DANILO LIMA DE OLIVEIRA; GABRIEL DE ALMEIDA
SCHEFER; MARLON ALBERTO DE ALMEIDA; ORLANDO
DOS SANTOS GUEDES; PEDRO HENRIQUE TEIXEIRA DOS
SANTOS; RODRIGO MAURICIO; WILLIAN YUKIO
NAKAGAWA
BIODIGESTOR
Telêmaco Borba - PR
2018
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Protótipo Biodigestor, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Química
O objetivo deste protótipo é mostrar uma solução de maneira sustentável, e ecologicamente correta na produção de energia elétrica utilizando um biodigestor, transformando dejetos e matéria orgânica em biogás, para que possa ser usado em um gerador transformando energia mecânica em elétrica. Esclarecendo de uma forma simples e direta o seu funcionamento, através de pesquisa e dados adquiridos de autores renomados buscando conhecimento necessário com objetivo de contribuir para o cenário sócio amb
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2020
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DANILO LIMA DE OLIVEIRA; GABRIEL DE ALMEIDA
SCHEFER; MARLON ALBERTO DE ALMEIDA; ORLANDO
DOS SANTOS GUEDES; PEDRO HENRIQUE TEIXEIRA DOS
SANTOS; RODRIGO MAURICIO; WILLIAN YUKIO
NAKAGAWA
BIODIGESTOR
Telêmaco Borba - PR
DANILO LIMA DE OLIVEIRA; GABRIEL DE ALMEIDA
SCHEFER; MARLON ALBERTO DE ALMEIDA; ORLANDO
DOS SANTOS GUEDES; PEDRO HENRIQUE TEIXEIRA DOS
SANTOS; RODRIGO MAURICIO; WILLIAN YUKIO
NAKAGAWA
BIODIGESTOR
Trabalho apresentado aos Cursos de Engenharias, da Faculdade de Telêmaco Borba, como requisito parcial da avaliação bimestral. Orientador: Prof. Michel de Angelis
Telêmaco Borba – PR
APRESENTAÇÃO DA INSTITUIÇÃO
FATEB http://www.fatebtb.com.br/novosite/ (Faculdade de Telêmaco Borba). Instituição privada de ensino superior, localizada na região dos Campos Gerais do Paraná, Brasil. Situada na Avenida Marechal Floriano Peixoto, 1181, Alto das Oliveiras, Telêmaco Borba - PR. Fundada no final dos anos 90, para suprir as necessidades de mão de obra com formação acadêmica da região. Oficialmente passou a funcionar em dezembro de 2000, já com as inscrições do vestibular para o ano seguinte. No ato de sua instalação contou com três cursos de graduação e hoje estabelecida como uma das principais instituições de ensino superior dos Campos Gerais, conta com dez cursos de graduação, cursos técnicos e pós-graduação. Com parceria firmada junto ao colégio Dom Bosco, oferece formação completa, desde o maternal, ensino fundamental, médio e pré-vestibular. Conta com parceria com grandes empresas da região, como Klabin e Braslumber, oferecendo oportunidades aos seus colaboradores para alcançarem seus objetivos acadêmicos. Sua parceria com programas como ProUni, Fies, CIEE e CredIES disponibiliza bolsas para recém formandos do ensino médio e concorrentes que prestam ENEM. Missão da Instituição “Oferecer qualidade de ensino para a formação humana e profissional, atendendo às necessidades do mercado.” Visão da Instituição “Transformar Telêmaco Borba em um polo de excelência em educação.”
RESUMO
O objetivo deste protótipo é mostrar uma solução de maneira sustentável, e ecologicamente correta na produção de energia elétrica utilizando um biodigestor, transformando dejetos e matéria orgânica em biogás, para que possa ser usado em um gerador transformando energia mecânica em elétrica. Esclarecendo de uma forma simples e direta o seu funcionamento, através de pesquisa e dados adquiridos de autores renomados buscando conhecimento necessário com objetivo de contribuir para o cenário sócio ambiental, produzindo energia renovável e barata e diminuindo impactos ambientais. Palavras-chave: biodigestor; biogás; geração de energia limpa.
