O documento descreve o processo de produção de biogás através da digestão anaeróbia de resíduos orgânicos e o tratamento subsequente do biogás bruto utilizando processos de permeação gasosa com membranas. O processo de digestão anaeróbia inclui quatro etapas principais (hidrólise, acidogénese, acetanogénese e metanogénese) e o rendimento de biogás depende fortemente do tipo de substrato. O tratamento do biogás por permeação gasosa é essencial para remo

1. Processos de membranas
Produção de biogás
Pedro Serra nº 32513
Mestrado Integrado
Engenharia Química e Bioquímica
Processos de Separação II
2011/2012
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2. Digestão anaeróbia
2
ü Biogás é composto essencialmente por CH4 e CO2
ü A produção do biogás ocorre segundo um processo de digestão anaeróbia de
resíduos orgânicos provenientes da actividade agrícola, da criação de animais, da
actividade industrial e do tratamento de águas.
(1)
(2)
(3) (3)
(4)
1) Hidrólise
2) Acidogénese
3) Acetanogénese
4) Metanogénese
Weiland, P. (2010), Biogas production: current state and
prespectives. Appl Microbiol Biotechnol, 85, 849-860
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O processo de produção de Biogás por digestão anaeróbia pode ser influenciado
pelos seguintes factores:
ü Tempos de retenção em cada fase do processo.
ü Tamanho das partículas de substrato.
ü Produção de enzimas.
ü Efeitos de PH e de temperatura.
Mesmo assim, o rendimento do biogás produzido está fortemente dependente do
tipo substrato de alimentação ao digestor. Para um bom rendimento, o substrato
deve ter as seguintes qualidades:
ü Baixo nível de agentes patogénicos e microrganismos.
ü Bom rácio de C/N.
Digestão anaeróbia
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Diferentes tipos de rendimento consoante o tipo de substrato:
Principais tipos de substratos:
ü Resíduos orgânicos dos aterros.
ü Resíduos do tratamento de efluentes.
ü Resíduos da actividade agrícola e pecuária.
Tipos de substratos
Weiland, P. (2010), Biogas production: current state and
prespectives. Appl Microbiol Biotechnol, 85, 849-860
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Dados relativos a quantidade de resíduos orgânicos da criação de gado:
Tipos de substratos
Holm-Nielsen, J.B.; Al Seadi, T. & Oleskowicz-Popiel P. (2009), The future of
anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource Technology, 100 ,5478-5484
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A existência de grandes quantidades de resíduos orgânicos pode representar um
problema a nível da poluição ambiental. Logo, a utilização dos resíduos orgânicos na
produção de biogás pode permitir uma gestão sustentável dos resíduos.
A produção de biogás permite as
seguintes vantagens a nível ambiental:
ü Produção de energias renováveis.
ü Baixos custos no tratamento e
reciclagem de resíduos.
ü Diminuição da emissão de gases
de estufa.
ü Redução de agentes patogénicos.
ü Melhoria dos processos de
fertilização.
ü Vantagens económicas para a
actividade agrícola.
Questão Ambiental
Holm-Nielsen, J.B.; Al Seadi, T. & Oleskowicz-Popiel P. (2009), The
future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource
Technology, 100 ,5478-5484
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A integração do processo de digestão anaeróbia na gestão de resíduos orgânicos
permite essencialmente a produção de Biógas e de Fertilizantes.
Desta forma, a produção de Biogás pode
ter a seguintes aplicações :
ü Combustão para produção de
calor ou vapor.
ü Produção de electricidade
combinada com produção de calor
(CHP).
ü Utilização como combustível para
veículos ou “fuel cells”.
ü Produção de químicos e/ou
proteínas.
ü Injecção do biogás nas redes de
gás natural para consumo.
