CONTRUÇÃO DE BIODIGESTORES DIDÁTICOS E ESTUDO DA BIODIGESTÃO DE CO-PRODUTOS DO BIODIESEL Jimmy Soares, ICB-UIT, jimrhino@gmail.com Sávio Henrique do Carmo Mendonça Marra, ICB-UIT, iquemarra@hotmail.com Alex Nogueira Brasil, FAEN-UIT, brasil@uit.br Diego Luiz Nunes, FaFar-UFMG, diegoln@ufmg.br Com o crescente aumento da produção de biodiesel, têm se buscado métodos ecológicos para aproveitar os resíduos deste processo produtivo. A biodigestão, um sistema de baixo custo, se apresenta com bom potencial, propiciando biogás e biofertilizante como produtos. O desenvolvimento de um sistema didático de biodigestores, sendo possível realizar este trabalho e ilustrar as preliminares sobre a potencialidade da aplicação dos resíduos em questão e, eventualmente, desenvolver padrões para uso em larga escala com base nos resultados obtidos. Os resíduos de produção do biodiesel que apresentam potencial para uso em biodigestão são tortas e farelos de oleaginosas, glicerina e água de lavagem. A inserção de estrume bovino se dá para a obtenção de uma mistura ideal para a biodigestão, além de enriquecer o meio de biodigestão com insumos apropriados. Palavras-chave: Biodigestor; Reuso de resíduos; Biodiesel.
INTRODUÇÃO O Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB) visa o crescimento descentralizado da produção deste biocombustível. Nas diversas rotas de produção de biodiesel há produção de resíduos que, muitas vezes, necessitam de tratamentos para serem devolvidos ao meio ambiente ou mesmo, agregar valor transformando-os em co-produtos. O desenvolvimento de tecnologias de baixo custo que englobe o tratamento de vários resíduos se faz necessário para uma produção descentralizada de biodiesel com menor impacto ambiental. Um sistema de baixo custo para o tratamento de resíduos de produção de biodiesel que apresenta grande potencial são os biodigestores. Estes sistemas são mundialmente usados e apresentam como pontos positivos a produção de biogás, biofertilizante, controle de parasitas (AMARAL, 2004) e contenção de metano, sendo este gás um dos principais gases do efeito estufa (SANTOS, 2000). Por ser rústico e prático, esse sistema apresenta versatilidade em relação aos alvos da degradação, dos quais se destacam o uso de vegetais diversos, estrumes, resíduos industriais, efluentes de esgotos e aterros sanitários. A glicerina, água lavagem e farelos/tortas de oleaginosas são os resíduos da cadeia produtiva de biodiesel que apresentam potencialidade para aplicação em biodigestores. Podese, eventualmente, reduzir os custos utilizando o biogás em queimadores ou caldeiras na geração de energia térmica e o biofertilizante, uma solução com alto teor sólido resultado da biodigestão, nas plantações de oleaginosas, enriquecendo o solo e reduzindo gastos com corretivos e nutrientes. Porém, para se obter um processo viável e eficiente, é necessária a correta dosagem destes resíduos além da adição de algum outro elemento para balancear a biodigestão, neste caso, o uso de estrume bovino se faz ideal, devido a sua grande disponibilidade no meio rural e taxa de nitrogênio elevada, característica bioquímica ideal ao processo. CONCEITUAÇÃO O processo de biodigestão transforma por meio de atividade biológica de microrganismos compostos orgânicos complexos em outras substâncias mais simples, que por sua vez, são metabolizadas, formando uma mistura de gás, principalmente metano e gás carbônico. O processo pode ser definido em três fases distintas (TEIXEIRA, 2003):
A primeira fase, liquefação, ocorre a transformação de compostos complexos em compostos mais simples é realizada por bactérias que possuem capacidade enzimática de decompor carboidratos, gorduras e proteínas. Na segunda fase, conhecido como acidogênese/acetogênese os aminoácidos, monossacarídeos, ácidos graxos e gliceróis (monômeros), obtidos na primeira fase, tornam-se substratos para as bactérias saprófitas (facultativas), originando ácidos orgânicos simples, geralmente de baixo peso molecular. A última fase (gaseificação), os ácidos voláteis produzidos na fase anterior são metabolizados pelas bactérias metanogênicas, que são bactérias anaeróbicas de vital importância na produção de CH 4 e CO 2. A operação dos biodigestores pode ser por processo contínuo ou por batelada. O biodigestor por processo contínuo permite a adição de substratos continuamente, gerando uma disponibilidade contínua de biogás e biofertilizante. Os biodigestores por batelada a adição de substratos é feita no início do processo e somente após a produção de gás acabar ou sua taxa de produtividade reduzir consideravelmente, extrai-se os produtos sólidos, líquidos e o biogás. Será feita uma nova recarga e isto gera flutuação na quantidade de biogás e biofertilizante produzidos. O tempo de retenção em biodigestores pode variar de 4 a 60 dias, com faixa ideal de 20 a 30 dias (TEIXEIRA, 2003), devido à natureza e equilíbrio dos compostos alimentados. A retenção pode ser diminuída com uma branda agitação do biodigestor, evitando que o substrato forme placas dificultando a biodigestão (ROBRA, 2006). O biogás é uma mistura gasosa composta principalmente de metano (CH 4 ) e gás carbônico (CO 2 ), em diferenciadas proporções dependendo da natureza do material alimentado. Em concentrações adequadas, por volta de 65% de metano e 35% de carbono, pode ser utilizado como combustível energético, devido ao seu alto poder calorífico, entre 5.000 a 6.000 Kcal/m 3 (TEIXEIRA, 2003), substituindo, por exemplo, o gás liquefeito do petróleo (GLP). Pode conter traços mínimos de outros gases como nitrogênio (N 2 ), hidrogênio (H 2 ), oxigênio (O 2 ) e gás sulfídrico (H 2 S); sendo este último responsável pelo odor pútrido, característico de degradação de matérias orgânicas (TEIXEIRA, 2003).