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 – Comparação de dejetos ...................................................................... 13 Tabela 02 – Levantamento de preços ..................................................................... 21
1 JUSTIFICATIVA
A média de consumo de energia no Brasil e no mundo vem subindo cada vez mais, aliada a facilidade de acesso, ou seja, baixo custo de novas tecnologias, principalmente produtos eletrônicos, eletrodomésticos e automóveis. Empresas também aplicam métodos cada vez mais produtivos em suas linhas de fabricação, o que demanda um consumo maior de energia. Como descrevem: Prakasan, Filho e Neto. A produção de energia elétrica através da queima de combustíveis fósseis é extremamente poluente. Já as usinas hidrelétricas necessitam de grande concentração de água, desviando rios e destruindo a fauna e flora, além da desapropriação de terrenos, causando impactos sociais. Pensando nisso e buscando um desenvolvimento sustentável de tecnologias renováveis de geração de energia elétrica, as pesquisas por novas fontes energéticas de forma sustentável e com vantagens ambientais, sociais e econômicas vem sendo cada vez mais ascendente. O biodigestor tem como objetivo atender pequenos, e grandes agricultores e pecuaristas, podendo assim ser adotadas pelas cooperativas ou até mesmo particularmente, devido ao seu baixo custo e seu ótimo retorno financeiro, gerando créditos e sua matéria prima para a alimentação e produção de energia existe em abundância, tais como: resíduos agrícolas, florestais, pecuários, domésticos e outros, além de agir de uma maneira correta e sustentável ecologicamente. Atendendo a estes requisitos, foi escolhido o biodigestor, como projeto de protótipo, no qual será estudado e desenvolvido em 2 anos, e assim transformar energia mecânica em elétrica através da queima do biogás.
2 OBJETIVO GERAL
➢Projetar e construir um biodigestor batelada para utilizar o biogás na geração de energia elétrica. 2.1 OBJETIVO ESPECÍFICO ➢Realizar estudo teórico sobre o biodigestor e diferentes tipos de biorreatores; ➢Realizar estudo teórico sobre motores de combustão interna utilizando o biogás; ➢Analisar um dos modelos de biorreatores e motores a combustão que melhor se enquadram no protótipo; ➢Calcular o rendimento de biogás para diferentes dejetos; ➢Construir protótipos de bancada para realização de testes; ➢Analisar os resultados obtidos dos protótipos de bancada. 3 METODOLOGIA Inicialmente foram definidos parâmetros básicos, o modelo do biodigestor, sendo discutidos os prós e os contras tais como leis ambientais, restrições, projeto básico, materiais a ser usado e custo. Em seguida foi estudado o processo químico da biodigestão, o volume diário de materiais orgânicos, o local a ser desenvolvido. O modelo do biodigestor escolhido foi o de batelada, pois o mesmo é mais indicado por apresentar níveis de produção de gás maiores, com o uso menor de material orgânico. O biodigestor será construído com 2 tambores plásticos de 200 litros, 1 tambor de plástico de 100 litros, 1 registro, 5 metros de mangueiras flexíveis 10 metros de fios de cobre para parte elétrica e 1 gerador, seguindo o projeto abaixo.
Seguindo estes parâmetros, porém em escala menor, foi construído um biodigestor de bancada: No tanque de sedimentação, o dejeto será colocado para a uma pré- fermentação para que o resíduo fique na presença do ar, para proliferar as bactérias aeróbias, e colocadas no biodigestor, bem fechado, de maneira que o oxigênio existente seja consumido pelas bactérias aeróbias, desenvolvendo assim as bactérias anaeróbias pela falta de oxigênio e a umidade e produzindo biogás através da reação bioquímica. O biogás produzido será armazenado no segundo tanque que será acoplado um gerador, transformando a energia mecânica em energia elétrica. A produção do biogás e energia estará relacionada a vários fatores como, a quantidade de dejetos produzidos, a composição destes dejetos, o tipo de alimentação dos animais, a temperatura do ambiente e a eficiência do biodigestor. Alguns índices médios são levados em conta, baseados em situações experimentais, para obter-se aproximadamente a produção de biogás e seu