avaliação da produção de biogás e geração de metano a partir de
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CENTRO UNIVERSITARIO UNIVATES
CURSO TÉCNICO EM QUÍMICA
AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E GERAÇÃO DE METANO
A PARTIR DE RESÍDUO DE LEITE
Guilherme Bergmann da Silva
Lajeado, novembro de 2015.
Guilherme Bergmann da Silva
AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E GERAÇÃO DE METANO
A PARTIR DE RESÍDUO DE LEITE
Artigo apresentado na disciplina de
Estagio Supervisionado do curso
técnico em química do Centro
Universitário Univates, como
exigência para a obtenção do título de
Técnico em Química.
Orientador: Cláudia Andréia Gräff.
Lajeado, novembro de 2015.
AVALIAÇÃO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS E GERAÇÃO DE METANO A
PARTIR DE RESÍDUO DE LEITE
Guilherme Bergmann da Silva¹
Cláudia Andréia Gräff ²
Resumo: Este artigo apresenta os resultados dos experimentos realizados no Laboratório de Biorreatores da
Univates no período de setembro e outubro de 2015, utilizando resíduo de leite oriundo do Laboratório de
Físico-Química do Unianálises, com objetivo de avaliar o potencial deste para a geração de biogás através da
biodigestão anaeróbia, bem como a presença de metano (CH4), que indica o poder calorífico do gás
possibilitando o seu uso para fins energéticos. Os testes realizados foram amparados pelas principais premissas
estabelecidas na norma alemã VDI 4630. Os experimentos em Laboratório são indicativos de tratamento que
poderão ser adotados em escala real, levando em conta o percentual de metano produzido (59,07%).
Palavras chaves: Biogás. Resíduo de leite. Biodigestão anaeróbia.
1 INTRODUÇÃO
A indústria alimentícia é caracterizada pela produção de subprodutos com grande
capacidade de material orgânico facilmente biodegradável que, por um lado, são fontes de
energia mas, por outro, fontes de poluição (CHENG, 2007). O crescente aumento da
população mundial gera maior necessidade de alimentação, neste cenário a agropecuária
desempenha um forte papel. No Brasil, esta tem grande importância, em especial na produção
de leites e derivados.
Segundo dados do site Balde Branco, o estado do Rio Grande do Sul é o segundo
maior produtor de leite do país, ficando atrás somente de Minas Gerais, com mais de 4,8
bilhões L/ano, significando 13,6% da produção nacional.
¹ Aluno do curso técnico em química, Centro Universitário –UNIVATES, Lajeado/RS.
[email protected] 2 Química industrial, professora Centro Universitário – UNIVATES, Lajeado/RS. [email protected]
O laticínio é uma indústria que gera bastante resíduo, por exemplo o soro de leite e de
queijo, a rejeição de leite na plataforma da indústria por algum tipo de contaminação impede a
utilização da matéria-prima para a industrialização. Assim, o produto torna-se um resíduo
com potencial altamente poluidor no que se refere à carga de matéria orgânica.
Diversos trabalhos demonstram o potencial de utilização do soro de leite e queijo na
obtenção de biogás, existem poucos estudos sobre a utilização de resíduos de leite na
produção de biogás e obtenção de gás metano.
Com isso, é gerada uma quantidade significativa de resíduos e a biodigestão anaeróbia
surge como uma alternativa interessante para recuperar a energia contida nos resíduos, através
da geração de biogás.
Frente a grande quantidade de matéria orgânica associada a estes resíduos, a
biodigestão pode reduzir o potencial poluente dos resíduos orgânicos com alto teor de
demanda bioquímica de oxigênio, e ao mesmo tempo, gerar biogás (SALOMON; LORA,
2009).
Para tanto, utiliza-se da digestão anaeróbia que se trata de uma alternativa de baixo
custo e fácil manejo, sendo o mecanismo mais usado para tratamento dos efluentes oriundos
de atividades industriais e agrícolas que possuem elevadas taxas de matéria orgânica, a qual é
convertida em energia sob forma de biogás (CASSINI, 2003).