Ao fim da biodigestão, o material sólido não degradado, conhecido como biofertilizante, é rico em amônia (NH 3 ) decorrente da degradação da parte protéica, fosfato (P 2 O 6 ) e óxido de potássio (K 2 O) que são minerais não degradados durante o processo. O biofertilizante pode ser adicionado ao solo de forma direta; podendo inclusive substituir adubos minerais hidrossolúveis em soluções para cultivo sem solo (VILLELA JUNIOR, 2007). É também empregado na piscicultura e, quando seco, pode ser utilizado na alimentação de animais (TEIXEIRA, 2003). Tendo em vista esse panorama e o potencial de uso de biodigestores, este trabalho pretende descrever o projeto e montagem de biodigestores em escala laboratorial para aplicações didáticas e potencial aplicação industrial no tratamento de resíduos da produção de biodiesel. MATERIAL E MÉTODOS O projeto de construção foi desenvolvido na Faculdade de Engenharia (FAEN) Universidade de Itaúna com o auxílio de graduandos do curso de Ciências Biológicas. A estrutura projetada é composta por 5 biodigestores, baseado no modelo de bancada desenvolvido por ROBRA (2006). Os biodigestores são de material plástico com capacidade de 5 L ligados a um gasômetro plástico com capacidade de 20 L. O gasômetro é vedado com líquido e ligado a um recipiente plástico de 200 ml. Conforme o líquido de vedação é deslocado, devido à produção de gás, pode-se aferir, com boa precisão, a quantidade de gás produzida em determinados períodos de interesse. Tal aparato permite manter a pressão interna do sistema próxima à pressão ambiente. O método de batelada foi escolhido por permitir a obtenção de dados precisos de rendimento em relação à proporção de matéria orgânica adicionada, podendo, como resultado inicial, determinar um período de maturação e alimentação quando de um processo contínuo, num próximo estágio de investigação. Os biodigestores foram assentados em uma caixa térmica de 50 L contendo água e uma resistência com termostato, para que a temperatura seja controlada na faixa dos 35ºC ± 2 C, faixa ideal para ação de bactérias metanogênicas. A quantidade de água no sistema termostatizado deve superar a altura do inóculo, a fim de manter a homeotermia do processo entre os meios de biodigestão e na atmosfera logo acima do limite líquido. Foi projetada uma estrutura metálica rígida para suportar os gasômetros, juntamente com uma tela na parte
superior que os fixe no intuito de evitar a agitação dos mesmos, devido à liberação de gás dos biodigestores e possíveis vibrações. A estrutura é ilustrada na Figura 1, evidenciando cada uma das partes do projeto como um todo. Figura 1: Modelo esquemático do projeto sistema biodigestor O teor de umidade da torta de mamona, glicerina e estrume serão aferidos individualmente com aquecimento em estufa a 105ºC até manutenção de um peso constante (ROBRA, 2006). Após, a matéria seca será reaproveitada, sendo colocada em mufla inicialmente a 300ºC e após aquecida a 600ºC por 3 horas para se obter o teor de cinza e de compostos voláteis (CASTRO, 1998). A quantidade de compostos voláteis está diretamente ligada à quantidade de biogás que poderá ser produzida e dados de expectativas já estão disponíveis conforme na Tabela 1 (TEIXEIRA, 2003). Material Teor de matéria seca Teor de compostos voláteis* Estrume de gado 10 80 Glicerina 80 90 Torta de mamona 91,50 46,20 *Relativo à percentagem de matéria seca Fonte: TEIXEIRA, 2003; ALMEIDA, 2007 e SEVERINO, 2005. Tabela 1: Quantidades de matéria seca e compostos voláteis
