organismos consumidores. Os valores de rendimento obtidos neste trabalho denotam a potencialidade do uso dos resíduos pseudocaule, folhas e principalmente, casca de bananas como substrato de fermentação na geração de biogás. De acordo com Souza et al. (2010), tendo em vista tanto a capacidade calorífica do biogás (5000 kcal/kg) em relação à lenha com 40% de umidade (2400 kcal/kg), como o custo médio de obtenção de ambos (R$ 0,65/kg e R$ 0,35/kg, respectivamente), verifica-se que a produção de biogás a partir desses resíduos passa a ser viável economicamente a partir do uso de biodigestores com capacidade mínima de geração diária de 10 m 3 de biogás. A construção de um biodigestor tipo indiano que necessita, basicamente, apenas de cimento, areia e tijolo, com capacidade volumétrica de 50 m 3 de volume, tem custo aproximado de R$ 8.000,00. Tomando-se como base de cálculo um rendimento mínimo de 15 NL G /kg ST pode-se gerar até 3650 m 3 de biogás por ano. Este valor, em termos econômicos, equivale a aproximadamente R$ 4.500,00, tornando o retorno do investimento original em torno de 3 anos do início de operação. Nesta análise não foi

4 considerado o ganho financeiro que pode advir dos créditos de carbono comercializáveis nas bolsas de valores desde que se possuam as certificações (RCES - reduções certificadas de emissões) emitidas pelo conselho executivo do mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL) com aprovação da Organização das Nações Unidas. CONCLUSÕES Ficou evidenciado neste trabalho que o uso apenas de casca de banana como substrato de fermentação por possibilitar maior rendimento e maior volume de gás metano produzido durante o mesmo período de metanização de substrato contendo pseudocaule e folhas de bananeira é o mais indicado para a produção de gás metano. No entanto, em função da grande disponibilidade desses resíduos no campo, principalmente o pseudocaule, recomenda-se a realização de usos alternativos para o seu aproveitamento. A produção de etanol de 2ª geração do pseudocaule e a geração de energia térmica das folhas secas parece ser boa alternativa. O uso integrado das tecnologias de produção de biogás, produção de etanol de 2ª geração e geração de calor por combustão ou de duas delas merece atenção especial, pois pode contribuir com a autossuficiência energética. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CEPA Centro de Socieconomia e Planejamento Agrícola de Santa Catarina. Síntese Anual da Agricultura de Santa Catarina Disponível em Acessado em Setembro de Devanai, K.; Kasturi, R. B. Batch biomethanization of banana trash and coir pith. Bioresource Technology, v.52, p , Federizzi, M. Potencialidade do uso de resíduos lignocelulósicos da bananicultura como substrato de fermentação do processo de metanização. Dissertação de Mestrado em Engenharia de Processos, UNIVILLE, Joinville, 111p., Kalia, V.C.; Joshi, A.P. Conversion of waste biomass (Peaschells) into hydrogen and methane through anaerobic digestion. Bioresource Technology, v.53, p , Schalch, V.; Moraes, A.J. Biogás: a energia vinda do lixo urbano e sua relação com a produção e característica do chorume. Revista de Limpeza Pública, Jul-Ago, p.21-30, Souza, O.; Federizzi, M.; Coelho, B.; Wagner, T.M.; Wisbeck, E. Biodegradação de resíduos lignocelulósicos gerados na bananicultura e sua valorização para a produção de biogás. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.14(4), p , 2010.

5 Tabela 1 Valores médios de sólidos totais (ST), demanda química de oxigênio no inicio (DQO o ) e no término da fermentação (DQO f ), produção diária de biogás (V G ) e composição volumétrica do biogás gerado (CH 4, CO 2 e H 2 S) obtidos na biodigestão de diferentes composições do substrato de fermentação após 35 dias de fermentação. PARÂMETROS EXPERIMENTOS 1 E1 E2 E3 ST (g/l) 29,5 27,2 26,5 DQO o (g/l) 20,5 18,7 20,5 DQO f (g/l) 8,8 7,5 7,5 V G 2 (NL G /L.d) 0,15 0,15 0,26 CH 4 (% v/v) 66,8 63,0 74,0 CO 2 (% v/v) 33,2 37,0 26,0 H 2 S (% v/v) Composição do substrato (em percentagem de massa seca de resíduo) utilizado em cada ensaio: Ensaio E1-50% de casca de banana, 25% de folhas e 25% de pseudocaule; Ensaio E2-50% de casca e 50% de pseudocaule; Ensaio E3 100% de casca. 2 Unidade expressa em normal litros de biogás produzido por litro de volume de trabalho no reator e por dia de fermentação.