A biodigestão anaeróbia é o processo pelo qual, a matéria orgânica é convertida na sua
grande parte em gás metano e gás carbônico. Na ausência de oxigênio são como NO3-
(redução
de nitritos), SO42-
(redução de sulfatos), ou CO2(formação de metano) (CHERNICARO,
1997).
Segundo Kunz et al. (2004) o processo de fermentação anaeróbio é um processo
sensível, podendo ser dividido em quatro fases:
• Fase hidrolítica: nesta fase as enzimas hidrolíticas extracelulares das moléculas
complexas dos substratos solúveis degradam-se (hidrolisam) em pequenas moléculas
que são transportadas para dentro das células dos microorganismos e metabolizadas
(OLIVEIRA, 2004). Nessa fase ocorre a transformação de proteínas em aminoácidos,
de carboidratos em açúcares solúveis e de lipídeos em ácidos graxos de cadeia longa e
glicerina (SOUZA, 2005);
• Fase de fermentação ácida (acidogênese): os produtos gerados na primeira fase vão
ser transformados em ácidos orgânicos (acético, propiônico, butírico, isobutírico,
fórmico, hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2) (OLIVEIRA, 2004). Nesta fase
não necessariamente é realizada por bactérias anaeróbias, é considerado vantajoso para
o processo, visto que assim vai garantir um ambiente isento de oxigênio, essencial
para as bactérias metanogênicas (NOGUEIRA, 1992);
• Fase de acetogênese: as bactérias acetogênicas, denominadas como produtoras de
hidrogênio convertem os produtos gerados da acidogênese em dióxido de carbono
(CO2), hidrogênio (H2), acetato e ácidos orgânicos de cadeia curta (SOUZA, 2005);
• Fase metanogênica: as bactérias metanogênicas convertem os ácidos orgânicos de
cadeia curta, o dióxido de carbono (CO2) e o hidrogênio (H2) em metano (CH4) e
dióxido de carbono (CO2) (OLIVEIRA, 2004). Segundo Nogueira (1992), 70% do
metano formado provêm do acetato e o restante do dióxido de carbono e hidrogênio.
O sucesso da biodigestão depende do balanceamento entre as bactérias que produzem
gás metano (CH4) a partir dos ácidos orgânicos e este, é dado pela carga diária (sólidos
voláteis), alcalinidade, pH, temperatura e qualidade do material orgânico, ou seja, qualquer
variação entre eles pode comprometer o processo. A entrada de antibióticos, inseticidas e
desinfetantes no biodigestor também pode inibir a atividade biológica diminuindo
sensivelmente a capacidade do sistema em produzir biogás (KUNZ et al., 2004).
Este estudo tem como objetivo avaliar a viabilidade da utilização de resíduo de leite,
visando a geração de biogás para aproveitamento energético através de processo de digestão
anaeróbica.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Os experimentos realizados pelo presente estudo foram desenvolvidos em escala
laboratorial, utilizando resíduos de leite (Figura 1) oriundos do Laboratório de Físico Química
do Unianálises de Lajeado/RS. Este resíduo, juntamente com inóculo - lodo digerido de um
biodigestor de escala real utilizado no tratamento de resíduos agroindustriais (Figura 2) - são
adicionados em reatores de batelada com capacidade de 1 L (Figura 3). Os reatores foram
acondicionados em incubadoras com temperatura controlada de 35°C e monitorados por meio
de um sistema de medição de biogás automatizado (Figura 4).
Figura 1 – Resíduos de leite Figura 2 – Inóculo
Fonte: Lab. Unianálises-Univates (2015). Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015).
Figura 3 – Reatores de batelada de
escala laboratorial
Figura 4 – Reatores conectados ao sistema de
medição de biogás
Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015). Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015).
O sistema automatizado de biogás foi desenvolvido pelo laboratório de biorreatores da
UNIVATES, esse sistema mede a produção de biogás em escala laboratorial. Este aparelho
monitora simultaneamente 32 sensores em paralelo e possui uma memória não volátil que
consegue armazenar os dados obtidos nos experimentos. Os sensores são baseados no
princípio óptico e projetados para medir simultaneamente as informações de pressão
atmosférica e temperatura de cada reator, permitindo inclusive compensações para redução de
erros em valores afetados por variações ambientais externas (BACKES, 2011).
