EVALUATION OF THE BIOGAS PRODUCTION POTENTIAL FROM BEER MANUFACTURE RESIDUES

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1 2.5-Hasan-Brasil-1 EVALUATION OF THE BIOGAS PRODUCTION POTENTIAL FROM BEER MANUFACTURE RESIDUES 1 Camila Hasan *, Eugênia de Vargas Hickmann 2, Franciele Bücker 2, Odorico Konrad 1 Abstract The anaerobic digestion of organic waste is an alternative that can assist in waste treatment by promoting a renewable energy source generation, the biogas. Wastewater and organic waste are generated in large quantities in breweries, especially in Brazil, where this activity has an important economic function. The treatment of this waste can be combined with the production of energy in biogas form, being an option for micro and large breweries. Currently, most of the organic waste produced in breweries is intended for animal feed as a palliative measure for solving this problem, however, its basic ingredients are products that are organic biodegradable, such as malt, hops and yeast, alternatives to energy recovery of these materials can add value to production and minimize environmental impacts, especially with regard to climate change. This study aimed to identify the potential for biogas production from malt bagasse, discard beer yeast and a mixture between these two biomasses, with the results pointing to potentials of 566 m³biogas.tonsv-1, 802 m³biogas.tonsv-1 and 568 m³biogas.tonsv-1, respectively. Keywords: Bioenergy; Anaerobic digestion; Methane Introdução A indústria cervejeira coloca o Brasil em terceiro lugar no ranking mundial de produção de cerveja. Este setor é responsável por mobilizar 2,2 milhões de empregos e sua receita corresponde a 1,6% do Produto Interno Bruto (PIB), contribuindo com R$ 20 bilhões de impostos ao ano (CERVBRASIL, 2015). No Rio Grande do Sul está a segunda maior concentração de cervejarias do país. Esta alta produção é acompanhada da geração de um volume expressivo de resíduos pelas cervejarias. A destinação adequada destes resíduos ainda exige melhorias a fim de minimizar o impacto ao meio ambiente, gerado pelos sistemas produtivos, tornando esta cadeia mais sustentável. O bagaço de malte, resíduo produzido em maior volume no processo de fabricação da cerveja, embora contenha um conteúdo relativamente alto de proteínas, pode apresentar resistência à degradação anaeróbia devido ao alto teor de lignina, celulose e hemiceluloses que o constituem (CATER et al., 2015; PANJICKO et al., 2017). Mesmo assim, a digestão anaeróbia destes materiais tem sido apontada como uma alternativa, por se tratar de uma biotecnologia específica para tratar resíduos orgânicos, produzir metano como fonte de energia alternativa e reduzir as emissões de gases de efeito estufa. 1 Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Desenvolvimento, Universidade do Vale do Taquari (UNIVATES). 2 Laboratório de Biorreatores Tecnovates, Universidade do Vale do Taquari (UNIVATES). * Autor corresponsal: Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Desenvolvimento, Universidade do Vale do Taquari (UNIVATES), Rua Avelino Talini, 171 Bairro Universitario, Lajeado, Rio Grande do Sul Brasil. chasan@universo.univates.br

2 O uso de resíduos ricos em matéria orgânica para a produção de biogás é uma forma de viabilizar a recuperação energética destes. A transformação energética de um resíduo permite que o mesmo possa ser reinserido no processo produtivo através da sua conversão e aproveitamento na forma de energia térmica ou elétrica. O biogás como fonte de energia é particularmente interessante devido às suas possibilidades de aplicações, visto que a energia química contida neste combustível pode ser utilizada para gerar energia térmica, elétrica ou veicular. Objetivo Identificar o Potencial Bioquímico de Biogás e Metano (PBB e PBM) a partir de biomassas residuais originárias de uma microcervejaria. Metodologia Identificação e coleta dos substratos Os resíduos avaliados neste experimento foram coletados em uma micro-cervejaria regional, caracterizando-se por serem resíduos orgânicos gerados durante o processo de fabricação da cerveja. São eles: o bagaço de malte e o fermento (Figura 1). Em volume, a proporção da geração destes resíduos nesta indústria é de, aproximadamente, 95% e 5%, respectivamente. Figura 1. A: Resíduo do bagaço de malte; B: Resíduo do fermento da cerveja Experimentos de digestão anaeróbia Os ensaios de digestão anaeróbia foram conduzidos em laboratório, operados em batelada e baseados em premissas propostas pela normativa alemã VDI 4630 (2006) para identificação do Potencial Bioquímico de Biogás e Metano de substratos. Este refere-se à quantidade máxima de gás que pode ser obtida, expressa como volume de biogás ou metano por unidade de massa da matéria orgânica presente no substrato avaliado (SV). Para tanto, os experimentos utilizam uma parcela de amostra do substrato incubada em condições mesofílicas, na presença de um inóculo anaeróbio (STEINMETZ et al., 2016).