potencial comparado com energia elétrica, para diversos animais, como: Tabela 1: Comparação de dejetos Dejetos Dejeto kg/dia Biogás m³/kg GLP kg/dia KWh/di a Esgoto/hab. 1 0,035 0,016 0, Cachorro 0,33 0,035 0,0052 0, Galinha 0,18 0,09 0,0073 0, Caprinos/Ovinos 0,5 0,061 0,017 0, Resíduos vegetais 3 0,04 0,054 0, Suínos 2,5 0,075 0,084 0, Bovinos de corte 10 0,04 0,18 0, Equino 10 0,048 0,216 0, Bovino de leite 10 0,049 0,221 0, Fonte: Adaptado de BGS (2013) e OLIVER et al. (2008) O gás metano é altamente inflamável, podendo ser usado em várias situações, como: ➢Substituto do gás de cozinha no fogão doméstico; ➢Geração de energia elétrica para consumo próprio e o excedente pode ser vendido para concessionárias;
➢Combustível para motores a combustão interna; secadores de grãos ou secadores diversos. 4 INDICADORES ➢Definido o tipo de biodigestor como de batelada; ➢Valor aproximado de custo do projeto final especificado conforme Tabela 2; ➢Construído protótipo de bancada para análise em escala dos resultados; 5 REFERÊNCIAL TEÓRICO O biodigestor é um equipamento capaz de produzir o biogás, onde se deposita material orgânico para sua fermentação num determinado tempo. Este material vai reagir e transformar-se, através de um processo bioquímico, em um produto gasoso e uma massa orgânica (biofertilizantes). Eles podem ser classificados de duas formas:
1. Biodigestor Batelada (Descontínuo) : modelo mais simples, usado para produção de pequenas quantidades de gás. Só é abastecido uma vez com uma grande quantidade de dejetos orgânico, e lacrado de forma que não entre oxigênio, por um período de 40 a 60 dias. Logo após esse período, a produção de biogás começa a cair devido à matéria orgânica já ter sido decomposta. Então, pode ser retirado até 80% do material depositado no biodigestor, deixando o restante para fornecer as bactérias para próxima recarga. O biogás produzido infla, por pressão, o tanque de armazenamento. 2. Biodigestor Contínuo : os modelos mais conhecidos são os chineses e indianos. Construído de forma a serem abastecidos diariamente, onde a entrada de material novo faz com que o material já fermentado seja expulso. Este processo é idêntico ao antecessor no quesito de armazenamento e produção.
torna o processo, tornando a produção de biogás muito pequena; ➢Agitação: A agitação faz com que o biogás ao redor das bactérias seja liberado e permite a formação de novas colônias, porque desmancha as colônias existentes e isoladas e coloca as bactérias com toda a matéria orgânica; ➢Tempo de retenção: É de extrema importância para o processo de biodigestão, pois se há um excesso de carga no biodigestor não há tempo hábil para as bactérias realizarem a degradação da matéria, neste caso a produção do biogás fica deficiente e o biofertilizante produzido é de má qualidade e mau cheiro. O tempo adequado é de 30 a 40 dias para que haja a degradação adequada; ➢Excesso de água: O excesso de água reduz a qualidade dos dejetos e a produção de biogás, a concentração de água a ser usada nos dejetos depende de acordo com o dejeto a ser usado; ➢Concentração de nutrientes: Este item deve ser observado quando se pretende utilizar no biodigestor matérias diferentes da prática comum (dejetos de animais), como por exemplo, frutas, restos de alimentos. As bactérias precisam de carbono, nitrogênio, fosforo e potássio, encontrados em abundância nos dejetos. 5.1 HIDRÓLISE Com a biodigestão anaeróbica as bactérias hidrolíticas produzem enzimas extracelulares que destrói os carboidratos, as proteínas, os lipídeos e vários outros compostos orgânicos como açúcares, aminoácidos, peptídeos, glicerina e ácidos graxos no quais são levados para as células das bactérias e metabolizados. As bactérias hidroliticas podem se dividir em três grupo: 1º Grupo Produtora de lipase : clostridium, e staphylococcus que destrói os lipídeos e ácidos; 2º Grupo Produtoras de proteases : Bacteroides, Clostridium, Butyrivibrio, Lactobacillus, Fusobacterium, Selenomonas, Streptococcus, Proteus, Peptococcus e Bacillus que destrói as proteínas e os aminoácidos; 3º Grupo Produtoras de amilases : Clostridium, Staphylococcus, Eubacterium e Acetivibrio que destrói os polissacarídeos e os acucares menores.