Para baixar os dados desse sistema, foi desenvolvido um software específico que
recebe informações referentes à calibração de cada tubo em U, configura data e hora, exibe
informações sobre a memória e o número de eventos armazenados, gerando uma planilha para
cada reator analisado (BACKES, 2011).
Nos tubos em U há uma esfera flutuante alojada no interior do recipiente utilizada para
interromper a passagem da luz. O seu uso é necessário para que o sistema consiga trabalhar
em líquidos transparentes. O volume de gás gerado em cada evento é medido em mL, e é
determinado através da equação dos gases ideias, que descreve que a relação entre a
temperatura, a pressão e o volume de um gás é constante (BACKES, 2011; HALLIDAY et al.
2009).
Cada evento deve gerar no mínimo 40mL de biogás, sendo que, se o experimento não
registrar nenhum evento, indica que o substrato está produzindo menos de 40 mL de biogás
por dia ou que a geração de biogás cessou.
Diariamente foram coletadas pequenas amostras de biogás de cada reator para
determinação de metano presente no mesmo, através de um sensor específico denominado
Advanced Gasmitter, produzido pela empresa PRONOVA Analysentechnik GmbH & Co,
Berlim, Alemanha (Figura 5).
Figura 5 - Sensor específico para a identificação de metano em misturas gasosas
Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015).
Os experimentos realizados consistiram nas seguintes atividades:
Análises físico-químicas dos substratos (pH e sólidos totais, fixos e voláteis) e
definições dos percentuais de substratos a serem utilizados nos reatores,
conforme a VDI 4630 (Fermentation of organic materials characteriziation of
the substrate, sampling, colletion of material data, fermentation tests) esta
norma alemã estabelece que a mistura ideal entre inóculo e substrato analisado
não deve ultrapassar um percentual de Sólidos Totais de 10%, sendo que a
divisão do percentual de Sólidos Voláteis da amostra pelo percentual de
Sólidos Voláteis do inóculo deve ser menor ou igual a 0,5 (VDI, 2006);
Elaboração de experimentos em reatores e incubação dos mesmos;
Acompanhamento da geração diária de biogás através dos dados registrados no
sistema automatizado de medição de biogás. Avaliação do percentual de
metano presente no biogás, foi realizado através de sensor específico para tal
fim.
Elaboração e avaliação dos gráficos com as informações de geração diária de
biogás e de metano.
Análises físico-químicas dos substratos pós-experimento (pH e sólidos totais,
fixos e voláteis) e análise da geração de biogás e metano acumulada.
Para a determinação do pH, utilizou-se o pHmetro, marca INSTRUTHERM, modelo
PH-2000, mostrado na Figura 6.
Figura 6 – pHmetro
Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015).
Para análises dos sólidos totais, voláteis e fixos, utilizou-se a metodologia Official
Methods of Analysis, encontrada na Association of Official Analythical Chemistry (AOAC,
1995).
Na determinação dos Sólidos Totais (ST), as amostras foram postas em cadinhos de
porcelana previamente calcinados e em seguida pesados para saber o peso úmido do material.
Posteriormente foram levados à estufa Digital Time microprocessada para esterilização e
secagem, marca SP LABOR, modelo SP-400 (Figura 7). Nesta estufa é utilizada a técnica do
calor seco, para eliminar o teor de umidade da amostra. Os cadinhos foram mantidos na estufa
sob uma temperatura de 105 °C por 24 horas. Após esse período, os cadinhos foram
colocados em um dessecador até atingirem a temperatura ambiente na sequência foram
pesados, obtendo-se assim, o valor do material seco (AOAC, 1995).
Figura 7 – Estufa Digital
Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015).
