FUNDAMENTOS DE BIOENERGIA - AULA 2

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AULA 2 
FUNDAMENTOS DE 
BIOENERGIA 
Profª Maria de Fátima dos Santos Ribeiro 
 
 
02 
 
CONVERSA INICIAL 
O objetivo desta aula é fornecer ao aluno uma visão geral das possibilidades 
de obtenção de energia utilizando a biomassa. A partir das moléculas energéticas 
estudadas na aula 1, vamos fazer um apanhado geral de matérias-primas, 
processos e produtos energéticos resultantes. 
CONTEXTUALIZANDO 
Conforme vimos na aula 1, os processos metabólicos de síntese que 
ocorrem nas plantas vão originar diferentes moléculas, como sacarose, amido, 
celulose, hemicelulose, lignina e ácidos graxos. A partir dessas moléculas, 
teremos produtos energéticos com diferentes características e possibilidades de 
uso. Quais são esses produtos e quais são os processos utilizados para converter 
a energia química contida nas moléculas em energia térmica, mecânica e elétrica? 
TEMA 1 – VISÃO GERAL DOS TIPOS DE BIOMASSA, MATÉRIAS-PRIMAS E 
PRODUTOS ENERGÉTICOS 
De acordo com o tipo de molécula energética, a biomassa pode ser 
classificada em: biomassa rica em óleos e gorduras, biomassa rica em sacarose 
e amido, biomassa lignocelulósica e biomassa residual. A Tabela 1 apresenta uma 
síntese dessa classificação, com os seus respectivos processos de conversão de 
energia e os produtos energéticos resultantes. 
 Cada espécie vegetal possui características específicas quanto às formas 
de utilização dos produtos intermediários gerados na fotossíntese. Diz-se que tais 
produtos são intermediários porque eles ainda serão convertidos em outras 
moléculas para atender diferentes necessidades das plantas. Assim, a planta vai 
produzir sacarose e amido ou óleo para armazenar energia em diferentes 
estruturas, como os colmos, no caso da cana-de-açúcar, ou os grãos, no caso do 
milho e da soja, que vão armazenar amido e óleo, respectivamente. Já a biomassa 
lignocelulósica tem uma função estrutural na planta. A biomassa residual, por sua 
vez, representa todo material orgânico resultante de atividades econômicas ou 
urbanas que pode ser aproveitado para a geração de energia. 
 
 
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Tabela 1 – Matérias-primas e produtos energéticos gerados para cada classe de 
biomassa 
 
TEMA 2 – BIOMASSA RICA EM ÓLEOS E GORDURAS 
Essa classe é constituída por óleos e gorduras vegetais, óleos e gorduras 
animais e os óleos produzidos pelas algas. 
Do ponto de vista químico, os óleos e gorduras vegetais são compostos 
orgânicos constituídos por unidades estruturais denominadas de triacilglicerídeos. 
São componentes majoritários resultantes da combinação de uma unidade de 
glicerol e três unidades de ácidos graxos (Ribeiro; Costa, 2015). A Figura 1 mostra 
a estrutura do triacilglicerídeo. 
As moléculas de ácidos graxos podem apresentar diferentes 
características, de acordo com o número de carbonos e o tipo de ligação entre os 
átomos de carbono. O tipo de ligação (saturada ou insaturada) vai conferir 
diferentes características ao óleo, tornando-o mais ou menos apto para ser usado 
como matéria-prima. 
 
Matéria-prima Produto energético
Biomassa residual Óleo de fritura Biodiesel e bioquerosene
Resíduos de abate Biodiesel e biogás
Resíduos agrícolas e industriais Biogás, licor negro, briquetes, 
pellets
Biomassa rica em óleos 
e gorduras
Óleos e gorduras vegetais e animais Biodiesel e bioquerosene
Biomassa rica em açúcar 
e amido
Cana-de-açúcar
Mandioca
Milho
Etanol de primeira geração (1G)
Biomassa lignocelulósica Biomassa florestal
Casca de arroz
Capim-elefante
Bagaço de cana
Lenha
Carvão
Bio-óleo
Gás de síntese
Briquetes
Pellets
Etanol celulósico (2G)
Resíduos da indústria de celulose Licor negro
 
