Your SlideShare is downloading. ×
Avaliação da produção de biogás por co-biodigestão anaeróbica da glicerina com diferentes substratos e seu uso energético em usinas de biodiesel
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Saving this for later?

Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime - even offline.

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

Avaliação da produção de biogás por co-biodigestão anaeróbica da glicerina com diferentes substratos e seu uso energético em usinas de biodiesel

4,218
views

Published on


0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
4,218
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. Avaliação da produção de biogás por co-biodigestão anaeróbica daglicerina com diferentes substratos e seu uso energético em usinas de biodiesel Alunas: Isadora Nogueira Barbosa Gabriela Pereira Ferraz Patrícia Soares Curso: Engenharia Química Orientadora: Ana Maria de Oliveira Departamento: Campus Alto Paraopeba Ouro Branco, abril de 2010. 1
  • 2. RESUMO O biodiesel, fonte de energia renovável, foi inserido na matriz energéticabrasileira em 2004. Desde então, vem sendo produzido industrialmente através dareação de transesterificação, que converte óleo ou gordura em ésteres metílicos ouetílicos de ácidos graxos (biodiesel), pela reação com álcool etílico ou metílico. Asubstância reacional final é composta por biodiesel e glicerina bruta. Apesar dasinúmeras aplicações da glicerina, o aumento da produção de biodiesel levará a umasaturação do mercado e consequente redução do seu preço de venda, além doproblema ambiental causado pela disposição inadequada. Associada a este fato, aglicerina gerada na produção de biodiesel apresenta quantidades apreciáveis deimpurezas, impedindo seu uso direto. Neste contexto, é necessário buscar um destinoeconômica e ambientalmente adequado para a mesma. Uma alternativa que vemsendo estudada é a sua utilização na biodigestão anaeróbica, com vistas à produçãode biogás. Neste sentido, o objetivo deste trabalho foi avaliar essa forma deaproveitamento da glicerina, bem como a viabilidade do uso desse biogás como fontede energia de usinas de biodiesel de pequeno, médio e grande portes. O biodigestorproposto foi o UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket ou Reator Anaeróbico deFluxo Ascendente em Manto de Lodo). Como substratos, foram escolhidos doiscenários: estrume bovino com 10% de glicerina e estrume suíno com 6% de glicerina.As quantidades de estrume em cada cenário foram calculadas considerando-se quetoda a glicerina obtida na indústria seria tratada no processo. Para representar asusinas de pequeno, médio e grande porte, foram escolhidas indústrias com produçãomédia diária de biodiesel de 80 m3, 270 m3 e 660 m3, respectivamente. Usando dadosda literatura sobre a constituição dos substratos, foi calculado o volume de biogás ede metano nesse biogás produzidos em cada cenário, resultando para o metanovolumes de 8.465, 28.570 e 69.839 m3 dia-1 para o substrato suíno em usinas depequeno, médio e grande porte, respectivamente, e 4.618,30, 15.586,76 e 38.100,98m3 dia-1 para o substrato bovino. Os cálculos para a conversão do metano em energiaelétrica também foram feitos com base em dados da literatura, resultando,respectivamente, em 16.942, 57.181 e 139.775 kWh dia-1 para o substrato suíno e9.243, 31.195 e 76.255 kWh dia-1 para o substrato bovino, em usinas de pequeno,médio e grande portes. Com estes valores, verificou-se que a produção de energia 2
  • 3. elétrica através do substrato suíno cobre 101,5% do gasto com energia nas usinas depequeno, médio e grande portes. Já com o estrume bovino, 55,4% do consumo deenergia é suprimido em todos os cenários. Tendo em vista os resultados obtidos,verificou-se que o uso da glicerina na co-digestão anaeróbica é um processo eficaz eque o metano gerado no processo pode ser usado (como fonte de energia elétrica)em usinas de biodiesel de pequeno, médio e grande portes.1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA 3
  • 4. O biodiesel é um combustível renovável, cuja produção está aumentando noBrasil devido à aplicação das diretrizes estabelecidas no Programa Nacional deProdução e Uso do Biodiesel (PNPB), criado em 2004. Um co-produto desseprocesso produtivo é a glicerina bruta, a qual é vendida pelas usinas produtoras debiodiesel para ser refinada e utilizada na produção de vários outros produtos comocosméticos, alimentos, polímeros, etc. A grande disponibilidade de glicerina no mercado devido ao aumento daprodução de biodiesel é uma questão preocupante, dado o impacto ambiental geradopor este produto e a tendência de queda de seu preço, podendo esse co-produto setornar um resíduo para descarte nos próximos anos. Neste contexto, vários pesquisadores têm se voltado para essa questão,buscando um destino para a glicerina, que seja adequado tanto do ponto de vistaeconômico como ambiental. Alguns estudos mostram que a glicerina, quandoadicionada ao substrato utilizado na biodigestão anaeróbica, promove um aumento naprodução de biogás, bem como no teor de metano do mesmo. Sendo assim, esteprocesso se torna uma opção interessante para o reaproveitamento da glicerina,tendo em vista que ele é utilizado para fins de geração de energia e poderia serusado em pequenas localidades no entorno das usinas, ou mesmo na minimizaçãodos custos de energia das empresas de biodiesel. Considerando a relevância que a questão energética tem nos dias de hoje,nesse trabalho, é discutida essa forma de reaproveitamento da glicerina em usinas debiodiesel de pequeno, médio e grande portes. É avaliada também, a possibilidade deutilizar o biogás como fonte de energia nas usinas produtoras de biodiesel. Nessecontexto, os objetivos do trabalho foram:Objetivo Geral Avaliar o uso da glicerina bruta, oriunda da produção de biodiesel, comosubstrato no processo de produção de biogás por biodigestão anaeróbica, e aviabilidade do uso desse biogás como fonte de energia de usinas de biodiesel depequeno, médio e grande portes. 4
  • 5. Objetivos Específicos • Fazer um levantamento das usinas de biodiesel instaladas no país e autorizadas pela Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) e classificá-las com base na produção anual de biodiesel; • Avaliar a utilização da glicerina, em co-digestão com diferentes substratos, no processo de biodigestão anaeróbica, com vistas à produção de biogás; • Estimar a conversão de biogás produzido a partir da glicerina, em energia elétrica, com base em diferentes substratos, proporções de glicerina e portes de usinas; • Analisar a viabilidade, em termos econômicos e ambientais, da aplicação do biogás produzido a partir da utilização da glicerina, na geração da energia elétrica necessária ao funcionamento de usinas de biodiesel. 5
  • 6. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA2.1 Biodiesel no Brasil Atualmente, há uma grande busca por um desenvolvimento economicamenteviável e ambientalmente correto. Isto se contrapõe ao tipo de energia maiscomumente utilizado, que são os combustíveis fósseis, os quais, além de seremfinitos, emitem grande quantidade de gases poluentes (BRASIL ESCOLA, 2010).Neste sentido, é necessário um aperfeiçoamento das tecnologias de produçãoexistentes, bem como a disseminação do uso de energias limpas e renováveis.Segundo o Ministério de Minas e Energia (MME), a oferta interna de energia no Brasilé bastante variada (Figura 1), mas ainda está embasada na utilização do petróleo eseus derivados. 18,10% Petróleo e Derivados Gás Natural 37,80% Carvão Mineral e Derivados Urânio e Derivados 13,90% Energia Hidráulica e Eletricidade Biomassa 15,30% Produtos da Cana-de-açúcar 8,70% 1,40% 4,80%Figura 1: Oferta interna de energia disponível no país no ano de 2009. Fonte: MME,2010. O debate sobre a substituição dos combustíveis fósseis por biocombustíveisestá em alta, já que esses são combustíveis ecológicos, obtidos a partir de fontesrenováveis e biodegradáveis, e geram menor poluição. O biodiesel pode ser utilizadono mercado automotivo e na geração de energia elétrica. Teoricamente, ele podesubstituir o diesel em todas as suas aplicações (SEBRAE, 2010). Neste sentido, devido a essa crescente demanda por combustíveis limpos, oBrasil adotou uma importante medida com a implantação do Programa Nacional de 6