O valor dos Sólidos Voláteis (SV) e Sólidos Fixos (SF) foram determinados a partir do
material seco obtido na determinação dos sólidos totais. O material seco foi levado ao forno
do tipo mufla, marca SP LABOR modelo SP-1200, sob a temperatura de 550 °C por oito
horas. Este equipamento é utilizado no processo de calcinação que consiste em oxidar as
substâncias de determinada amostra (Figura 8). Posteriormente ao procedimento as amostras
foram esfriadas em dessecador e pesadas, obtendo-se o peso das cinzas (sólidos fixos) e pela
diferença obteve-se o valor dos sólidos voláteis, como mostra o Fluxograma 1.
Fluxograma 1 – Divisão dos sólidos totais presentes no substrato
Fonte: Autor (2015).
Figura 8 – Forno Mufla
Fonte: Lab. Biorreatores-Univates (2015).
3 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O experimento foi desenvolvido nos meses de setembro e outubro de 2015, sendo
encaminhadas duas triplicatas, descritas abaixo:
Triplicata I: composta por reatores com 600 gramas de inóculo - lodo digerido de um
biodigestor de escala real utilizado no tratamento de resíduos agroindustriais.
Triplicata II: composta por reatores com 552 gramas (92%) de inóculo - lodo digerido
de um biodigestor de escala real utilizado no tratamento de resíduos agroindustriais e 48
gramas (8%) de resíduo de leite.
Além da avaliação de biogás e metano procedeu-se com análises de pH, sólidos totais,
fixos e voláteis dos substratos.
O Gráfico 1 apresenta o gráfico de geração de biogás diária do inóculo (Triplicata I), a
qual gerou nos 24 dias de experimentação um total de 262,12 mL de biogás dos quais 47,99
mL (18,31%) correspondiam ao metano.
Gráfico 1 – Geração diária de Biogás do inóculo (Triplicata I)
Fonte: Autor (2015).
Os resultados indicam pouca interferência do inóculo no volume de biogás produzido
pela mistura de inóculo e substrato, o que é bastante positivo, pois o inóculo é comumente
utilizado com o objetivo de iniciar os experimentos, mas o responsável pela geração de biogás
e metano deve ser o substrato, desde que este tenha potencial.
Um material para servir de inóculo não deve mais produzir quantidades significativas
de biogás, por isso normalmente utiliza-se lodos anaeróbios que já estão em processo final de
biodigestão. Isto se deve ao fato de que estes lodos concentram os microrganismos
responsáveis pela biodigestão anaeróbia e consequente geração de biogás e metano. Neste
sentido , a função do inóculo é auxiliar um substrato específico a produzir gás,
acelerando processos. Devido a esses fatores a geração de biogás do inóculo, normalmente, é
baixa.
O Gráfico 2 apresenta o gráfico de geração de biogás diária do inóculo e substrato
(Triplicata II), a qual gerou nos 24 dias de experimentação um total de 5646,99 mL de biogás
dos quais 3335,58 mL (59,07%) correspondiam ao metano.
Gráfico 2 – Geração diária de Biogás do inóculo e substrato (Triplicata II)
Fonte: Autor (2015).
A triplicata II gerou uma quantidade significativa de biogás o que está de acordo com
o elevado percentual de sólidos voláteis da amostra de resíduo de leite. Por outro lado, sabe-se
que esta amostra apresentou pH na faixa ácida (Tabela 1) o que tende a interromper a
produção de biogás. Este comportamento não foi observado em função da proporção
substrato/inóculo e características do inóculo utilizado o que ofereceu condições favoráveis
para a degradação da matéria orgânica com geração de metano.
Tabela 1 – Análises de pH do início e final do experimento
AMOSTRA pH
Início
Triplicata I 8,4
Triplicata II 8,4
Final
Triplicata I 8,2
Triplicata II 8,01
Fonte: Autor (2015).
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33
Per
cen
tual
(%)
Volu
me
(m
L)
Tempo (Dias)
Diário
Produção de Biogás Metano (CH4) no biogás CH4
A partir do 1º dia iniciou-se a produção de biogás com média de 45,26 mL, sendo que,
no 2º dia apresentou produção de metano com média de 102,80 mL, representando 18,07%. A
partir daí a produção de metano só aumentou, gerando 5479,42 mL de biogás entre o 2º e 18º
dia, sendo que, 3239,94 mL eram de metano, representando 59,13%. Nesse período houve o
maior pico na geração de metano (84,04%) no 15º dia de experimentação.