 
04 
Figura 1 – Estruturas do glicerol, de um ácido graxo e de um triacilglicerídeo 
 
Fonte: Ribeiro; Costa, 2015. 
Os principais produtos energéticos provenientes dos óleos e das gorduras 
são o biodiesel e o bioquerosene. 
O biodiesel é definido pela Agência Nacional de Petróleo (ANP) como “um 
combustível renovável obtido a partir de um processo químico denominado 
transesterificação”. Por meio desse processo, os triglicerídeos presentes nos 
óleos e na gordura animal reagem com um álcool primário, metanol ou etanol, 
gerando dois produtos: o éster e a glicerina. O primeiro somente pode ser 
comercializado como biodiesel após passar por processos de purificação para 
adequação à especificação da qualidade, sendo destinado principalmente à 
aplicação em motores de ignição por compressão (ciclo diesel).1 
A produção de uso de biodiesel no Brasil deve-se ao Programa Nacional 
de Biodiesel, o qual instituiu um marco regulatório que definiu um aumento 
gradativo do percentual de biodiesel na mistura com o diesel de petróleo, iniciando 
com 2% até chegar aos 8% desde 1º de março de 20172. 
O biodiesel é utilizado em motores de combustão interna do ciclo diesel 
sem que haja necessidade de adaptação dos motores. Isso é possível devido ao 
processo de transesterificação, que confere ao biodiesel características físico-
químicas muito próximas às do óleo diesel. 
Como pode ser observado pela Figura 1, o óleo e a gordura denominados 
quimicamente como triacilglicerídeo são constituídos por uma molécula de ácido 
graxo e três moléculas de glicerol. A transesterificação, processo mais utilizado 
no Brasil, consiste em separar a molécula de ácido graxo da molécula de glicerol, 
resultando no éster metílico (biodiesel, produto principal) e no glicerol (coproduto). 
 
1 http://www.anp.gov.br/wwwanp/biocombustiveis/biodiesel 
2 http://www.brasil.gov.br/economia-e-emprego/2017/03/percentual-obrigatorio-de-biodiesel-no-oleo-
diesel-passa-para-8% 
 
 
05 
O biodiesel pode ser obtido a partir de qualquer matéria graxa. Como 
exemplos de matérias-primas de origem vegetal, temos os óleos de soja (a 
matéria-prima mais utilizada no Brasil) e o óleo de canola (a matéria-prima mais 
utilizada na Europa). As algas também são cultivadas com o objetivo de extração 
de óleo, pois esses organismos possuem uma altíssima eficiência fotossintética 
e, dessa forma, são capazes de gerar uma grande quantidade de óleo por unidade 
de área. Como matéria-prima animal, temos o sebo de bovinos e o óleo de frango. 
Também é possível utilizar os óleos residuais de fritura para a produção de 
biodiesel, desde que passem por um pré-tratamento para se tornarem adequados 
ao processo de transesterificação. 
Por apresentar diferentes moléculas de ácidos graxos e diferentes 
características físico-químicas, cada tipo de óleo ou gordura vai originar biodieseis 
mais ou menos adequados para o uso em motores de combustão interna. 
Mais recentemente, têm sido desenvolvidas tecnologias para a produção 
de bioquerosene para uso em aviação. O bioquerosene também é produzido a 
partir de óleos e gorduras vegetais, porém também pode ser obtido a partir de 
moléculas de açúcar. 
Quando óleos e gorduras são utilizados como matéria-prima, o 
bioquerosene é obtido a partir da transesterificação e uma etapa posterior de 
purificação, que vai conferir ao combustível características semelhantes às do 
querosene fóssil (Bonassa et al., 2014). 
TEMA 3 – BIOMASSA RICA EM SACAROSE E AMIDO 
 Do ponto de vista de geração de energia, as matérias-primas 
representativas da biomassa rica em sacarose e amido são a cana-de-açúcar e o 
milho, respectivamente. No entanto, a mandioca também é empregada como 
matéria-prima para produção de energia em alguns empreendimentos no Brasil. 
O produto energético gerado a partir desse tipo de biomassa é o etanol de 
primeira geração (etanol 1G). O processo-chave que converte a matéria-prima 
em álcool é a fermentação alcoólica, desempenhada por leveduras (fungos 
unicelulares) da espécie Saccharomyces cerevisae. 
Segundo a Renewable Fuels Association, em 2015, o Brasil produziu 26,8 
bilhões de litros, enquanto os Estados Unidos produziram 56,06 bilhões de litros. 
Nos Estados Unidos,o milho é a matéria-prima para a produção de etanol. No 
 