O ph do substrato, água potável, água de lavagem e biofertilizante serão mensurados individualmente por phmetro modelo HI 8424 da marca HANNA e eletrodo HI1230B da mesma marca. Ocorre variação do ph durante o processo de biodigestão, devido a ação de bactérias acidogênicas, contudo após a quebra dos ácidos, o ph aumenta, normalizando a reação. O ph deve variar entre 6 a 8, tendo 7 como ideal (TEIXEIRA, 2003). Substâncias como NaCl (4.000 ppm), detergentes (20 a 40 ppm), magnésio (1.000 a 1.500 ppm) e potássio e cálcio (2.500 a 4.500 ppm) podem ser tóxicas fazendo o processo de digestão no sistema pode cessar. É conhecido também o efeito prejudicial de antibióticos (em baixas concentrações, 1 mg/mol), desinfetantes e pesticidas como agentes inibidores do processo de biodigestão (TEIXEIRA, 2003). Os substratos são a fonte de alimentação das bactérias presentes no biodigestor, estas o usam para manutenção, crescimento e reprodução. A escolha da mistura dos substratos deve ser baseada na quantidade balanceada de carbono e nitrogênio, quantidade de compostos voláteis e presença de substâncias antibactericidas. Os compostos orgânicos selecionados devem obedecer ao padrão estabelecido de 20 a 30 partes de carbono para uma parte de nitrogênio para uma biodigestão em condição ótima (TEIXEIRA, 2003 e GASPAR, 2003). O desequilíbrio desta equação pode fazer com que o elemento em menor quantidade seja consumido rapidamente e o processo tenha sua cinética reduzida, tão logo seja interrompido. O estrume bovino é um dos resíduos mais usados no processo de biodigestão, por ser rico em nitrogênio é responsável direto pela qualidade do biofertilizante obtido no processo final (TEIXEIRA, 2003). Substrato Nitrogênio (% peso seco) Carbono/Nitrogênio Estrume bovino 1,7 18,0 Torta de mamona 7,54 12 Fonte: TEIXEIRA, 2003 e ARAÚJO, 2007. Tabela 2: Relação carbono/nitrogênio para estrume bovino e torta de mamona O presente trabalho visa, além de disponibilizar um modelo educacional de biodigestão, dispor criticamente possibilidades de uso e operação do mesmo. Um resíduo
potencial na alimentação de biodigestores são farelos/tortas, resultados da extração física ou química de óleo de plantas oleaginosas para obtenção de óleos. A composição química da torta está relacionada com vários fatores como: tipo de oleaginosa, clima, fertilidade do solo e condições de processamento para extração (EVANGELISTA, 2007). Este co-produto da produção de biodiesel é em grande escala, empregado como adubo orgânico e, com a eliminação de agentes tóxicos, quando presentes, pode ser empregado como complemento nutricional a ruminantes. A mamona (Ricinus communis) é vista como uma das alternativas na extração de óleo para a produção de biodiesel. Um alarde ao uso desta oleaginosa é o fato de que aproximadamente 50% do peso bruto das sementes são referentes à torta e esta possui constituintes tóxicos (ÁVILA, 2007) limitando sua aplicação direta. As toxinas presentes são a ricina, ricinina e alergenos sendo que todas afetam somente eucariotos (HOFFMAN, 2007), sendo a ricina a única presente em quantidade alarmante. Atualmente diversas pesquisas visam desintoxicação da mamona para uso na alimentação de animas como também sua aplicação como adubo orgânico direta, contudo devido ao tempo exposição no solo, pode acontecer a contaminação humana por inalação de partículas desse farelo (SEVERINO, 2005). Segundo SEVERINO (2005) a torta se mineraliza rapidamente quando usada como adubo, provavelmente, pelos altos valores de nitrogênio, fósforo e potássio encontrados na torta (HOFFMAN, 2007). Levando em conta a fácil degradação da torta e como a ricina é uma proteína, é provável que seja degradada durante a biodigestão. A ricina também é neutralizada pela ação de amônia (ÁVILA, 2007), que está presente no biofertilizante, produto de biodigestão. Dentre as fibras, a lignina merece destaque, sendo um componente não carboidrato da parede celular dos vegetais, normalmente considerada indigestível e também inibidora da digestibilidade da parede celular das plantas forrageiras por ruminantes (FUKUSHIMA, 2000). O fracionamento da torta antes do processo de biodigestão se faz necessário para quebrar ao máximo a parede celular da torta de mamona e propiciar que as bactérias tenham acesso intracelular vegetal. A lignina não digerida presente no biofertilizante terá uma degradação lenta no solo por fungos Pycnoporus sanguineus e Ceriporiopsis subvermispora (WILLE, 2007), não contribuindo eficientemente na qualidade final do disposto.