O Gráfico 3 apresenta o gráfico da geração acumulada de biogás nas duas triplicatas
estudadas, dividindo os volumes em metano e outros gases presentes no biogás.
Gráfico 3 – Geração acumulada de biogás nas duas triplicatas de estudo
Fonte: Autor (2015).
Verifica-se que a Triplicata II (inóculo + substrato), foi a que apresentou a maior
geração de biogás. Esta Triplicata gerou 21,5 vezes mais biogás que a Triplicata I (inóculo).
Na Tabela 2 encontra-se as análises de sólidos totais, fixos e voláteis do substrato e
inóculo no início e final do período de experimentação.
0,00
1000,00
2000,00
3000,00
4000,00
5000,00
6000,00
Inóculo Mix I 8% (48g da
leite) em 92%
(552g inóculo)
Volu
me (
mL
)
Metano (CH4 ) (mL) Outros Gases (mL)
Tabela 2 – Análises de sólidos totais, voláteis e fixos dos substratos
AMOSTRA ST (%) SV (%) SF (%) ST*(g) SV*(g) SF*(g)
Início
Substrato 11,54 93,69 6,31 - - -
Triplicata I
(Inóculo 600g)
3,72 47,72 52,28 20,52 9,79 10,73
Triplicata II
(Inóculo+Substrato)
5,07 55,19 44,81 30,44 16,80 13,64
Final
Triplicata I (Inóculo 600g)
4,67 44,16 55,16 25,78 11,38 14,40
Triplicata II
(Inóculo+Substrato)
4,23 43,44 56,56 25,37 11,02 14,35
*Considerando os gramas de amostra adicionadas nos reatores
Fonte: Autor (2015).
Percebe-se que alguns resultados citados na Tabela 2 não condizem ao esperado, por
exemplo o percentual de Sólidos Totais (ST) e Sólidos Fixos (SF), tanto percentual como
considerando os gramas de amostra adicionadas nos reatores da Triplicata I levando-se em
conta início/final, onde no início apresentou valor abaixo do final, sendo que o mais provável
seria o final dar um resultado menor que o do início do experimento, pois o mesmo sofreu por
uma degradação.
Diferente da Triplicata II, onde a diferença de Sólidos Voláteis início/final apresenta
um valor menor no final do experimento, justificando a produção de biogás.
Um dos motivos pra ter acontecido essa diferença na Triplicata I pode-se imaginar que
tenha ocorrido uma má homogeneização do inóculo no início do experimento.
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com o presente estudo verificou-se alguns pontos relevantes ao processo de
biodigestão anaeróbia:
A partir das análises de Sólidos do substrato, verifica-se que este apresenta um teor de
Sólidos Voláteis desejável para o tratamento de degradação anaeróbia, objetivando-se
a geração de biogás.
O pH ácido da amostra não se mostrou desfavorável para que a biodigestão anaeróbia
ocorra de forma satisfatória devido a proporção utilizada baseada na VDI 4630 (VDI,
2006).
Através dos experimentos realizados, constatou-se que quando feita (de forma
indireta) a correção do pH, através da inserção do material em um meio alcalino, o potencial
de geração de biogás pela amostra mostrou-se muito satisfatório.
Os experimentos em Laboratório são indicativos de tratamento que poderão ser
adotados em escala real, levando em conta o percentual de metano produzido (59,07%).
Sendo que comparado com outros trabalhos sobre obtenção de biogás e geração de metano o
resíduo de leite mostrou-se eficiente. No entanto, deve-se considerar que os reatores em escala
Laboratorial foram mantidos em condições controladas de temperatura, agitação e pH, a modo
que, a manutenção destas condições em escala real serão determinantes para reprodução dos
resultados obtidos.
Com este trabalho pode-se concluir que o resíduo de leite é um bom substrato para a
produção de biogás e de gás metano em alta concentração em escala laboratorial. Estes
resultados preliminares obtidos servirão para o desenvolvimento de trabalhos futuros.
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