 
06 
Brasil, que historicamente teve a produção de etanol a partir da cana-de-açúcar, 
nos últimos anos tem aumentado a produção de etanol a partir do milho. 
Pelo fato de o milho e a cana-de-açúcar armazenarem a energia de formas 
diferentes e em moléculas diferentes, os processos de produção de etanol 
possuem algumas diferenças também. A cana-de-açúcar armazena a molécula 
de sacarose em seus colmos, enquanto o milho armazena moléculas de amido 
em seus grãos. 
A Figura 2 apresenta as rotas tecnológicas da produção de etanol a partir 
da cana-de-açúcar e do milho. De uma forma resumida, a produção de etanol a 
partir da cana-de-açúcar envolve os seguintes processos: a) limpeza dos colmos; 
b) extração do caldo; c) fermentação do caldo por meio de leveduras; d) destilação 
do mosto (ou vinho) oriundo da fermentação, resultando no etanol. 
No caso do etanol de milho, o processo de produção inicia-se com a 
separação, a limpeza e a moagem do grão. A seguir, o amido dos grãos passa 
por um processo de conversão para açúcares mais simples, por meio de um 
processo enzimático a altas temperaturas. A seguir, os açúcares vão passar pela 
fermentação por leveduras, sendo o vinho resultante destilado para a produção 
de etanol (BNDES; CGEE, 2008). 
Figura 2 – Rotas tecnológicas para a produção de etanol de primeira geração a 
partir da cana-de-açúcar e do milho 
 
Fonte: BNDES; GEE, 2008. 
 
 
 
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TEMA 4 – BIOMASSA LIGNOCELULÓSICA 
A biomassa lignocelulósica compreende todas as matérias-primas que 
possuem celulose, hemicelulose e lignina em sua estrutura: espécies florestais, 
biomassa, bagaço de cana resultante da extração do caldo para a obtenção de 
açúcar, casca de arroz e resíduos de colheita de outras culturas. 
Os principais processos de obtenção de energia a partir da biomassa 
lignocelulósica são: 
4.1 Combustão direta 
 A combustão direta consiste na transformação da energia química dos 
combustíveis em calor por meio das reações dos elementos constituintes com o 
oxigênio fornecido. É um processo utilizado em fogões para a cocção de alimentos 
e em fornos na metalurgia e caldeiras para a geração de vapor (Brasil, 2007). 
 Segundo Rendeiro e Nogueira (2008), o processo de combustão ocorre de 
acordo com as seguintes etapas: a) aquecimento e secagem, quando a água 
contida no material é evaporada; b) pirólise (ou volatilização), quando ocorre a 
liberação dos gases inflamáveis do material. Os gases liberados nessa fase, 
quando misturados com o oxigênio do ar em proporções adequadas, tornam-se 
uma mistura inflamável; c. combustão: os gases formados no processo de pirólise 
reagem com o oxigênio, numa reação exotérmica tendo como produtos CO2 + 
H2O+calor. O fogo normalmente é visível nessa fase; d. pós-combustão: a 
biomassa torna-se uma massa composta por carvão e cinzas. 
 No setor sucroenergético, após a extração do caldo, a combustão é 
utilizada na geração de vapor de processo em caldeiras, para movimentar turbinas 
que vão acionar moendas e outros equipamentos. Essa utilização do bagaço de 
cana como resíduo faz com que as usinas sejam autossuficientes em energia e, 
dependendo da tecnologia utilizada nas caldeiras quanto a temperatura e pressão 
de vapor, ainda sejam capazes de exportar energia para a rede. Essa tecnologia 
é denominada ciclo a vapor (Figura 3) e é constituída pelos seguintes 
equipamentos: gerador de vapor (caldeira), superaquecedor, turbina ou máquina 
a vapor, condensador, pré-aquecedores de água e bombas de alimentação de 
água da caldeira (Rendeiro; Nogueira, 2008). 
 
 
 