  • 7. Produção e Uso do Biodiesel (PNPB), em 06/12/2004 (MME, 2010). A inserção dobiodiesel no mercado brasileiro tem importância ambiental, social e econômica.Estudos científicos realizados pela União Européia demonstram que o uso de 1 kg debiodiesel colabora para redução de 3 kg de dióxido de carbono, um dos gasescausadores do efeito estufa. Além disso, o incremento na produção de biodieselpossibilitará o aumento da renda de pequenos produtores de matérias-primas e opaís dinamizará seu setor agroindustrial, sendo destaque no cenário mundial emtermos de agroenergia (PORTAL DO BIODIESEL, 2010). O biodiesel é um combustível renovável produzido a partir de óleos vegetais oude gorduras animais. No Brasil, há várias espécies vegetais que podem ser usadasna produção do biodiesel: soja, dendê, girassol, babaçu, amendoim, mamona epinhão-manso. Isto ocorre porque o país apresenta características naturais quefavorecem a produção de matérias-primas vegetais, já que se situa em uma regiãotropical, possui recursos hídricos, regularidade de chuvas e extensa área disponívelpara a agricultura (LEIRAS, 2006; ANP, 2010). Após a inserção do biodiesel na matriz energética brasileira, foramestabelecidas normas que impõem percentuais de mistura de biodiesel ao diesel eregulam a maneira como a inserção desse biocombustível deve ocorrer no mercado.Conforme o artigo 2º da Lei 11.097/05, o percentual obrigatório de adição de biodieselao óleo diesel deveria ser de 5% em volume, a partir de 2013. Entretanto, essepercentual entrou em vigor em 1° de janeiro de 2010, através da resolução n° 6 doConselho Nacional de Política Energética (CNPE), aprovada em 16 de setembro de2009 (MME, 2010).2.2 A química do biodiesel O biodiesel é um biocombustível composto de ésteres metílicos ou etílicos,proveniente de fontes renováveis, normalmente para uso em motores de ignição porcompressão (ROBRA, 2006; LEIRAS, 2006). O biodiesel pode ser obtido por doistipos de reações químicas: transesterificação e craqueamento, sendo atransesterificação mais amplamente difundida (SEBRAE, 2010). A reação de transesterificação é uma reação de conversão do óleo ou gorduraem ésteres metílicos ou etílicos de ácidos graxos, através de sua reação com álcool 7
  • 8. etílico ou metílico, na presença de um catalisador ácido ou básico (Figura 2).Catalisadores básicos são os mais utilizados na indústria, devido ao maior rendimentoe seletividade da reação, além de apresentar menores problemas relacionados àcorrosão dos equipamentos. Os catalisadores mais eficientes para esse propósito sãoKOH e NaOH (SEBRAE, 2010).Figura 2: Reação de transesterificação de triglicerídeos (óleo ou gordura) com álcooletílico ou metílico para obtenção do biodiesel. Após a reação de transesterificação, a substância reacional final é compostade duas fases, separáveis por decantação e/ou por centrifugação. A fase mais densaé a glicerina bruta, que pode conter excesso de álcool, água e impurezas próprias damatéria-prima. A fase menos densa, biodiesel, é uma mistura de ésteres, quetambém pode conter excessos reacionais de álcool e de impurezas (LEIRAS, 2006). A glicerina bruta pode passar por um processo de evaporação para retirada doexcesso de álcool e água (Figura 3). Após os processos de recuperação, os excessosresiduais de álcool ainda contêm quantidades significativas de água, necessitando deuma separação. A desidratação do álcool é feita normalmente por destilação. Osésteres obtidos são lavados por centrifugação e desumidificados posteriormente,resultando finalmente no biodiesel (PARENTE, 2003), o qual deverá tercaracterísticas de qualidade exigidas pela Resolução ANP 07/2009. 8
  • 9. Figura 3: Processo de produção do biodiesel. Fonte: PARENTE, 2003; SEBRAE,2010. A glicerina bruta, obtida do processo, já constitui um subproduto vendável. Noentanto, o mercado é muito mais favorável à comercialização da glicerina pura, quepode ser utilizada diretamente na produção de polímeros, produtos de higiene ealimentícios. A purificação da glicerina bruta é feita por destilação a vácuo, resultandoem um produto límpido e transparente, denominado comercialmente glicerinadestilada (Figura 3) (SEBRAE, 2010).2.3 Glicerina A glicerina (ou glicerol ou 1,2,3-propanotriol) é uma matéria-prima usada emdiversos ramos da indústria, como na produção de tintas, adesivos, produtosfarmacêuticos, têxteis, etc (Figura 4). 9
  • 10. Figura 4: Possíveis aplicações da glicerina destilada. Fonte: ARRUDA et al., 2007. Para que essas aplicações sejam possíveis, a glicerina bruta proveniente daprodução do biodiesel deve atingir determinado grau de pureza. Todavia, osprocessos de purificação da glicerina são complexos e caros (MINISTÉRIO DAEDUCAÇÃO, 2006; PARENTE, 2003). Além disso, quase que a totalidade daglicerina disponível para utilização é obtida de processos de fabricação de outrosprodutos, isto é, a glicerina é co-produto de outras indústrias, inclusive de biodiesel, oque revela que a mesma está sendo produzida independente da demanda (Figura 5).Figura 5: Origem da glicerina de diferentes fontes. Fonte: CLAUDE et al., 2000 citadopor ROBRA (2006). 10
  • 11. A preocupação com o mercado da glicerina vem crescendo no universo dobiodiesel, pois, mesmo com suas inúmeras aplicações, existe uma demandarelativamente pequena comparada à disponibilidade no mercado. Para cada 90 m3 debiodiesel produzidos por transesterificação, são obtidos, aproximadamente, 10 m 3 deglicerina. Acredita-se que o mercado químico não terá condições de absorvertamanha oferta, levando a uma diminuição do preço da glicerina (COSENZA, 2004;MOTA et. al., 2009). Além disto, para a produção de biodiesel ser economicamenteviável, ela deve levar em conta o preço do petróleo, das matérias-primas,subsídios/incentivos fiscais e venda/reutilização de co-produtos. Nesse contexto, olucro obtido com a venda da glicerina bruta, co-produto do processo produtivo, ésignificante para que o mesmo seja rentável, já que a redução dos custos é de 10%numa planta com capacidade de 8.000 t/ano de biodiesel (ZHANG et al., 2003). Neste sentido, o aumento da oferta de glicerina e consequente redução do seupreço de venda é um fato alarmante, tendo em vista que a produção de glicerina deveaumentar de acordo com as projeções de aumento da produção do biodiesel. Quanto ao processo de purificação da glicerina associado ao da produção dobiodiesel, NOORDAM e WITHERS (1996), citado por ROBRA (2006), calcularam umaredução adicional de custo de US$ 0,04 por litro de biodiesel comparado àcomercialização da glicerina bruta. Entretanto, os custos para instalar uma planta depurificação da glicerina bruta são maiores que o da própria planta de produção dobiodiesel. O faturamento obtido com a comercialização dos produtos que utilizamglicerina purificada é de cerca de 10% a 15% do obtido com o biodiesel. Portanto,verifica-se que com a venda da glicerina refinada não é possível cobrir os custos deprodução, para plantas que produzem menos que 70.000 t biodiesel/ano(GLACONCHEMIE, 2006, citado por ROBRA, 2006). Dada a expansão na geração de glicerina no país, há que se buscaremalternativas para seu uso. Além das aplicações já citadas e sedimentadas, a glicerinapode ser utilizada em processos de compostagem, junto a outros resíduos orgânicos,para a produção de adubo orgânico com alto teor de potássio, devido à recuperaçãodo hidróxido de potássio usado como catalisador no processo de transesterificação.Uma alternativa a esta questão é a utilização da glicerina na geração de biogás,através do processo de biodigestão anaeróbica, em co-digestão com outros resíduosorgânicos (ROBRA, 2006; MOTA et al., 2009). 11
  • 12. 2.4 Processo de biodigestão anaeróbica A biodigestão anaeróbica é a fermentação de dejetos animais, plantas e lixo,por bactérias anaeróbias na ausência de oxigênio. Essas bactérias transformam amatéria orgânica em metano e dióxido de carbono, que são os principaiscomponentes do biogás, além de água, amônia e ácido sulfídrico. A Tabela 1 mostraa composição típica do biogás, que pode variar conforme o substrato utilizado(HOMOLOGA AMBIENTE; AMON, 2006). Além da produção de biogás, outraimportância do processo de biodigestão anaeróbica é a redução de poluição pelotratamento de resíduos e o aproveitamento do efluente do biodigestor comobiofertilizante (FARIA, 2010; CASTRO e CORTEZ, 1998).Tabela 1: Composição típica do biogás Gases Porcentagem (%)Metano (CH4) 45 – 70Dióxido de carbono (CO2) 25 – 50Hidrogênio (H2) 0–1Ácido sulfídrico (H2S) 0–3Oxigênio (O2) 0–2Amônia (NH3) 0–1Nitrogênio (N2) 0–7 O processo de biodigestão anaeróbica ocorre em quatro etapas: hidrólise,acidogênese, acetogênese e metanogênese. A Figura 6 apresenta o processo. 12
