tec_bio_aula_6_biogas

Prévia do material em texto

Tecnologia de Biocombustíveis
Biogás
Ana Cláudia Freitas Margarites
Faculdade de Engenharia e Arquitetura
Engenharia Química
BiogásGás Natural Syngas
Gás Natural
Gás de de origem fóssil, mistura de hidrocarbonetos leves entre 
os quais se destaca o metano (CH4) 
Procedente da decomposição da matéria orgânica espalhada 
entre os extratos rochosos (alta pressão e tempearuta). 
Syngas – Gás de Síntese
Na gaseificação ocorre a conversão da matéria-prima sólida 
ou líquida em gás por meio de oxidação parcial, sob a 
aplicação de calor.
Biogás
É uma mistura gasosa composta principalmente de 
metano (CH4 ) e gás carbônico (CO2), derivada da 
atividade biológica durante a decomposição anaeróbia 
da matéria orgânica.
Composto por 60% de metano, 35%
de dióxido de carbono e 5% de uma
mistura de hidrogênio, nitrogênio,
amônia, ácido sulfídrico, monóxido de
carbono, aminas e oxigênio, mas
dependendo das condições da matéria
orgânica, pressão e temperatura durante
a fermentação, o biogás pode conter de
40% a 80% de metano.
Ciclo do Biogás
Faixa de composição de várias misturas gasosas combustíveis
Biogás
Características de vários gases quanto ao PCI (Poder Calorífico Inferior) - quantidade 
de energia por unidade de massa (ou de volume, no caso dos gases) liberada na 
oxidação de um determinado combustível..
Biogás apresenta uma composição significativa de CO2
que, pela presença do seu carbono oxidado, diminui o 
poder calorífico do gás. 
Biogás
Biogás
Tratamento de resíduos
Biogás - Histórico
O biogás sempre se formou a partir da decomposição
anaeróbia da matéria orgânica. Desde os primórdios,
isso vem acontecendo pela quebra da matéria orgânica
em ambientes anóxicos no fundo do mar. Entretanto,
demorou até o final do século XIX e início do século XX
para que se começasse a explorar a técnica de como
utilizar o gás produzido a partir do processo de digestão
anaeróbia (sem oxigênio).
A China e a Índia foram os primeiros países a produzir 
biogás e a utilizá-lo como fonte de energia. A matéria-
prima era oriunda de restos de comidas e dejetos em geral, 
sendo o biogás produzido utilizado para iluminação e 
cocção. 
Biogás - Histórico
Inicialmente, o objetivo era reduzir a quantidade de matéria 
orgânica de esgoto, e não utilizar o biogás gerado. A crise do 
petróleo nos anos 70 fez com que o preço da energia subisse. 
Com isso, surgiu a necessidade de aproveitar o biogás produzido 
– otimização do processo de digestão anaeróbica da matéria 
orgânica. 
Em 1990 muitos projetos de biogás foram sendo construídos 
na China e na Índia, alimentados por resíduos de indústrias de 
alimentos, frigoríficos, restaurantes, entre outros.
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
1-4 Diferentes fontes de matéria-prima 
(biomassa) são acumuladas em tanques, 
passando por processos de lavagem e 
pré-tratamento.
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
5-6 A biomassa passa por filtros para 
redução de possíveis odores e para 
sanitização.
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
7 A biomassa é então encaminhada para 
o sistema de digestores.
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
8 Biogás é acumulado
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
9 O gás obtido é 
então purificado
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
11 O biogás gerado 
pode ser distribuído 
e utilizado de 
diferentes formas
Processo industrial de produção do biogás
Biogás – Processo
12-13 O biofertilizante
(acumulado no biodigestor) é 
comumente estocado ou ainda 
tratado
Biogás
Biogás – Matérias-primas
Biogás – Matérias-primas
Classificação dos tipos de resíduos para geração de biogás
Biogás – Matérias-primas
Produção de biogás por tipo de biomassa
Potenciais para a produção de biogás e bioeletricidade a partir da 
biodigestão de diversos tipos de resíduos no Brasil
Biogás – Matérias-primas
A composição do substrato é muito importante para os 
microrganismos do processo e, portanto, também para a 
estabilidade e a produção de gás. O substrato deve 
atender às necessidades nutricionais dos 
microrganismos.