08 
Figura 3 – Esquema de um ciclo a vapor 
 
Fonte: Rendeiro; Nogueira, 2008. 
4.2 Pirólise 
 Pirólise é o processo em que muito pouco ou nenhum oxigênio é fornecido 
para a combustão da carga combustível. Através do seu aquecimento, a 
temperaturas relativamente baixas (500 oC a 1000 oC), ocorre a degradação 
térmica do combustível, resultando em produtos como carvão vegetal, líquidos 
(óleo pirolítico) e gasosos (gás pirolítico) (Brasil, 2007). 
 O processo mais conhecido de pirólise é a carbonização, cujo objetivo é 
aumentar o teor de carbono na madeira por meio de um tratamento térmico. Há 
uma perda seletiva de oxigênio e hidrogênio, com a consequente concentração 
de carbono (Oliveira et al, 1982, citado por Benites et al., 2009) 
 Durante o processo de carbonização da madeira, o carvão é apenas um 
dos produtos resultantes, sendo possível também a obtenção do alcatrão 
pirolenhoso e dos gases não condensáveis (Figura 3). 
 O carvão vegetal é largamente utilizado pela indústria siderúrgica brasileira 
para a obtenção do ferro-gusa. Um estudo realizado pelo CGEE (2014) mostra 
que, nas últimas três décadas, esse setor consumiu em torno de 7 milhões de 
 
 
09 
toneladas anuais, para uma média de 9,5 milhões de toneladas de ferro gusa 
produzido, com uma projeção de 14,8 milhões de toneladas em 2020. 
Figura 3 – Esquema de produção de carvão vegetal, alcatrão pirolenhoso e gases 
não voláteis a partir do processo de carbonização 
 
Fonte: Benites et al, 2009. 
4.3 Gaseificação 
 A gaseificação consiste em um processo de transformação de um 
combustível sólido em um gás, também em condições de fornecimento de 
oxigênio abaixo da estequiométrica e em altas temperaturas. O principal produto 
gerado é o gás de síntese ou syngas. 
 No reator de gaseificação, ocorrem basicamente quatro reações: 1. 
secagem; 2. pirólise; 3. combustão e 4. redução (Eichler et al., 2015). Ou seja, no 
gaseificador, ocorrem reações posteriores aos processos de conversão térmica 
da biomassa descritos anteriormente. 
 
 
010 
 Rocha et al. (2004) consideram a gaseificação, a pirólise e a carbonização 
como variações do mesmo processo, sendo que a gaseificação ocorre em altas 
temperaturas (900 ºC). 
 
 
 
 
011 
4.4 Hidrólise seguida de fermentação 
 Essa rota tecnológica é utilizada para a fabricação de etanol de segunda 
geração (2G) a partir de material lignocelulósico, por exemplo o bagaço resultante 
da extração do caldo da cana-de-açúcar para a produção de etanol de primeira 
geração (1G). 
 Conforme foi discutido na aula 1, os materiais lignocelulósico são 
constituídos por moléculas de celulose, hemicelulose e lignina. A celulose e a 
hemicelulose são recobertas pela macromolécula de lignina, formando a 
microfibrila celulósica. Devido à sua interação intermolecular e completa ausência 
de água na estrutura da microfibrila, a celulose apresenta estrutura bastante 
recalcitrante, difícil de ser desestruturada para que possa ser posteriormente 
convertida em sacarídeos fermentescíveis (Fengel; Vegner, 1989, citados por 
Santos et al., 2012). De acordo com Pitarello (2012), as etapas do processo de 
produção de etanol celulósico são as seguintes: 
a. Pré-tratamento: tem como objetivo alterar ou remover barreiras estruturais 
e tornar a biomassa lignocelulósica mais suscetível à sua conversão em 
acúcares livres. Nessa etapa, utilizam-se processos físicos, químicos, 
biológicos ou uma combinação destes. Os métodos físicos procuram 
reduzir o tamanho das partículas por meio de moagem; os métodos 
biológicos geralmente utilizam fungos que produzirão enzimas que vão 
solubilizar a lignina; os métodos químicos incluem o uso de água quente, 
água quente e oxigênio (pré-tratamento alcalino oxidativo), líquidos iônicos, 
materiais alcalinos, explosão a vapor e outros. 
b. Hidrólise enzimática ou sacarificação: conforme foi visto na aula 1, as 
moléculas de celulose são compostas por moléculas de monossacarídeos 
unidas por ligações glicosídicas. Essa etapa consiste em promover a 
hidrólise dessa ligação glicosídica, por meio da ação da enzima celulase, 
produzida por fungos celulolíticos. 
c. Fermentação alcoólica: esse processo é realizado pela levedura 
Saccharomyces cerevisae, que vai converter as moléculasde glicose em 
etanol e gás carbônico, da mesma forma que ocorre na produção de etanol 
de primeira geração. Por outro lado, essa espécie de levedura é incapaz 
de assimilar a xilose (monossacarídeo com 5 carbonos), principal 
constituinte da fração hemicelulósica da biomassa. 
 