  • 13. Figura 6: Etapas da biodigestão anaeróbica. Fonte: VINDIS et al., 2009. Na primeira fase, a hidrólise, as bactérias anaeróbias liberam enzimasextracelulares, hidrolisando as partículas e transformando moléculas complexas emmoléculas simples (proteínas em peptídeos e aminoácidos, polissacarídeos emmonossacarídeos e gorduras em ácidos graxos). Nessa etapa, tem-se a formação dechorume. Segundo LEMA (1997), citado por SALOMON (2007), a hidrólise pode ser aetapa mais lenta da degradação de vários compostos poliméricos, limitando oprocesso. De acordo com LETTINGA (1985), citado por SALOMON (2007), o pH, atemperatura, o tempo de retenção, o tamanho e a distribuição das partículas são osprincipais fatores que comprometem essa etapa. Na acidogênese, os microorganismos acidogênicos transformam o materialobtido na hidrólise em ácidos orgânicos, etanol, amônia, hidrogênio e dióxido decarbono e há liberação de nitrogênio e fósforo. Devido à predominância de ácidosorgânicos, o pH nessa etapa é mais baixo (BENCK, 2007). Na acetogênese, os produtos da acidogênese são oxidados a acetato,hidrogênio e dióxido de carbono (SALOMON, 2007; BENCK, 2007). As reações nessaetapa podem ser interrompidas facilmente pelo acúmulo de gás hidrogênio dissolvidono meio (SALOMON, 2007). 13
  • 14. Na etapa da metanogênese, é gerado metano por dois mecanismos: a partir dedióxido de carbono e hidrogênio e da descarboxilação do acetato (SALOMON, 2007).Além disso, podem também ser produzidos nitrato (em menores quantidades) esulfato, que são reduzidos a nitrogênio e sulfeto (BENCK, 2007; CINTRA, 2003).Como o ácido acético é eliminado, o pH do meio muda nessa etapa. A realização e a eficiência da biodigestão anaeróbica dependem de fatorescomo temperatura e pH do meio, tempo de retenção, presença de substânciastóxicas, relação carbono/nitrogênio e tipo de biodigestor. O processo pode ocorrerentre 10 °C e 60 °C, dependendo do tipo de bactéria, mas, na grande maioria doscasos, as bactérias são bastante sensíveis às variações de temperatura, por isso atemperatura dentro dos biodigestores deve ser controlada (FARIA, 2010; CASTRO eCORTEZ, 1998). A faixa ideal de pH no meio deve ser entre 6 e 8 (FULFORD, 1988, citado porCASTRO e CORTEZ, 1998). Durante o processo, a formação de ácidos pode reduziro pH interferindo no processo de produção de metano. No entanto, é esperado que asbactérias metanogênicas transformem os ácidos em produtos gasosos, aumentandonovamente o pH (CASTRO e CORTEZ, 1998). Outro fator a se considerar é o tempo de retenção do substrato, que influenciano rendimento de biogás, uma vez que a retirada precoce do substrato diminui aeficiência por não utilizar todo o potencial da matéria orgânica, e a retirada tardiadiminui a eficiência por perda de tempo desnecessária (FARIA, 2010; CASTRO eCORTEZ, 1998). Outros fatores que podem interferir nesse processo são a presençade substâncias tóxicas no substrato, que podem eliminar as bactériasdecompositoras, e a proporção de carbono/nitrogênio, a qual deve estar em torno de1:30 ou 1:20 para que haja a formação dos ácidos orgânicos (FARIA, 2010). A presença de gases incombustíveis no biogás, como gás sulfídrico ecarbônico e traços de nitrogênio, podem diminuir a eficiência energética do biogás, jáque prejudicam o processo de queima e absorvem parte da energia gerada,reduzindo seu poder calorífico. Ácido sulfídrico e amônia também podem contribuirpara a corrosão dos locais onde o biogás é armazenado (SALOMON 2007; MONTE,2010). Considerando que o biogás apresenta na sua constituição até 1% de ácidosulfídrico e até 0,5 % de amônia é necessária a retirada destes compostos antes do 14
  • 15. processo de conversão em energia elétrica. Vários métodos são propostos naliteratura para esta finalidade. Para a amônia, é proposta a passagem do biogás emsolução ácida, seguida de purga de ar, e para o ácido sulfídrico, métodos deabsorção em compostos variados, adsorção em peneiras moleculares ou carvãoativado, separação criogênica ou oxidação microbiana (COELHO et al., 2004; LEI etal., 2007).2.5 Tipos de biodigestores No Brasil, os modelos de biodigestores de sistema contínuo mais difundidossão o indiano, o chinês, o da marinha e o UASB (reator anaeróbio de manta de lodo). Os quatro tipos são compostos por um digestor, que é uma câmara ondeocorre a biodigestão, e um gasômetro, onde é armazenado o biogás produzido.Ligados ao digestor, estão uma caixa de carga, onde é colocada a quantidade diáriade matéria-prima que entrará no sistema através do tubo de carga, e uma caixa dedescarga, por onde é retirado o biofertilizante através do tubo de descarga. O biogásarmazenado sai pelo gasômetro através de um dispositivo na parte superior dobiodigestor, pelo qual o biogás será conduzido até os pontos de consumo decombustível. Além dessas duas caixas, pode ser construído também um primeirotanque, que é o de pré-fermentação, onde é preparada a matéria-prima (GASPAR,2003). A caixa de carga é construída do tamanho exato da quantidade diária debiomassa necessária para alimentar o biodigestor. O biogás produzido ficaarmazenado na campânula e o biofertilizante (matéria orgânica processada) sai pelacaixa de descarga. O abastecimento geralmente é contínuo, ou seja, o fornecimentode substrato apresenta certa regularidade (CASTANHO e ARRUDA, 2008). A diferença dos quatro modelos de biodigestor: indiano, chinês, da marinha eUASB, está praticamente na maneira como cada um é construído e no tipo de cúpulautilizada.2.5.1 Modelo Indiano 15
  • 16. Este modelo de biodigestor possui uma campânula cilíndrica, geralmentefabricada de ferro ou fibra, a qual pode estar mergulhada sobre a biomassa emfermentação, ou em um selo d’água externo, o que reduz as perdas durante oprocesso de produção do gás. À medida que o volume de biogás gerado aumenta enão é consumido de imediato, seu gasômetro se desloca verticalmente aumentando ovolume e mantendo a pressão interior constante. Uma parede central divide o tanquede fermentação em duas câmaras para que o material circule por todo o interior dacâmara de fermentação, como mostra a Figura 7 (DEGANUTTI et al., 2010).Figura 7: Esquema de um biodigestor indiano. Fonte: DEGANUTTI et al., 2010. Este tipo de biodigestor é construído enterrado no solo e, como a temperaturado solo é pouco variável, o processo de fermentação que ocorre em seu interior sofrepouca variação de temperatura. A temperatura elevada (entre 30º C e 35º C) favorecea ação das bactérias responsáveis pelo processo de fermentação anaeróbica, e a suaqueda provoca uma menor produção de biogás. Outra vantagem deste tipo debiodigestor é que ele ocupa uma área menor no terreno, pois sua extensão maior évertical. Como as paredes de seu digestor são construídas dentro do solo, édispensado o uso de reforços, tais como cintas de concreto, o que reduz seu custo deimplementação (CASTANHO e ARRUDA, 2008). 16
  • 17. Dentre as principais desvantagens do seu uso, estão: adiciona-se ao custo dobiodigestor o custo da cúpula, que o modelo chinês não tem e o da marinha é maisbaixo; o sistema de comunicação entre a caixa de carga e o digestor é feito atravésde tubos, o que pode provocar entupimentos; sua construção é limitada para áreas delençol freático alto, ou seja, não é um modelo indicado para terrenos superficiais,pois, nestes casos, pode ocorrer infiltração e caso a cúpula seja de metal, estarásujeita à corrosão. Para evitá-la, recomenda-se fazer uma boa pintura com umantioxidante (DEGANUTTI et al., 2010).2.5.2 Modelo Chinês Esse tipo de biodigestor é constituído por uma câmara cilíndrica feita emalvenaria, onde ocorre a fermentação, e um teto impermeável, abobadado e imóvel,onde o biogás produzido é armazenado, como mostra a Figura 8.Figura 8: Esquema de um biodigestor chinês. Fonte: DEGANUTTI et al., 2010. O seu princípio de funcionamento é semelhante ao da prensa hidráulica: oefluente da câmara de biodigestão se desloca para a saída à medida que aumenta a 17