Biogás – Matérias-primas
Relação carbono: nitrogênio (C:N)
Relação carbono: nitrogênio (C:N)
Biogás – Matérias-primas
Varia entre 20-30:1 no início do 
tratamento e entre 10-13:1 ao fim do 
tratamento. 
Entre 7% e 10% de sólidos totais (ST). 
Diluição do Substrato
Biogás – Codigestão
Codigestão de diferentes materiais apresenta melhor 
resultado, pois gera maior quantidade de biogás do que se for 
adicionado ao biodigestor apenas um tipo de substrato. 
Quando os substratos são misturados, tem maior chance 
de conter todos os componentes que são importantes para 
o crescimento microbiano. A mistura pode, por exemplo, 
proporcionar melhor relação C:N. 
Razões pelas quais algumas matérias-primas não sejam ideais 
para a produção de biogás são: 
(a)elas não podem ser digeridas por microrganismos, 
(b)a digestão por microrganismos é muito difícil de alcançar, 
(c)a digestão pode ser alcançada, mas de forma muito lenta 
(d) a presença de inibidores na matéria-prima ou a produção 
de compostos inibitórios durante a degradação microbiana. 
Biogás – Matérias-primas 
Pré-tratamentos
O objetivo do pré-tratamento é facilitar o processo 
de digestão, removendo essas barreiras e tornando 
o conteúdo orgânico do substrato facilmente 
acessível e utilizável pela comunidade microbiana. 
Biogás – Matérias-primas 
Pré-tratamentos
Físicos
- Aumento da área de superfície e tamanho dos poros, o 
rompimento da estrutura da biomassa e a diminuição da 
cristalinidade
- Redução mecânica do tamanho ou cominuição mecânica 
ou moagem, irradiação com micro-ondas ou ultrassom, 
extrusão, pirólise, congelamento e explosão de vapor
Químicos - Biomassas lignocelulósicas
- Ácido e básico
Biológicos - Ação de fungos, de consórcio microbiano e
pré-tratamento enzimático
Digestão anaeróbica
Processo de decomposição anaeróbia 
da matéria orgânica,sendo observado 
nos mais diferentes ambientes sob 
anaerobiose, tais como pântanos, 
sedimentos em ambientes aquáticos, 
aterros e reatores específicos. 
Atuação conjunta ou 
sinérgica de várias 
populações microbianas
- Bactérias hidrolíticas e 
fermentativas (Grupo I); 
- Bactérias acetogênicas produtoras 
de hidrogênio (Grupo II); 
- Arqueias metanogênicas (Grupo 
III).
Detalhamento das principais fases ou etapas do processo de digestão 
anaeróbia, evidenciando os processos de metanogênese e sulfetogênese. 
MRS: Microrganismos Redutores do Sulfato; AGV: Ácidos Graxos Livres.
Digestão anaeróbica
Digestão anaeróbica
Hidrólise
É a primeira fase no processo de degradação anaeróbia. Consiste na
quebra de moléculas orgânicas complexas (polímeros) em
moléculas mais simples ou menores, sendo caracterizado pela
atuação das exoenzimas secretadas pelas bactérias fermentativas
hidrolíticas.
- Proteínas à Aminoácidos livres 
- Lipídeos (Triglicerídeos) à Ácidos graxos Livres (AGL ou 
AGV) 
- Carboidratos de cadeia longa à Mono e dissacarídeos
Digestão anaeróbica
Acidogênese
Produtos da fase hidrolítica dissolvidos no meio reacional são 
fermentados por bactérias fermentativas que convertem estes 
intermediários a ácidos orgânicos livres, álcoois, ácido lático, 
gás carbônico, hidrogênio, amônia e sulfato, além de novas 
células bacterianas.