3 Inóculo anaeróbio Foi utilizado como inóculo o digestato de um reator anaeróbio mesofílico, oriundo da digestão de resíduos agroindustriais diversos. O inóculo passou por processo de aclimatação, sendo alimentado duas semanas antes do início do experimento com 1% de seu volume correspondente a uma mistura de celulose, sacarose e resíduos de cerveja. Depois de estabilizado, foi utilizado como inóculo para o experimento em questão. Preparo das amostras Utilizou-se reatores de vidro com capacidade de 1L, preenchidos com 500 g das amostras e mantidos em incubadoras adaptadas, à temperatura constante de 35 C. Foram incubadas 5 triplicatas, sendo estas correspondentes ao inóculo, ao padrão de celulose, aos dois substratos investigados e a uma mistura de ambos os substratos (Quadro 1). A celulose microcristalina de elevada pureza é utilizada como referência para avaliar a atividade do inóculo e sua influência nos resultados de potencial de produção atingidos (STEINMETZ et al., 2016). O potencial bioquímico de biogás da celulose microcristalina esperado é na faixa de mL N /gsv. O limite mínimo de recuperação de biogás por este substrato deve ser equivalente a 80% (600 ml N /gsv), valores superiores a este limite são indicados pela norma VDI 4630 (2006) como satisfatórios para avaliação da atividade do inóculo no ensaio de digestão anaeróbia. No que se refere à combinação das amostras com o inóculo, a VDI 4630 (2006) prediz que o teor de sólidos totais da mistura não deve ultrapassar 10% e que a razão entre os sólidos voláteis da amostra pelos sólidos voláteis do inóculo deve ser 0,5, adotando-se uma relação inóculo/amostra de 2:1. Deste modo a composição das triplicatas se deu da seguinte forma: Quadro 1. Relação inóculo e amostra adotada de acordo com a VDI 4630 (2006) Amostras Incubadas Inóculo (g) e gsv Substrato (g) e gsv Triplicata I - Inóculo 500,0-6,98 0,0-0,0 Triplicata II - Padrão (Celulose Microcristalina) 496,3-6,94 3,7-3,5 Triplicata III - Bagaço de Malte 483,0-6,75 17,0-3,5 Triplicata IV - Fermento de Cerveja 480,6-6,72 19,4-3,5 Triplicata V - Mix dos substratos (95% - 5%) 482,8-6,75 17,2-3,5 Monitoramento do experimento O biogás produzido nos reatores foi quantificado por meio de um sistema automatizado, regido pela Lei dos Gases Ideais, descrito por Konrad et al. (2016) e a identificação do teor de metano (CH 4 ) no biogás foi realizada por meio de um sensor específico, denominado Advenced Gasmitter. Paralelamente à realização do experimento foram realizadas análises físico-químicas descritas na Tabela 1, para auxiliar na interpretação dos resultados. Tabela 1. Métodos analíticos utilizados Análise/Ensaio Método Referência/Equipamento ph Potenciométrico phmetro Digimed DM 2P

4 Sólidos Totais, Voláteis e Fixos Gravimétrico Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 2450 Solids 2450G. Total, Fixed and Volatile solids in solid and semisolid samples. 20 th edition, O experimento foi finalizado de acordo com a VDI 4630 (2006), quando o volume diário de biogás produzido foi menor que 1% do volume total acumulado, por no mínimo três dias, assumindo-se como volumes finais de produção os obtidos até então. Cálculo do Potencial Bioquímico de Biogás e Metano Para a determinação dos valores de PBB e PBM, o volume acumulado de biogás e metano da amostra é dividido pela quantidade de material orgânico adicionado ao reator. No entanto, no reator, haverá também resíduos orgânicos referentes ao inóculo adicionado que produzirá certa quantidade de biogás no processo anaeróbio e, portanto, deve ser subtraído do volume total acumulado para obter a verdadeira produção a partir do substrato (Bioprocess Control, 2011). Assim, o PBB e o PBM podem ser calculados de acordo com equação (1). msv is P BB ou P BM = ( V s V b x ( msv ib ))/msv s (Equação 1) Onde: Vs: Volume acumulado (biogás ou metano) do substrato com inóculo Vb: Volume acumulado (biogás ou metano) do branco (inóculo) msvis: massa de sólidos voláteis do inóculo na amostra msvib: massa de sólidos voláteis do inóculo no branco msvs: massa de sólidos voláteis do substrato na amostra Resultados e Discussão Os teores de sólidos totais e voláteis dos substratos avaliados estão apresentados na Tabela 2. Destaca-se que o teor de sólidos voláteis das amostras apresentou-se bastante favorável à digestão anaeróbia, indicando alto teor de matéria orgânica possível de ser degradada e convertida em biogás. Tabela 2 - Teor de sólidos totais e voláteis dos substratos Substrato ST (%) SV ST (%) Inóculo 3,2 43,1 Celulose Microcristalina 94,3 99,6 Bagaço de Malte 21,8 94,5 Fermento de Cerveja 20,5 88,1 Mix Bagaço/Fermento 21,5 94,7 De acordo com uma revisão realizada por Xu et al. (2018), resíduos provenientes de cervejarias podem conter cerca de 23,0-29,2% de sólidos totais, os resultados mostraram valores próximos ao valor mínimo para os resíduos da cervejaria do Vale do Taquari (20,5-21,8% ST). Desempenho na produção de biogás e metano De modo geral, a literatura considera que resíduos provenientes da indústria cervejeira, por terem um conteúdo rico em lignina e celulose, têm potenciais de metano relativamente mais baixos do que