  • 18. pressão do biogás produzido no interior do biodigestor e se desloca em sentidocontrário quando ocorre descompressão (DEGANUTTI et al., 2010). Como vantagens do uso deste sistema, estão: este modelo tem um custo maisbaixo em relação aos outros, por ser quase totalmente feito de alvenaria, o quedispensa o uso do gasômetro em chapa de aço; ocupa menos espaço na superfíciedo solo; como é construído completamente enterrado no solo, sofre pouca variaçãode temperatura. E como desvantagens, apresentam-se: como o sistema decomunicação entre a caixa de carga e o digestor é feito através de tubos, podemocorrer entupimentos; sua construção em solos superficiais não é indicada; não é umbiodigestor próprio para acúmulo de gás, devido a sua cúpula fixa (a área de reservade gás é menor). É um modelo mais indicado para a produção de biofertilizante(DEMEC, 2010).2.5.3 Marinha O biodigestor da marinha é do tipo horizontal. A cúpula do gasômetro é feita deplástico PVC preto impermeabilizado e, à medida que o biogás é produzido, inflacomo um balão. Quando há uma superprodução de biogás e a pressão interioraumenta, o excesso de gás escapa através do selo d’água, localizado dentro de umacanaleta em torno do digestor, como mostra a Figura 9 (ANDRADE et al., 2010;ZAMONER, 2010).Figura 9: Esquema de um biodigestor da marinha. Fonte: BARRERA, 1993. 18
  • 19. Como vantagens do uso deste biodigestor, destacam-se: a sua área sujeita àexposição solar é maior, facilitando, com isso, uma maior produção de gás nos diasquentes; sua construção não exige solos profundos porque é um modelo de tipohorizontal, e seu digestor pode ser construído tanto enterrado, como sobre asuperfície do solo; a comunicação da caixa de carga para o digestor é mais larga,evitando, com isso, entupimento e facilitando a manutenção; a limpeza do digestor émais fácil porque a cúpula é mais fácil de ser retirada. As desvantagens deste tipo debiodigestor são: neste modelo, como no indiano, tem-se o custo da cúpula e estebiodigestor apresenta curta vida útil, aproximadamente de cinco anos (DEMEC,2010).2.5.4 UASB O reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) consiste basicamente de umtanque de fluxo vertical, como mostrado na Figura 10. O substrato entra pelo fundo,onde há grande concentração de biomassa ativa, que converte a matéria orgânica embiogás. O afluente segue em fluxo ascendente até o topo do reator, onde ficalocalizado um separador de três fases. O biogás, por se formar na célula bacteriana,tende a ficar preso à biomassa fazendo-a flotar, devido à diminuição de densidade e,ao se ascender, encontra o separador de três fases e o lodo toca a parte inferior dodecantador, liberando o biogás e deixando assim que os sólidos (biomassa) sejamdecantados (AISSE et al., 2000; CAMPOS et al., 2006). 19
  • 20. Figura 10: Biodigestor tipo UASB. Fonte: UASB 2010. Uma vantagem relevante desse tipo de biodigestor, considerado de segundageração, é que o tempo de retenção da matéria orgânica insolúvel é de 15 a 20 vezesmenor que o tempo de retenção hidráulica, já que a manta de lodo retém essamatéria orgânica. Logo, o tamanho do biodigestor pode ser reduzido (TELUS, 2010).As vazões aplicadas inicialmente são baixas, mas, na medida em que o tempo passa,as bactérias vão crescendo e formando grânulos dentro do sistema, os quais, apósserem decantados no separador de fases, se acumulam no fundo do biodigestor,formando a manta de lodo cheia de grânulos de bactéria. Devido ao fato de ser muitopesada, essa manta não é expulsa do reator, permitindo que as vazões sejamaumentadas até o valor de projeto. Isso resulta num aumento de velocidade doprocesso. Contudo, o UASB deve ser operado por pessoal capacitado, já que há umagrande chance de falhar quando mal operado. Além disso, a formação de grânulosnão é um processo simples e exige um conhecimento específico na áreamicrobiológica. Devido a essas exigências, há uma elevação no custo gerado por suautilização (BALMANT, 2009). 20
  • 21. 3. METODOLOGIA3.1 Seleção e classificação das usinas de biodiesel instaladas no país Com a finalidade de selecionar as usinas de biodiesel em funcionamento noBrasil e classificá-las quanto ao porte, foi feito um levantamento das usinasautorizadas para operação e comercialização de biodiesel pela ANP, com base nacapacidade produtiva de cada uma. Foram escolhidas para este trabalho indústriascom produção diária média de biodiesel de 80 m3, 270 m3 e 660 m3 para representaras usinas de pequeno, médio e grande portes, respectivamente.3.2 Substratos utilizados no processo de biodigestão anaeróbica e produção demetano Através do estudo do processo da biodigestão anaeróbica, dos tipos debiodigestores mais aplicados e com base nas vantagens e desvantagens de cada um,descritas no item 2.5, escolheu-se, para este estudo, o biodigestor tipo UASB. Comosubstratos do processo de biodigestão anaeróbica, propôs-se o uso de dejetosbovinos e suínos, com adição de glicerina como co-digestor nas proporções de 10%ao estrume bovino, como estudado por ROBRA e colaboradores (2010) e de 6% aoestrume suíno, como estudado por AMON e colaboradores (2006). O estrume bovinoé composto de 7,87% de sólidos voláteis, enquanto o suíno é composto de cerca de17%. A partir do teor de sólidos voláteis de cada substrato foi mensurada a produçãodiária de biogás e de metano no biodigestor UASB. Considerando que a cada 100 m3 de óleo vegetal são obtidos cerca de 90 m3de biodiesel e 10 m3 de glicerina, foi calculado o volume de glicerina produzida nosdiferentes cenários usados no estudo (usinas de pequeno, médio e grande porte). A quantidade de estrume a ser adicionado no biodigestor levou em conta quetoda a glicerina de rejeito da usina seria tratada via processo de biodigestãoanaeróbica, e que esta teria sua porcentagem em volume na mistura final comosendo 6 e 10% para o estrume suíno e bovino, respectivamente. 21
  • 22. O dimensionamento do biodigestor quanto à quantidade de substrato frescoadicionado por unidade de tempo foi feito levando em consideração o volume útil doreator, a carga orgânica, definida como a quantidade de compostos voláteis (CV) porvolume de substrato adicionado no biodigestor por dia, fixada em 3 g L -1 de acordocom ROBRA (2006), e o teor de matéria seca do substrato: 9,4% e 18% para osestrumes bovino e suíno, respectivamente (ROBRA, 2006; AMON, 2006). Os valoresde todos os parâmetros usados nos cálculos de produção de biogás, metano, volumedos reatores, estão indicados na Tabelas 2.Tabela 2: Propriedades do substrato utilizado, a glicerina e o biogás produzidosegundo ROBRA (2006) e AMON e colaboradores (2006) AMON e Parâmetro ROBRA colaboradores Teor de matéria seca (MS) na glicerina 85 85 bruta (%)Teor de compostos voláteis (CV) na MS da 70 70 glicerina bruta (%)Teor de matéria seca do substrato principal 9,4 18 (%) Teor de compostos voláteis do substrato 7,87 17 principal (%) Carga orgânica (CV) (g L-1) 3 3 Teor de CH4 no biogás da glicerina (%) 57,9 57,9 Teor de CH4 no biogás do substrato 55 52,43 principal (%) Produção do biogás a partir da glicerina 1.295 1.295 (m3t-1 CV) Produção do biogás a partir do substrato 303 412 principal (m3 t-1 CV) O volume do reator necessário para 3 kg de CV m -3 d-1 foi calculado pelarelação seguinte: 22
  • 23.  CVmist  V =  C arg a orgânica  × 1000   Onde: V é o volume do reator (m³); CVmist: é a quantidade de CV na mistura (t d-1 ), que é a soma do CV do estrumee do CV da glicerina. A quantidade de CV na glicerina e no estrume foram calculados pela seguinterelação: ( MS × CVMS ) CV = 100Onde: MS: é a quantidade de massa seca na glicerina ou no estrume (t d-1); CVMS: é o teor de CV na massa seca da glicerina ou no estrume (%), que écalculado pela relação:  %CVestrume  CV MS estrume =   % MS  × 100   estrume Onde: %CVestrume: é o teor de CV no estrume (%); %MSestrume: é o teor de MS no estrume (%). As quantidades de matéria seca dos dois substratos (glicerina ou estrume)foram obtidas pela relação: ( Substrato × %MS substrato ) MS substrato = 100Onde: Substrato: é a quantidade de glicerina a ser tratada ou a quantidade deestrume utilizado (m³ d-1); %MSsubstrato: é o teor de MS no substrato (%). A produção total de biogás é a soma da contribuição de produção de biogáspelo estrume e pela glicerina. A contribuição na produção de biogás pela glicerina e 23