Digestão anaeróbica
Acetogênese – Oxidação 
Anaeróbica
Oxidação dos produtos gerados na fase
acidogênica gerando o substrato apropriado
para os microrganismos metanogênicos.
Os produtos gerados pelas acetogênicas são:
acetato, H2 e CO2.
Digestão anaeróbica
Metanogênese
Etapa final do processo de degradação
anaeróbia de compostos orgânicos em metano e
dióxido de carbono, sendo realizado através de
um consorcio de microrganismos
metanogênicos.
arqueias hidrogenotróficas
arqueiasacetoclásticas,
Digestão anaeróbica
Digestão anaeróbica
Digestão anaeróbica
Fatores físico-químicos e operacionais na digestão 
anaeróbia
Temperatura
- Influencia no metabolismo bacteriano, na atividade 
enzimática, nos equilíbrios químicos em meio líquido e 
na solubilidade de substratos, principalmente lipídios. 
- T na Metanogênse (35 °C) é diferente da ótima para a 
hidrólise e acidogênese (30 °C). 35 °C tem conduzido 
aos melhores resultados 
pH
Hidrólise e acidogênese entre 5,5 e 6,5. 
Metanogênese entre 6,8 e 7,5 , sendo reduzida em 
valores de pH abaixo de 6,6
pH na faixa de 6,8 a 7,5 favorece todo o processo
Agitação Misturadores mecânicos e bombas
Purificação do Biogás
Remoção de sulfeto de hidrogênio e dióxido de carbono, a 
partir da dissolução dos gases H2S e CO2 por meio de 
lavagem com água pressurizada.
É realizada por métodos físico-químicos como absorção 
física ou química, adsorção em superfícies sólidas, 
separação por membranas, separação criogênica e 
conversão química 
A separação gasosa por absorção em água fundamenta-se na 
diferença de solubilidade. CO2 e H2S são mais solúveis em água 
que o gás metano
Purificação do Biogás
A separação gasosa por absorção em água fundamenta-se na 
diferença de solubilidade. CO2 e H2S são mais solúveis em água 
que o gás metano
Purificação do Biogás
Biogás é pressurizado e 
alimentado na parte de 
baixo de uma coluna de 
água, também pressurizada, 
alimentada por cima, o 
processo de absorção 
ocorre em contra corrente
A separação gasosa por absorção em água fundamenta-se na 
diferença de solubilidade. CO2 e H2S são mais solúveis em água 
que o gás metano
Purificação do Biogás
O gás que sai do processo é 
rico em CH4, enquanto a 
água que absorveu gases é 
rica em CO2.
Purificação do Biogás
Água saturada de dióxido
de carbono é comprimida
em uma coluna similar a
primeira e ar atmosférico é
injetado em contra
corrente, removendo o
dióxido de carbono da água
e possibilitando o
reaproveitamento da
mesma.
Sistema de purificação de biogás
Purificação do Biogás
Sistema de purificação de biogás por membranas
Purificação do Biogás
Capacidade seletiva que alguns materiais têm de deixar 
passar através deles componentes dos gases a serem 
filtrados e reterem outros componentes.
CO2 permeia a membrana e metano é retido
Representação dos usos possíveis para o biogás
Biogás
Usina no Ceará
Maior Usina no Brasil
Usina GNR – Gás Natural renovável – Cegás
Inaugurada em Abril de 2018.
Parte do portfólio da Marquise Ambiental, em parceria com a Ecometano – é 
autorizada pela Agência Nacional de Petróleo (ANP).
Produz biometado a partir dos resíduos sólidos urbanos do Aterro 
Sanitário Municipal Oeste de Caucaia.
Companhia Riograndense de 
Valorização de Resíduos (CRVR)
Biotérmica Energia. Localizada no aterro 
sanitário de Minas do Leão/RS
Companhia Riograndense de 
Valorização de Resíduos (CRVR)
Unidade de Victor Graeff-RS