5 resíduos de outros setores. Ainda assim, os resultados apontaram potencial de uso destes resíduos para a produção de biogás. Com destaque para o fermento de cerveja, que diferente do bagaço de malte, apresentou facilidade na degradação e, portanto, maior eficiência na conversão de matéria orgânica a biogás. O potencial calculado a partir da relação dos volumes de biogás e metano produzidos pelas amostras com os sólidos voláteis presentes, estão apresentados na Tabela 3. O potencial de metano, de acordo com Xu et al. (2018), pode variar entre 0,22-0,31 m 3 /kgsv, ou seja, ml/gsv. Observa-se que os processos de digestão anaeróbia dos resíduos da cervejaria estudada produziram entre (mL/gSV) obtendo uma produção de metano próxima aos estudos levantados na literatura. Tabela 3 Resultados obtidos nos ensaios de digestão anaeróbia Substrato PBB (ml N /gsv) PBM (ml N /gsv) Inóculo - - Celulose Microcristalina Bagaço de Malte Fermento de Cerveja Mix Bagaço/Fermento O malte apenas foi considerado nos últimos anos como um substrato energético devido à redução das receitas de aplicações de alimentação de gado, maiores custos de energia e incentivos à produção de energia renovável (PANJICKO et al., 2017). Em estudo de digestão anaeróbia, Panjicko et al. (2017) observaram produção específica de biogás entre 392 ml/gsv e 491 ml/gsv de resíduos de malte adicionado, já a produção específica de metano esteve entre 187 ml/gsv e 273 ml/gsv adicionado. Embora os resultados obtidos no presente estudo tenham sido superiores, verifica-se proximidade aos encontrados por PANJICKO et al. (2017) que utilizou resíduos de malte como substrato. Conclusões A digestão anaeróbia como uma ferramenta para o tratamento de resíduos proveniente de cervejaria foi verificada, além do potencial para produzir biogás com bom teor de CH 4. Além de proporcionar o correto tratamento aos resíduos de cervejaria, entre outros, a digestão anaeróbia é uma tecnologia que contribui para a redução dos gases do efeito estufa e consequentemente vai ao encontro de ações que minimizam os impactos das mudanças climáticas. Referências bibliográficas Bioprocess Control (2011). Operation and Maintenance Manual AMTPS II. Disponível em: < Acesso em: 16 fev Cater, M., Fanedl, L., Malovrh, S., Logar, R. M. (2015). Biogas production from brewery spent grain enhanced by bioaugmentation with hydrolytic anaerobic bactéria, Bioresource Technology, 186, pp Cervbrasil. Associação Brasileira da Indústria da Cerveja. Anuário Disponível em: < Acesso em: 06 de fev Konrad, O., Bezama, A. B., Prade, T., Backes, G. M., Oechsner, H. (2016). Enhancing the analytical capacity for biogas development in Brazil: Assessment of an original measurement system for low biogas flow rates out of agricultural biomass residues, Journal of the Brazilian Association of Agricultural Engineering, 36 (5), pp

6 Panjicko, M., Zupancic, G. D., Fanedl, L., Logar, R. M., Tisma, M., Zelic, B. (2017). Biogas production brewery spent grain as a mono-substrate in a two-stage process composed of solid-state anaerobic digestion and granular biomass reactors, Journal of Cleaner Production, 166, pp Steinmetz, R. L. R., Mezzari, M. P., Silva, M. L. B. Da, Kunz, A., Amaral, A. C. Do, Tápparo, D. C., Soares, H. M. (2016). Enrichment and acclimation of an anaerobic mesophilic microorganism s inoculum for standardization of BMP assays, Bioresource Technology, 219, pp VDI Fermentation of organic materials. Characterization of the substrate, sampling, collection of material data, fermentation tests. 92 p. Germany: Verein Deutscher Ingenieure VDI, Xu, F., Li, Y., Ge, X., Yang, L., Li, Y. (2018). Anaerobic digestion of food waste Challenges and opportunities, Bioresource Technology, 247, pp