  • 24. pelo estrume foram calculadas pelas equações abaixo, que são válidas apenas paraas proporções adicionadas de estrume e glicerina que não causam a morte dabiocenose: ( MS substrato × CVMS substrato ) PBtotal substrato = PBsubstrato × 100Onde: PBtotal substrato: é a contribuição do substrato na produção de biogás (m³ d-1); PBsubstrato: é a produção de biogás correspondente ao substrato (m³ t-1 CV); A produção total de metano é a soma da contribuição de produção de metanopelo estrume e pela glicerina, dada pela equação: PM total substrato = ( PB total substrato × QuantM biogás substrato ) 100Onde: PMtotal substrato: é a contribuição de metano pelo substrato (m³ d-1); PBtotal substrato: é a produção do biogás pelo substrato (m³ d-1); QuantM biogás substrato: é a quantidade de metano no biogás do substrato (%). Antes da conversão do biogás em energia elétrica, ele deve ser purificado.Para a retirada do ácido sulfídrico do biogás propôs-se a utilização de limalha de ferroassociada à serragem (COELHO et al., 2004), por serem materiais de baixo custo edisponíveis na região, e para a amônia, reação com solução de ácido sulfúrico (LEI etal., 2007).3.3 Conversão do biogás em energia elétrica A partir dos valores produzidos de metano com a adição de 6% de glicerina aoestrume suíno e de 10% ao bovino nos diferentes cenários calculou-se a conversãodo biogás em energia elétrica usando um gerador de 10 W, com rendimento de 28,82%. Levando-se em consideração que o poder calorífico do biogás é 25 MJ m-3(ROBRA, 2006), a quantidade de energia elétrica gerada pela conversão do metanoproduzido foi calculada pela seguinte relação: 24
  • 25. VCH 4 xPCIx Re nd gerador Energia gerada ( KWh) = FconversãoOnde: VCH4 = Volume metano (m3); PCI = Poder calorífico inferior do biogás (J m-3) (25 MJ m-3 = 25.000.000J m-3); Rendgerador = Rendimento gerador (28,82 % ou 0,2882); Fconversão = Fator de conversão de energia, kWh em J (1 kWh = 3,6 MJ =3.600.000 J). Paralelo a isto, foram levantados os gastos diários de energia de usinas debiodiesel de pequeno, médio e grande portes. Como os valores dos gastosenergéticos obtidos não correspondiam exatamente aos gastos para a produção dovolume de biodiesel usadas neste estudo, foi feita uma conversão para os valoresdeste estudo. Os dois conjuntos de dados foram utilizados na análise da viabilidade deutilização do biogás como fonte de energia para essas usinas, em termos deminimização dos custos com energia elétrica. A produção de energia elétrica foitambém comparada ao consumo de cidades de pequeno porte, como a cidade deCongonhas, cuja população em 2009, segundo o Instituto Brasileiro de Geografia eestatística (IBGE), era de 48.723 habitantes. Todos os estudos foram feitos levando-se em consideração a quantidade de glicerina produzida em usinas de biodiesel depequeno, médio e grande portes.4. RESULTADOS E DISCUSSÃO4.1 Seleção e classificação das usinas de biodiesel instaladas no país De acordo com o boletim mensal de biodiesel da ANP (Agência Nacional dePetróleo, Gás Natural e Biocombustíveis), de agosto de 2010, o Brasil possui 53plantas industriais produtoras de biodiesel autorizadas para operação ecomercialização do produto no país, sendo 20 de pequeno porte (produção de até35.640 m3/ano), 15 de médio porte (produção de 35.640 a 126.000 m 3/ano) e 18 degrande porte (produção acima de 126.000 m3/ano), como indicado na Tabela 3. A 25
  • 26. produção total anual destas plantas é de cerca de 5 milhões de m3 de biodiesel (ANP,2010).Tabela 3: Usinas de biodiesel instaladas no país e autorizadas pela ANP.Classificação Produção Capacidade quanto ao Empresa anual de autorizada (m3/dia) porte biodiesel (m3) ABDIESEL 6 2.190 OURO VERDE 9 3.285 BIO ÓLEO 10 3.650 COOPERFELIZ 10 3.650 TECNODIOESEL 11 4.015 BEIRA RIO 12 4.380 COOMISA 12 4.380 BIO PETRO 17 6.095 Pequenas AMAZONBIO 20 7.300 Usinas SSIL 20 7.300(produção anual B-100 30 10.950 de até 35.560 BIOCAR 30 10.950 m3 ) BIOLIX 30 10.950 INNOVATTI 30 10.950 DVH 35 12.775 CESBRA 60 21.900 AGROPALMA 80 29.200 AGROSOJA 80 29.200 BIOTINS 81 29.565 SP BIO 83 30.397 26
  • 27. ARAGUASSÚ 100 36.500 BIOPAR 100 36.500 CLV 100 36.500 TRANSPORTADORA 100 36.500 CAIBIENSE BIOPAR 120 43.800 GRUPAL 120 43.800 Médias Usinas BARRALCOOL 190 69.518(produção anual FERTIBOM 200 73.000entre 35.560 m3 BIOVERDE 267 97.616 e 126.000 m3) BINATURAL 300 109.500 BIO CAMP 300 109.500 PETROBRAS 302 110.124 BIOCOMBUSTÍVEL PETROBRAS 302 110.124 BIOCOMBUSTÍVEL COMANCHE 335 122.275 COOPERBIO 340 124.100 BSBIOS MARIALVA 353 128.845 BRASIL ECODIESEL 360 131.400 BRASIL ECODIESEL 360 131.400 BRASIL ECODIESEL 360 131.400 BRASIL ECODIESEL 360 131.400 FIAGRIL 410 149.635 BSBIOS 444 162.060Grandes Usinas BRACOL 560 204.484(produção anual OLFAR 600 219.000 acima de PETROBRAS 603 220.248 BIOCOMBUSTÍVEL 126.000 m3) GRANOL 613 223.745 CARAMURU 625 228.125 CARAMURU 625 228.125 OLEOPLAN 660 240.900 AGRENCO 660 240.900 BIOCAPITAL 824 300.760 GRANOL 933 340.665 ADM 955 348.575 Para o presente estudo, foram escolhidos três cenários de acordo com aprodução diária das usinas de biodiesel de cada porte. Para representar as usinas depequeno, médio e grande porte foram consideradas uma produção diária de 80 m3, 27
  • 28. 270 m3 e 660 m3, respectivamente (ou 29.200 m3, 98.550 m3 e 240.900 m3 por ano).Essa escolha foi baseada no intervalo de produção de cada cenário.4.2 Produção de metano com diferentes substratos Devido ao aumento da produção de biodiesel no Brasil, a questão dadestinação da glicerina tornou-se bastante relevante, já que para cada 90 m3 debiodiesel são produzidos 10 m3 de glicerina (ROBRA et al., 2010). A glicerina pode ter diversas aplicações tais como preparação de pães,sorvetes e tabaco, cosméticos e farmacêuticos, como meio de proteção para ocongelamento de células e tecidos, tintas, mistura anti-congelante e como matéria-prima para a nitroglicerina (BIODIESEL, 2010). No entanto, todas essas aplicaçõesrequerem glicerina purificada, diferentemente da obtida no processo de produção debiodiesel. Alguns estudos têm mostrado a aplicação da glicerina bruta na co-digestãoanaeróbica e sua influência na composição e na quantidade de biogás produzido poreste processo. Nos estudos feitos por ROBRA (2006) e ROBRA e colaboradores(2010), utilizou-se estrume bovino como substrato e glicerina em diferentesproporções em regime semi-contínuo. As quantidades de biogás produzidas foram268,6, 825,3, 825,7 e 387,9 L kg-1 de sólidos voláteis (SV) para a adição de 0, 5, 10 e15% de glicerina, respectivamente. Foi observado que a adição de 5% de glicerina jálevou a um aumento significativo de 307% na produção de biogás, quandocomparado à geração de biogás sem adição de glicerina. Comparando a produção debiogás para 5 e 10% de glicerina adicionada, verificou-se que a quantidade de biogásfoi praticamente igual. Já com a utilização de 15% de glicerina, houve uma diminuiçãona produção do biogás, devido à alta concentração de metanol e hidróxido depotássio no substrato, provenientes do processo de produção de biodiesel, o queprovocou a inibição do processo e a morte da biocenose. Os incrementos naquantidade de metano presente no biogás foram de 9,5, 14,3 e 14,6% para 5, 10 e15% de glicerina adicionada, respectivamente. Já no estudo realizado por AMON e colaboradores (2006), foi utilizado estrumede porco, grão de milho e silagem de milho como substrato da biodigestão anaeróbicacom diferentes proporções de glicerina. Para o estrume suíno sem a adição deglicerina, o rendimento específico de biogás foi de 412 L (kg SV)-1 e do metano 216 L 28