Aplicações do Biogás
Holm-Nielsen, J.B.; Al Seadi, T. & Oleskowicz-Popiel P. (2009), The
future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresource
Technology, 100 ,5478-5484
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Esquema industrial de uma instalação de produção de Biogás:
Processos com Membranas
Produção do Biogás
http://www.schmack-biogas.com/wEnglisch/anlagen/animation.php
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A corrente de biogás à saída do reactor do processo de digestão é composto
essencialmente por CH4 e CO2, tendo algumas quantidades em H2O, H2S e TOC’s
(Trace Organic Components). Para determinadas aplicações o Biogás em bruto deve
se melhorado por processo de remoção do CO2, H2S e TOC’s.
Tratamento do Biogás
Makaruk, A.; Miltner, M. & Harasek M. (2010), Membrane
biogas upgrading processes for the production of natural gas
substitute. Separation and Purification Technology, 74 ,83-92
O tratamento do biogás bruto pode ser realizado pelos seguintes processos:
ü Lavagem com aminas ou solventes orgânicos.
ü Adsorção por “Pressure swing adsorption” (PSA)
ü Processo de permeação gasosa com membranas
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O tratamento do biogás bruto é essencial para aplicações onde composição do
biogás necessita de ser mais especifica. Logo, por permeação gasosa a qualidade do
biogás pode melhorar por redução do seu conteúdo em CO2 e H2S.
­ Remoção do CO2 por permeação gasosa
Permeação - Tipos de membranas
Neste processo podem ser utilizadas membranas compostas por polímeros
termoplásticos como o caso das poliamidas ou acetatos de celulose.
ü Polímero de poliamida com grupos de flúor (6FDA-HAB)
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Permeação - Tipos de membranas
­ Remoção do H2S por permeação gasosa
Neste processo podem ser utilizadas membranas compostas por polímeros do
tipo elastómeros como o caso do poliuretano.
ü Polímero designado por poly-(ether urethane urea) (PEUU)
A principal vantagem neste tipo de membranas resulta da sua elevada
permeabilidade para os compostos CO2 e H2S.
Hao, J.; Rice, P.A. & Stern, S.A. (2008), Upgrading low-quality natural gas with H2S- and
CO2- selective polymer membranes. PartII. Process design, economics, and sensitivity study
of membrane stages with recycle streams . Journal of Membrane Science, 320, 108-122
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Permeação - Tipos de membranas
­ Ponto fraco das membranas:
Critério de escolha do tipo de membrana para o processo:
ü Reactividade da membrana com os TOC’s (Trace Organic Components)
Para o CO2 a membrana é escolhida com base:
ü Na maximização da selectividade pelo
tamanho das moléculas.
Para o H2S a membrana é escolhida com base:
ü Na maximização da selectividade pelos
valores de coeficiente de sorção.
Baker R.W. & Lokhandwala K. (2008), Natural Gas
Processing with Membranes: A Overview. Ind. Eng. Chem.
Res., 47,2109-2121
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Permeação - Tipos de membranas
A utilização de membranas para o processo de melhoria da qualidade do biogás
pode apresentar as seguintes desvantagens:
ü Processos de plastificação da membrana.
ü Competição entre os vários compostos na permeação gasosa.
ü “Swelling” e compactação do material da membrana.
Diminuição da concentração do CH4 no Biogás
Os efeitos das desvantagens da utilização de membranas pode ser reduzido
através dos seguintes factores:
ü Pré-tratamento do biogás para remoção dos TOC’s.
ü Utilização de membranas com melhores selectividades e resistência à
plastificação.
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Permeação – Processo Industrial
Existe uma equivalência entre os processos de tratamento por membranas do gás
natural e do biogás. Desta forma, para a remoção de CO2 e de H2S por permeação
gasosa podem existir diferentes configurações do processo consoante o tipo de gás
a ser processado.
­ Principais objectivos no tratamento de gás natural:
ü Maximização dos fluxos de gás tratado.
ü Maximização dos valores de recuperação de metano.
­ Principais objectivos no tratamento de biogás:
ü Obtenção de biogás com composição adequada às suas aplicações.
ü Utilização da corrente de permeado no processo de digestão anaeróbia
como fonte de calor por combustão.