Vários fatores podem influenciar a hidrólise, tais como a composição e a temperatura do substrato, o tamanho das partículas, a concentração de amônio e a concentração de produtos (ácidos orgânicos voláteis). As bactérias hidrolíticas consomem uma grande quantidade de hidrogênio no processo de hidrogenação contribuindo com a formação de ambiente anaeróbico. 5.2 ACIDOGÊNESE Na acidogênese os produtos hidrolisados são metabolizados no interior das bactérias em etanol, acetona, aldeídos, hidrogênio, dióxido de carbono e principalmente ácidos orgânicos que é o ácido acético, propanóico, ácido butanóico, ácido láctico, formando assim novas células bacterianas. Outro fator determinante para o que será gerados durante a acidogênese é a pressão parcial do hidrogênio, quanto maior, menor a quantidade de ácido acético e ácidos orgânicos de cadeia longa. (SCHERER 1995). Apesar da quantidade e tipos de bactérias que realizam a acidogênese serem muito grande, podemos citar os principais grupos presentes na biodigestão: Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butiribacterium, Propionibacterium, Eubacterium, Lactobacilllus, Streptococcus, Pseudomonas, Desilfobacter, Micrococcus, Bacillus e Escherichia. (B. Machado 2016). 5.3 ACETOGÊNESE Nesta fase para que se tenha o equilíbrio do processo, a concentração de hidrogênio tem que ser controlada. Com a alta concentração de hidrogênio as bactérias acetogênicas não conseguem converter os ácidos orgânicos gerados na fase de acidogênese por não oferecer condições ambientes, e o acúmulo maior de ácidos orgânicos inibe a ação das bactérias metanogênicas comprometendo a geração do biogás.
8 CURIOSIDADES DA METANOGÊNESE
Diferente do que acontece na acetogênese, na metanogênese ocorre uma grande quantidade de reações exotérmicas. A geração de metano através de hidrogênio e CO2 libera mais energia que a reação através de acetato. As archeas metanogênicas acetoclásticas liberam menos energia que as hidrogenotróficas, mesmo assim, estas processam CO2 para a produção de metano, ajudando na redução da quantidade final de gás carbônico do biogás gerado. Através dessa característica, tecnologias mais modernas são exploradas para gerar biogás com uma percentagem maior de metano. A formação de acetato se dá através da desidrogenação acetogênica de produtos formados das fases de hidrólise e fermentação. Ocorre também do processo inverso, da hidrogenação acetogênica através de hidrogênio e CO resultante do processo de fermentação. (B. Machado 2016) 9 SULFATOGÊNESE A fase da sulfatogênese na biodigestão anaeróbia acontece em paralelo a produção de sulfeto de hidrogênio. Outro grupo microbiano existente nos ambientes anaeróbios é o das bactérias redutoras de sulfato ou sulforedutoras. Estas transformam o metabolismo dissimilatório, reduzindo o íon sulfato (aceptor final de elétrons). As bactérias sulforedutoras são anaeróbias e além do sulfato, fazem a redução de sulfito e outros compostos sulfurado. 10 FILTRAGEM E PURIFICAÇÃO DO BIOGÁS A biodigestão de matéria orgânica, através da ausência de oxigênio, forma o gás metano, ótimo combustível para utilização em aquecedores, consumo residencial ou ainda geração de energia elétrica, porém, na geração do gás também é formado o sulfeto de hidrogênio (H2S) altamente corrosivo que acaba diminuindo o poder calorifico do metano. Para impedir que este gás agrida as peças e os
equipamentos são necessários a realização de um processo de remoção do H2S, aumentando consideravelmente a vida útil deles. Para o processo de purificação pode ser utilizado dois métodos simples, um sólido e outro líquido. No primeiro caso o sulfeto de hidrogênio vai reagir quimicamente com um material ferroso, de fácil aquisição no mercado. No segundo caso, geralmente a remoção é feita através da lavagem do gás em um meio alcalino. Remoção por meio Sólido : facilmente encontrado, a palha de aço é utilizada como meio filtrante, que deve ser acondicionada em um recipiente por onde deve passar o gás metano. Este processo é altamente corrosivo, sendo assim a vida útil do material filtrante está relacionado com a vazão e concentração de H2S no biogás, tendo que ser trocado em períodos para garantir um gás metano com poder calorífico desejável. Remoção por meio Líquido : a lavagem do gás se dá através do uso de água em um recipiente, onde a tubulação de entrada está imersa na água, forçando o gás a reagir com ela. A filtragem é comprovada pelo borbulhamento da água onde o CO2 e o H2S são retirados, aproveitando-se o fato de que eles são mais solúveis em água que o metano.