  • 29. (kg SV)-1. Já com a adição de 6% de glicerina, o rendimento específico do biogás foide 1.114 L (kg SV)-1 e do metano 617 L (kg SV)-1, ou seja, com a adição de 6% deglicerina, houve um incremento de 270% no rendimento específico do biogás. Orendimento específico para a utilização de uma mistura de estrume suíno e milho semglicerina foi de 569 L (kg SV)-1 e o rendimento em metano foi de 335 L (kg SV)-1,enquanto que com a adição de 6% de glicerina a essa mistura, o rendimentoespecífico de biogás foi de 679 L (kg SV)-1 e de metano foi de 439 L (kg SV)-1,observando um incremento de 119% no rendimento específico do biogás com aadição da glicerina. Comparando a produção de biogás e a porcentagem de metanonele presente para o uso do estrume suíno com uma mistura de milho e do estrumesuíno sem essa mistura adicionada, ambas com 6% de glicerina, verificou-se que orendimento de biogás e metano é maior com a utilização do estrume suíno comglicerina, sem a presença da mistura de milho. A escolha da proporção ideal de substrato e glicerina para o processo debiodigestão anaeróbica deve levar em conta uma máxima produção de biogás commaior proporção de metano. Em ROBRA (2006), verificou-se que a proporção deglicerina ideal deve ser de 5 ou 10%. Como a glicerina é um co-produto abundante daprodução de biodiesel sem destino certo, é importante tratar uma maior quantidadede glicerina para dar a esse co-produto um destino ambientalmente correto. Por isso,escolheu-se nesse trabalho a proporção de 10% glicerina para ser adicionada aosubstrato bovino. Em AMON e colaboradores (2006), o melhor substrato utilizado foi oestrume suíno com 6% de glicerina. Entretanto, a baixa oferta desse substrato namaioria das regiões do país favorece o uso do estrume bovino. Apesar disto, opresente estudo apresenta cenários de produção de biogás, metano e energia elétricacom os dois substratos. Esses dados foram aplicados a três cenários distintos: usinas de biodiesel depequeno, médio e grande portes. Através da estimativa das quantidades de glicerinaproduzidas pelas usinas de cada porte e usada como suplemento no processo dedigestão anaeróbica, estimou-se a quantidade de biogás produzido e a de metano nobiogás. Como descrito na literatura, o teor de metano no biogás pode variar de acordocom o tipo de substrato e com as condições experimentais. A Tabela 4 ilustra essavariação para diferentes substratos. 29
  • 30. Tabela 4: Porcentagem de metano presente no biogás obtido a partir de diferentessubstratos Quantidade de metano no biogás Substrato (%) Resíduos de matadouro1 70,0 Resíduos de galinha2 66,0 Estrume bovino2 46,5 2 Mistura de estrume de porco e de galinha 45,5 Restos de comida3 49,01 2 3 LUOSTARINEN et al., 2009; FANTOZII e BURATTI, 2009; EL-MACHAD e ZHANG,2010. Os valores projetados de volume de biogás e metano a serem produzidos paraos diferentes cenários são apresentados nas Tabelas 5 e 6. Através da carga dealimentação utilizada nos trabalhos de ROBRA e colaboradores (2010) e AMON ecolaboradores (2006), com suas respectivas proporções de glicerina, e da quantidadede biogás produzido em cada um, fez-se a projeção de biogás a ser produzido pelautilização de toda glicerina bruta de rejeito das usinas de biodiesel de pequeno, médioe grande portes. Para simplificar os cálculos, a quantidade de glicerina foiconsiderada como 10% da quantidade de biodiesel produzido, já que o valor real ébem próximo a essa proporção. Para os cálculos, os valores de MS foram tomadoslevando em consideração que os teores de matéria seca nos estrumes bovino e suínosão 9,4 e 18,0 % da quantidade de substrato fresco adicionada, respectivamente(ROBRA, 2006; AMON, 2006). O teor de sólidos voláteis foi de 17% para o estrumesuíno e 7,87% para o bovino. A carga orgânica foi fixada em 3 g L-1, já que érecomendável que não ultrapasse uma concentração de 4 g L -1 de CV por dia, paraque não haja o comprometimento da estabilidade do processo (ROBRA, 2006). Aprodução de biogás foi tomada como 1.295 m3 por tonelada de sólidos voláteis (SV)para a glicerina pura, 303 m3 por tonelada de SV para o estrume bovino e 412 m3 portonelada de SV para o estrume suíno. O teor de metano no biogás foi tomado como57,9 % na geração a partir de glicerina pura (AMON et al., 2006), 55 % a partir doestrume bovino puro e 52,43% a partir do estrume suíno puro (AMON et al., 2006).Além disso, de acordo com os estudos de AMON e colaboradores (2006), o teor deMS e CV na glicerina bruta é de 85 % e 70 %, respectivamente. 30
  • 31. Tabela 5: Valores calculados para as massas de glicerina obtida a partir do biodiesel,estrume necessário, projeções de volumes de biogás e metano produzidos por dia evolumes dos reatores em indústrias de diferentes portes, segundo condições deAMON e colaboradores (2006) USINAS DE BIODIESEL Parâmetro Pequeno porte Médio porte Grande porte Produção de biodiesel (m3 dia-1) 80 270 660Quantidade produzida de glicerina (m3 dia-1) 8 27 66Quantidade de substratoprincipal (MF) (m3 dia-1) 133,33 450,00 1.100,00 Quantidade de MF damistura de substratos (m3 141,33 477,00 1.166,00 dia-1)*Projeção da quantidade de biogás a ser 15.502,87 52.322,18 127.898,65 produzido (m3 dia-1)Projeção da quantidadede metano a ser obtido 8.465 28.570 69.839 (m3 dia-1) Volume útil do reator 9.142 30.855 75.423 (m3)***Substrato: 94 % estrume suíno e 6 % glicerina. **Para uma carga orgânica (CV) de 3g L-1 e tempo de retenção no biodigestor de 35 dias.Tabela 6: Valores calculados para as massas de glicerina obtida, estrume necessário,projeções de volumes de biogás e metano produzidos por dia e volumes dos reatoresem indústrias de diferentes portes, segundo condições de ROBRA (2006) Parâmetro USINAS DE BIODIESEL Pequeno porte Médio porte Grande porte Produção de biodiesel 80 270 660 (m3 dia-1) Quantidade produzida de glicerina (m3 dia-1) 8 27 66 31
  • 32. Quantidade de substratoprincipal (MF) (m3 dia-1) 80 270 660 Quantidade de MF da mistura de substratos 88 297 726 (m3 dia-1)*Projeção da quantidade de biogás a ser 8.071,89 27.242,62 66.593,08 produzido (m3 dia-1)Projeção da quantidadede metano a ser obtido 4.618,30 15.586,76 38.100,98 (m3 dia-1) Volume útil do reator (m3)** 3.685,33 12.438,00 30.404,00*Substrato: 90 % estrume bovino e 10 % glicerina. **Para uma carga orgânica (CV)de 3 g L-1 e tempo de retenção no biodigestor de 35 dias. O cálculo da quantidade de metano presente no biogás é necessário paraestimar a geração de energia elétrica pelo biogás produzido pela digestão anaeróbicade cada substrato com suas respectivas proporções de glicerina. Pelos resultadosapresentados nas Tabelas 5 e 6, pode-se verificar que o volume de metano obtido émaior para o uso do substrato suíno com 6% de glicerina, apesar de ambos oscenários apresentarem uma produção considerável de metano. O biogás de elevadaqualidade é aquele que possui elevado teor de metano e baixos níveis de oxigênio enitrogênio, o qual pode então ser utilizado para geração de energia elétrica (BANCOMUNDIAL, 2005). Dessa forma, pode-se prever uma maior eficiência em termos degeração de energia através do uso do biogás produzido a partir do substrato suíno.Entretanto, outros fatores devem ser levados em consideração na determinação dequal substrato utilizar, como a disponibilidade do substrato. Deve ser avaliado se aquantidade do substrato disponível atende às necessidades diárias requeridas para aprodução de biogás e a proximidade da indústria de biodiesel do local defornecimento dos substratos, considerando os custos de transporte. Neste sentido, émais vantajoso o uso do estrume bovino, pela sua maior produção nacional. Oestrume suíno pode ser utilizado, preferencialmente, em projetos de produção debiogás próximos às granjas de porcos em locais mais restritos do país. 32