Como a torta/farelo, a glicerina destaca-se como um co-produto que necessita ser bem aplicado. Atualmente a glicerina é um dos grandes desafios das usinas de biodiesel, representando até 10% do peso bruto total da produção. Este co-produto em tal disponibilidade sobrepõe a demanda nacional, além do fato que seu alto valor agregado, na forma de glicerol (99,5% de pureza). Ser possível apenas com rotas de purificação que demandam grande investimento e consumo energético (ROBRA, 2006). A glicerina apresenta cerca de 30% de impureza, sendo as principais os minerais do catalisador, álcool e alguma fração de ácidos graxos, além de apresentar potencial no carreamento de eventuais impurezas de alta densidade presentes no óleo. Estas impurezas dependem da natureza da oleaginosa e do tipo de catálise empregada na preparação do biodiesel (ÁVILA, 2007). Sendo a glicerina um composto rico em carbono e oxigênio, mas pobre em nutrientes e nitrogênio e estudos em bancada já comprovaram que seu uso em biodigestores junto com compostos ricos em nitrogênio pode aumentar em mais de 500% o rendimento do processo (ROBRA, 2006). Por conseguinte, devido à necessidade de carrear algumas impurezas presentes no biodiesel, o mesmo é lavado e essa água de lavagem é normalmente composta por frações de catalisador, de parte do excesso do álcool, da glicerina, de sais de ácidos graxos e glicerídeos não convertidos (MELO, 2007), não podendo ser eliminada diretamente no ambiente. Assim torna-se consideravelmente interessante sua aplicação na operação de biodigestores, tendo-se em vista que a partida dos biodigestores se dá com estrume bovino cominuído, água potável e de lavagem em diferentes concentrações perfazendo o volume total de 3 L. A proporção de água e estrume será de 1:1 em massa (ROBRA, 2006; CASTRO, 1998). RESULTADOS E DISCUSSÃO As pretensões deste trabalho se enquadram, além do desenvolvimento de modelos educacionais de biodigestores, na utilização destes em testes laboratoriais adicionando ao sistema de biodigestão co-produtos e resíduos de produção do biodiesel. O sistema contendo biodigestores de baixa capacidade por batelada possibilita vários experimentos simultâneos para avaliar padrões ideais de concentrações e selecionar quais resíduos da cadeia produtiva do biodiesel apresente bom potencial para a aplicação em biodigestão, podendo assim desenvolver projeções para aplicação de co-produtos em biodigestores de grande capacidade e/ou processo contínuo.
Com a adição do farelo/torta, da glicerina e da água de lavagem na rota de biodigestão, espera-se potencializa-los como fonte energética e biofertilizante, confia-se também que seu uso, além de utilizar tecnologia de baixo custo, evite que sejam eliminados incorretamente na natureza; valorizando, assim, a vertente ecológica de produção e do uso do biodiesel frente o óleo diesel mineral. RESULTADOS ESPERADOS Através do desenvolvimento do uso do sistema didático de biodigestão espera-se criar um modelo que ofereça dados que possibilitem o estudo de biodigestão de co-produtos, com potencial para uso em larga escala, agregando maior rentabilidade e reduzindo o alvo poluidor de usinas de biodiesel. Espera-se conforme a literatura que o uso dos co-produtos garanta uma biodigestão com boa produção de biogás e biofertilizante. Devido aos resquícios de álcool e catalisador espera-se que os biodigestores com maior concentração de água de lavagem tenham um rendimento de biogás um pouco menor se comparado com o rendimento utilizando apenas água potável, uma vez que os mesmos influenciam na flora bacteriana dos biodigestores. A produção esperada deve se apresentar como a encontrada na literatura de 16,4 a 36 ml/g de matéria fresca adicionada (ROBRA, 2003). Na segunda batelada espera-se que o uso da glicerina aumente a produção de biogás para cerca de 110,2 ml/g de matéria fresca (ROBRA, 2006) e compense, técnica e economicamente o uso da água de lavagem em relação à água potável. O uso da torta em conjunto ao estrume bovino, condiciona um equilíbrio ótimo da razão atômica C/N, entretanto, deve disponibilizar uma menor quantidade de biogás, devido o reduzido teor de compostos voláteis, outrossim tende a produzir um biofertilizante de maior qualidade, haja visto que o farelo/torta de mamona possui maior teor de nitrogênio. Objetiva-se que a ricina de mamona deva ser neutralizada por meio da ação de bactérias, conjugada a e pela presença de amônia no meio reacional; resultando no livre uso e eficiente do biofertilizante em plantações. Espera-se também um biogás com teor ideal de metano (65%) e gás carbônico (35%) para uso como fonte energética.
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