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Permeação – Processo Industrial
Configurações para processos de tratamento de gás natural:
1) Remoção de H2S em duas etapas com reciclo
Utilizado para processar gás
natural com pouca quantidade
e m C O 2 e q u a n t i d a d e s
substanciais de H2S (≤10 mol %).
2) Remoção de CO2 em duas etapas com reciclo
Utilizado para processar gás
natural com pouca quantidade
e m H 2 S e q u a n t i d a d e s
substanciais de CO2 (≤40 mol %).
Hao, J.; Rice, P.A. & Stern, S.A. (2008), Upgrading low-quality natural gas with H2S- and CO2- selective polymer membranes.
PartII. Process design, economics, and sensitivity study of membrane stages with recycle streams . Journal of Membrane Science,
320, 108-122
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Permeação – Processo Industrial
3) Remoção de CO2 e H2S em duas etapas com reciclo
Utilizado para processar gás natural com quantidades substanciais em CO2
(≤40 mol %) e H2S (≤10 mol %).
Como ao nível do gás natural o objectivo é a minimização das perdas em CH4
durante o processo de tratamento do gás, então o mais indicado é utilizar uma
configuração de permeação gasosa com várias etapas e com reciclo de
permeado.
Hao, J.; Rice, P.A. & Stern, S.A. (2008), Upgrading low-quality natural gas with H2S- and
CO2- selective polymer membranes. PartII. Process design, economics, and sensitivity study
of membrane stages with recycle streams . Journal of Membrane Science, 320, 108-122
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Permeação – Processo Industrial
Ao nível da melhoria da qualidade do biogás por diminuição da concentração de
CO2 é possível ter a seguintes configurações industriais da permeação gasosa:
Configuração de duas etapas com reciclo e variação da zona de alimentação
Configuração de duas etapas com reciclo do permeado
Makaruk, A.; Miltner, M. & Harasek M. (2010), Membrane
biogas upgrading processes for the production of natural gas
substitute. Separation and Purification Technology, 74 ,83-92
Makaruk, A.; Miltner, M. & Harasek M. (2010), Membrane
biogas upgrading processes for the production of natural gas
substitute. Separation and Purification Technology, 74 ,83-92
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Permeação – Processo Industrial
Configuração de três etapas com reciclo e variação da zona de alimentação
Em termos industriais, a configuração com duas etapas de permeação e com
reciclo de permeado é considerada a mais vantajosa para a melhoria da qualidade
do biogás por remoção do CO2.
Vantagens:
ü Permite elevadas concentrações de CH4.
ü Baixo custo de implementação e de operação.
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biogas upgrading processes for the production of natural gas
substitute. Separation and Purification Technology, 74 ,83-92
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Permeação – Processo Industrial
Relativamente a outros processos de tratamento do biogás , a permeação gasosa
com membranas podem apresentar as seguintes vantagens:
ü Segurança na operação da unidade industrial.
ü Simplicidade do processo.
ü Fácil manutenção.
ü Sem a utilização de produtos químicos perigosos na operação
ü Facilidade e flexibilidade nos processo de “scale-up” e “scale-down”.
Para a introdução do biogás na rede de consumo de gás natural, o tratamento do
biogás por membranas permite uma redução de custos, pois o biogás à saída da
unidade de permeação gasosa já se encontra pressurizado.
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Permeação – Optimização
O processo de permeação gasosa para a captura do CO2 do biogás, pode ser
optimizado através das seguintes condições de operação:
ü Aumento da selectividade da membrana.
ü Aumento da área da membrana.
ü Utilização de elevados valores de pressão para a corrente de alimentação
do biogás.
Aumento nos custos de operação
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Processos Híbridos
O processo para remoção de CO2 do biogás ou do gás natural pode ser realizado
por um processo híbrido entre a permeação gasosa e adsorção com aminas.
Logo, a escolha deste tipo de processos está dependente das concentrações de
CO2 iniciais e do fluxo de gás na alimentação.
Baker R.W. & Lokhandwala K. (2008), Natural Gas
Processing with Membranes: A Overview. Ind. Eng. Chem.
Res., 47,2109-2121
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