  • 33. A desvantagem da utilização da associação estrume suíno com adição de 6%de glicerina se dá no fato de uma menor quantidade de glicerina produzida noprocesso de produção do biodiesel ser tratada por biodigestão e nos altos volumes dereatores necessários para o tratamento biológico, o que onera o custo de implantaçãodo processo. A utilização de percentagens maiores de glicerina em associação aoestrume bovino é uma vantagem do processo, dada a grande disponibilidade dos doissubstratos e o impacto ambiental gerado pela disposição inadequada da glicerinabruta.4.3 Conversão do biogás em energia elétrica O potencial de geração de energia elétrica do biogás é determinado através deinformações como a sua vazão, composição química e poder calorífico. Essesparâmetros permitem também dimensionar os processos de pré-tratamento dobiogás, como a remoção de ácido sulfídrico, amônia e umidade, para que se evitemdanos aos equipamentos da instalação e se aumente seu poder calorífico (COELHOet al., 2006). O poder calorífico do biogás depende diretamente do seu teor de metano.Segundo ROBRA (2006), o biogás com 70% de metano apresenta um podercalorífico de 25 MJ m-3. PALMER (1981), citado por ROSS et al. (1996), indica que 1m3 de biogás, com 65% de metano, equivale a 0,6 m3 de gás natural; 0,882 litros depropano; 0,789 litros de butano; 0,628 litros de gasolina; 0,575 litros de óleocombustível; 0,455 kg de carvão betuminoso ou 1,602 kg de lenha seca. A conversão energética do biogás, ou seja, o processo que transforma energiaquímica em elétrica, pode ser feita através de várias tecnologias. A energia químicacontida nas moléculas do biogás é convertida em energia mecânica por um processode combustão controlada. Um gerador é ativado pela energia mecânica e a converteem energia elétrica. O biogás também pode ser queimado diretamente em caldeiraspara co-geração. As turbinas a gás e os motores de combustão interna do tipo “ciclo-otto” são mais utilizados para esse tipo de conversão energética (COELHO et al.,2006). O consumo energético é um parâmetro relevante para o setor industrial demodo geral, já que envolve aspectos econômicos e ambientais. Nas Tabelas 7 e 8, 33
  • 34. estão indicados os valores da conversão energética do biogás produzido com o usodos estrumes suíno e bovino, respectivamente. Nesses cálculos, foram consideradasas projeções da quantidade de metano contidas nas Tabelas 5 e 6.Tabela 7: Valores calculados para geração de energia elétrica a partir da produção demetano com o uso de estrume suíno, baseado no experimento de AMON ecolaboradores (2006) USINAS DE BIODIESEL Parâmetro Pequeno porte Médio porte Grande porte Projeção da quantidade de metano a ser 8.465 28.570 69.839 obtido (m3 dia-1)*Energia consumida pelo gerador em 2,12 x 1011 7,14 x 1011 1,75 x 1012 termos de metano (J)1 Energia elétrica produzida pelo 6,10 x 1010 2,06 x 1011 5,03 x 1011 gerador (J)2 Conversão daenergia gerada em 16.942 57.181 139.775 kWh31 Poder calorífico do biogás 25 MJ m-3; 2Rendimento do gerador 28,82 % e 31kWh =3,6 MJ.Tabela 8: Valores calculados para geração de energia elétrica a partir da produção demetano com o uso de estrume bovino, baseado no experimento de ROBRA (2006) USINAS DE BIODIESEL Parâmetro Pequeno porte Médio porte Grande porte Projeção da quantidade de metano a ser 4.618 15.587 38.101 obtido (m3 dia-1)* 34
  • 35. Energia consumida pelo gerador em 1,16 x 1011 3,90 x 1011 9,53 x 1011 termos de metano (J)1 Energia elétrica produzida pelo 3,33 x 1010 1,12 x 1011 2,75 x 1011 gerador (J)2 Conversão daenergia gerada em 9.243 31.195 76.255 kWh31 Poder calorífico do biogás 25 MJ m-3; 2Rendimento do gerador 28,82 % e 31kWh =3,6 MJ. A conversão energética se mostrou mais eficiente para a utilização da glicerinacom o estrume suíno, como já era previsto devido à maior quantidade de metanoobtida com esse substrato. A destinação da glicerina gerada no processo produtivodo biodiesel é um fator importante que deve ser avaliado em uma unidade produtivade biodiesel. As indústrias de biodiesel vendem a glicerina bruta para outros setoresindustriais que a refinam e produzem diversos produtos. Logo, a glicerina é uma fontede receita para a usina. Um aumento da oferta de glicerina não acompanhado dademanda da mesma no mercado pode tornar inviável a venda desse subproduto dobiodiesel, devido à queda no preço de comercialização. Para avaliar o impacto gerado na utilização do biogás como fonte de energiaem usinas de biodiesel foram obtidos dados referentes ao consumo energético detrês usinas brasileiras produtoras de biodiesel, classificadas como de pequeno, médioe grande porte, como indicado na Tabela 9.Tabela 9: Consumo de energia em indústrias de biodiesel de diferentes portes Tipo de indústria Consumo diário médio de energia (kWh) Pequeno porte 16.684,55 Médio porte 56.310,37 Grande porte 137.647,57 Como se pode notar, a produção de energia elétrica gerada a partir do biogásproduzido com glicerina e estrume suíno (Tabela 7) atende à demanda energética detodos os portes de usinas de biodiesel, chegando a 101,5% nas usinas de pequeno,médio e grande portes. Usando-se estrume bovino (Tabela 8), 55,4% do consumo deenergia é suprimido em todos os cenários. 35
  • 36. De acordo com a CEMIG, em junho de 2010, a cidade de Congonhas-MG teveum consumo energético médio total de 111.063 kWh por dia, sendo 66.217 kWh pararesidências, 9.997 kWh para indústrias e 25.520 kWh para o comércio, entre outros.Comparando essas informações com os resultados obtidos para geração de energiaelétrica a partir do biogás, pode-se dizer que Congonhas teria uma economia de100%, se toda a energia obtida com estrume suíno e glicerina em uma usina debiodiesel de grande porte fosse utilizada para abastecer a cidade. Utilizando-sequalquer um dos cenários de produção de energia, seria atendida a demandaenergética de, no mínimo, todas as indústrias da cidade. Essa economia de energia também pode ser analisada quanto à economia emreais. Segundo a Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) (dados nãopublicados), o preço atual do kWh para indústrias com ICMS é R$ 0,477691 kWh-1. Asenergias geradas pelas indústrias de pequeno, médio e grande portes, levariam auma economia diária de R$ 8.093,04, R$ 27.314,85 e R$ 66.769,26 para o estrumesuíno e R$ 4.415,30, R$ 14.901,57 e R$ 36.426,33 para o estrume bovino. Apesar da viabilidade do uso da glicerina oriunda da produção do biodiesel naprodução de biogás via co-digestão com estrume suíno ou bovino, são necessáriosoutros estudos que levem em consideração todos os aspectos práticos da montagemde um sistema de geração de biogás acoplado à usina de biodiesel, tais comoinvestimento financeiro inicial, disponibilidade de fornecimento de substrato e custode manutenção e operação do sistema. Diante da possibilidade de comercializaçãoda glicerina bruta para outros setores industriais, um estudo comparativo paradeterminar se a utilização da glicerina para produção de energia é a opção maisadequada, em termos econômicos e ambientais, também é válido. O resultado dessacomparação pode ser alterado de acordo com as variações de mercado da glicerina.Portanto, é importante que as pesquisas na área da biodigestão com o uso daglicerina continuem avançando.5. CONCLUSÃO 36
  • 37. Neste trabalho, tomando-se como base uma produção de 80,270 e 660 m3dia-1de biodiesel e que toda a glicerina produzida por essas usinas seriam tratadas viabiodigestão anaeróbica com os estrumes suíno ou bovino, verificou-se que opotencial de produção de biogás com o estrume suíno como substrato seria de15.502,87, 52.322,18 e 127.898,65 m3 dia-1, e com o estrume bovino, seria de8.071,89, 27.242,62 e 66.593,08 m3 dia-1, em usinas de pequeno, médio e grandeportes, respectivamente. A conversão do biogás em energia elétrica mostrou que 101,5% e 55,4% doconsumo de energia das usinas de biodiesel seriam suprimidos com o uso do biogás,gerado a partir dos estrumes suíno e bovino, respectivamente, levando a umaeconomia considerável de energia no processo. Entretanto, além do volume debiogás e metano produzidos, a usina, ao fazer a escolha do substrato, deverá levarem conta tanto a disponibilidade do mesmo, quanto o objetivo da utilização dabiodigestão anaeróbica, o máximo de produção de energia ou máximo de tratamentoda glicerina bruta. Conclui-se, assim, que, com a utilização da glicerina como co-substrato numbiodigestor para a produção e o uso do biogás na geração de energia elétrica, pode-se tanto tratar a glicerina e diminuir os impactos ambientais causados pelo seu rejeito,quanto diminuir os custos de produção de biodiesel da usina, com o suprimento degrande ou toda a energia consumida no processo.6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 37
  • 38. AGÊNCIA NACIONAL DE PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS –ANP. Disponível em: www.anp.gov.br. Acesso em: 03 out. 2010.AISSE, M.M.; LOBATO, M.B.; BONA, A.; GARBOSSA, L.H.P. Estudo comparativo doreator UASB e do reator anaeróbio compartimentado sequencial no tratamento deesgoto sanitário. In: Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e AmbientalXXVII, 2000. Porto Alegre. Anais eletrônicos... Disponível em:http://www.bvsde.paho.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml. Acesso em: 21 out. 2010.AMON, T.; AMON, B.; KRYVORUCHKO, V.; BODIROZA, V.; PÖTSCH, E.;ZOLLITSCH, W. Optimizing methane yield from anaerobic digestion of manure:Effects of dairy system sand of glycerin supplementation. ICS-Elsevier, v. 1293, p.217-220, 2006.ANDRADE, M.A.N.; RANZI, T.J.D.; MUNIZ, R.N.; SILVA, L.G.S.; ELIAS, M.J.Biodigestores rurais no contexto da atual crise de energia elétrica brasileira ena perspectiva da sustentabilidade ambiental. Disponível em:http://www.proceedings.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=MSC0000000022002000100030&lng=pt&nrm=iso. Acesso em:24 abr. 2010.ARRUDA, P.V.; RODRIGUES, R.C.L.B.; FELIPE, M.G.A. Glicerol: um subprodutocom grande capacidade industrial e metabólica. Revista Analytica, n. 26, p. 56-62,2007.BALMANT, W. Concepção, construção e operação de um biodigestor emodelagem matemática da biodigestão anaeróbica. 59 p. Dissertação (Mestradoem Engenharia e Ciência dos Materiais) – Universidade Federal do Paraná, Curitiba,2009.BANCO MUNDIAL, Estudo de pré-viabilidade para recuperação de biogás eprodução de energia no aterro de Gramacho, Rio de Janeiro, Brasil, 2005.Disponível em: 38
  • 39. http://www.bancomundial.org.ar/lfg/archivos/PrefeasibilityStudies/Spanish_Portuguese/Gramacho_PreFeasibility_Study_Portuguese.pdf. Acesso em: 7 nov. 2010.BARRERA, P. Biodigestores: energia, fertilidade e saneamento para a zonarural. São Paulo: Ícone, 1993. 106 p.BENCK, Q.F. Estudo do processo de biodigestão anaeróbia por reator embatelada. 82 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia: Energia, Ambiente eMateriais) – Universidade Luterana do Brasil, Canoas, 2007.BIODIESEL - BARREIRAS, POTENCIAIS E IMPACTO. Disponível em:http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/06-07/Biodiesel/biodieselp.htm.Acesso em: 7 out. 2010.BRASIL ESCOLA. Disponível em: http://www.brasilescola.com/geografia/combustiveis-fosseis.htm. Acesso em: 24 abr. 2010.CAMPOS, C.M.M.; CARMO, F.R.; BOTELHO, C.G.; COSTA, C.C. Desenvolvimento eoperação de reator anaeróbio de manta de lodo (UASB) no tratamento dos efluentesda suinocultura em escala laboratorial. Ciência e Agrotecnologia, v. 30, n. 1,p.140-147, 2006.CASTANHO, D.S.; ARRUDA, H.J. Biodigestores. In: VI Semana de Tecnologia emAlimentos, 2008, Curitiba. Anais eletrônicos... Disponível em:http://www.pg.cefetpr.br. Acesso em: 30 set. 2010.CASTRO, L.R.; CORTEZ, L.A.B. Influência da temperatura no desempenho debiodigestores com esterco bovino. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola eAmbiental, v.2, n.1, p. 97-102, 1998.CINTRA, I.S. Estudo da influência da recirculação de chorume cru e chorumeinoculado na aceleração do processo de digestão anaeróbia de resíduos 39
  • 40. sólidos urbanos. 326 p. Dissertação (Mestrado em Saneamento, Meio Ambiente eRecursos Hídricos) – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2003.COELHO, S.T.; VELÁZQUEZ, S.M.S.G.; SILVA, O.C.; ABREU, F.C. Geração deenergia elétrica a partir do biogás proveniente do tratamento de esgoto utilizando umgrupo gerador de 18 KW. In: Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, 5,2006, Brasília. Anais eletrônicos... Brasília: CBPE, 2006. Disponível em:http://cenbio.iee.usp.br/download/projetos/10_purefa.pdf. Acesso em: 29 out. 2010.COELHO, S.T.; VELÁZQUEZ, S.M.S.G.; SILVA, O.C.; PECORA, V.; ABREU, F.C.Relatório de atividades do projeto Programa de uso racional de energia e fontesalternativas (PUREFA). São Paulo. CENBIO - Centro Nacional de Referência emBiomassa, 2004.COSENZA, C.A.N. Estudo de localização de pólos de produção de biodiesel nosemi-árido nordestino. Relatório técnico, COPPE, 2005.DEGANUTTI, R.; PALHACI, M.C.J.P.; ROSSI, M.; TAVARES, R.; SANTOS, C.Biodigestores rurais: modelo indiano, chinês e batelada. Bauru, SP. Disponívelem http://www.feagri.unicamp.br. Acesso em: 24 abr. 2010.DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA UFMG – DEMEC/UFMG.Disponível em:http://www.demec.ufmg.br/disciplinas/ema003/gasosos/biogas/exemplos.htm. Acessoem: 9 mai. 2010.EL-MACHAD, H.; ZHANG, R. Biogas production from co-digestion of dairy manureand food waste. Bioresource Technology, v. 101, p. 4021-4028, 2010.FANTOZII, F.; BURATTI, C. Biogas production from different substrates in anexperimental continuously stirred tank reactor anaerobic digester. BioresourceTechnology, v. 100, p. 5783-5789, 2009. 40
  • 41. FARIA, C. Fatores que influenciam na biodigestão anaeróbia para produção debiogás. Disponível em: http://www.infoescola.com/energia/fatores-que-influenciam-na-biodigestao-anaerobia-para-producao-de-biogas. Acesso em: 9 mai. 2010.GASPAR, R.M.B.L. Utilização de biodigestores em pequenas e médiaspropriedades rurais com ênfase na agregação de valor: um estudo de caso naregião de Toledo-PR. 106 p. Tese (Doutorado em Engenharia de Produção eSistemas) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2003.INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA – IBGE. Disponível em:www.ibge.gov.br. Acesso em: 10 nov. 2010.HOMOLOGA AMBIENTE. Disponível em: http://homologa.ambiente.sp.gov.br/biogas/biogas.asp. Acesso em: 13 de dez. 2010.LEI, X.; SUGIURA, N.; FENG. C.; MAEKAWA, T. Pretreatment of anaerobic digestioneffluent with ammonia stripping and biogas purification. Journal of HazardousMaterials, v. 145, p. 391-397, 2007.LEIRAS, A. A cadeia produtiva do biodiesel: uma avaliação econômica para ocaso da Bahia. 2006, 156 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Industrial) –Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2006.LUOSTARINEN, S; LUSTE, S.; SILLANPÄÄ, M. Increased biogas production at wastewater treatment plants through co-digestion of sewage sludge with grease trap sludgefrom a meat processing plant. Bioresource Technology, v. 100, p. 79-85, 2009.MONTE, M.M. Contributo para o estudo da valorização energética de biogás emestações de tratamento de águas residuais. 150 p. Dissertação (Mestrado emEngenharia Sanitária) – Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2010.MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Biodiesel. Brasília: Editora Ideal, 2006. 27 p. 41
  • 42. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA – MME. Disponível em: www.mme.gov.br.Acesso em: 24 de abr. 2010.MOTA, C.J.A.; SILVA, C.X.A.; GONÇALVES, V.L.C. Gliceroquímica: novos produtose processos a partir da glicerina da produção de biodiesel. Química Nova, v. 32, p.639-648, 2009.PARENTE, E.J.S. Biodiesel: Uma aventura tecnológica num país engraçado, 1ªed. Fortaleza: Unigráfica 2003. 68 p.PORTAL DO BIODIESEL. Disponível em: www.biodiesel.gov.br. Acesso em: 26 abr.2010.ROBRA, S. Uso da glicerina bruta em biodigestão anaeróbica: aspectostecnológicos, ambientais e ecológicos. 120 p. Dissertação (Mestrado emDesenvolvimento Regional e Meio Ambiente) – Universidade Estadual de Santa Cruz,Ilhéus, 2006.ROBRA, S.; CRUZ, R.S.; OLIVEIRA A.M.; NETO, J.A.A.; SANTOS, J.V. Generation ofbiogas using crude glycerin from biodiesel production as a supplement to cattle slurry.Biomass & Bioenergy, v. 34, p. 1330-1335, 2010.ROSS, C.C.; DRAKE, T.J.; WALSH, J.L. Handbook of biogas utilization. 2aed. At-lanta: U.S. Department of Energy, 1996. 2 p.SALOMON, K.R. Avaliação técnico-econômica e ambiental da utilização dobiogás proveniente da biodigestão da vinhaça em tecnologia para geração deeletricidade. 219 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – UniversidadeFederal de ItajubáInstituto de Engenharia Mecânica, Itajubá, 2007.SERVIÇO BRASILEIRO DE APOIO ÀS MICRO E PEQUENAS EMPRESAS -SEBRAE. Biodiesel. 2010. 61 p. 42
  • 43. TELUS – REDE PARANAENSE DE PROJETOS EM DESENVOLVIMENTOSUSTENTÁVEL. Disponível em: http://www.tecpar.br/telus/Projetos/04%20BSI%20-%20biodigestor.htm. Acesso em: 29 out. 2010.UASB. Disponível em: http://www.uasb.org/discover/agsb.htm. Acesso em: 21 out.2010.VINDIS, P.; MURSEC, B.; JENZEKOVIC, M.; CUS, F. The impact of mesophilic andthermophilic anaerobic digestion of biogas production. Journal of Achievements inMaterials and Manufacturing Engineering. v. 36, p. 192-198, 2009.ZAMONER, M. Biodigestores e os créditos de carbono. Disponível em:http://www.protexto.com.br/texto.php?cod_texto=369. Acesso em: 9 mai. 2010.ZHANG, Y.; DUBÉ, M.A.; MCLEAN, D.D.; KATES, M. Biodiesel production from wastecooking oil: 2. Economic assessment and sensitivity analysis, BioresourceTechnology v. 90, n. 3, p. 229-240, 2003. 43