 
012 
A Figura 4 apresenta um esquema dessas etapas. 
Figura 4 – Etapas de obtenção do etanol celulósico 
 
Fonte: Santos et al. (2012). 
TEMA 5 – BIOMASSA RESIDUAL 
 Esse tipo de biomassa compreende os resíduos gerados em atividades 
agropecuárias, florestais, industriais e urbanas. O aproveitamento energético da 
biomassa residual é de extrema relevância porque, além de contribuir para a 
matriz energética, contribui também para a mitigação dos impactos ambientais 
das atividades econômicas. 
 
 
013 
 As atividades agrícolas, madeireiras, florestais, de limpeza urbana e de 
produção de carvão geram grandes quantidades de resíduos que podem ser 
aproveitados na forma de briquetes e pellets, produzidos por meio de processos 
de densificação da biomassa. Segundo Dias et al. (2012), esses dois processos 
consistem na compactação desses resíduos, de modo a obter produtos com maior 
densidade (em kg/m3) e densidade energética (em kcal/m3), superiores às dos 
resíduos originais. 
Os briquetes e pellets são utilizados na geração de energia na forma de 
calor ou eletricidade. Podem ser produzidos a partir de qualquer resíduo vegetal, 
como serragem e restos de serraria, casca de arroz, sabugo e palha de milho, 
palha e bagaço de cana-de-açúcar, casca de algodão, casca de café, feno ou 
excesso de gramíneas forrageiras, cascas de frutas, cascas e caroços de 
palmáceas, folhas e troncos das podas de árvores, finos de carvão etc. Grande 
parte dos briquetes produzidos atualmente no Brasil é proveniente de resíduos de 
madeira como cavacos, tocos, maravalhas, serragem e outros (Dias et al., 2012). 
 A Figura 5 apresenta uma briquetadeira e seus componentes. O processo 
de briquetagem consiste em inicialmente preparar a matéria-prima (resíduos). 
Antes da entrada da matéria-prima no equipamento, é necessário prepará-la no 
sentido de tornar suas partículas com tamanho adequado, mais homogêneas em 
tamanho e com os teores de umidade adequados para o processo. 
Figura 5 – Esquema de um briquetadeira 
 
Fonte: <www.biomaxind.com.br> 
 
 
014 
 Outra forma de aproveitamento de resíduos lignocelulósicos ocorre nas 
indústrias de papel e celulose e é responsável por grande parte do suprimento de 
autossuficiência energética de tais indústrias. 
 No preparo da polpa de celulose para a fabricação do papel, a matéria-
prima passa por um processo de cozimento denominado kratf, formando um 
supbroduto denominado licor negro, o qual é composto por matéria orgânica e 
inorgânica e pelos produtos de solubilização da lignina. Esse licor é concentrado 
e posteriormente queimado na caldeira de recuperação para aproveitamento da 
parte inorgânica (licor verde), que retorna ao processo. A parte orgânica (produtos 
da lignina) é queimada em caldeiras para geração de energia térmica e elétrica 
(Brandão, 2015). 
 Por fim, mas de extrema importância do ponto de vista ambiental, os 
resíduos das atividades de pecuária e agroindústria e os resíduos sólidos urbanos 
representam um grupo da biomassa residual que passa por processos de 
biodigestão anaeróbia, gerando o biogás e o biometano. Esses resíduos são 
constituídos por carboidratos, ácidos graxos e proteínas. 
 As matérias-primas que são mais utilizadas como substrato para a 
produção de biogás são os dejetos da produção de suínos, bovinos e aves; 
resíduos da agroindústria, como carcaças de animais, resíduos de processamento 
de produtos agrícolas, lodo de esgoto e resíduos sólidos urbanos dispostos em 
aterros. 
A biodigestão anaeróbia é um processo desenvolvido por um grupo de 
bactérias, na ausência de oxigênio, no interior de biodigestores (Figura 6). Dentro 
do biodigestor, ocorrem as seguintes etapas do processo (Deublein; Steinhousen, 
2008). 
a. Hidrólise: nessa primeira etapa, os componentes insolúveis, como celulose, 
proteínas e gorduras/óleos, são quebrados em monômeros (fragmentos 
solúveis em água) pela exoenzima hidrolase produzida pelas bactérias, que 
podem ser anaeróbicas facultativas ou obrigatórias. 
b. Acidogênese: os monômeros formados na fase hidrolítica são assimilados 
pelas diferentes bactérias (facultativas e obrigatórias) e são degradados em 
ácidos orgânicos de cadeias curtas (C1-C5). Nessa etapa há formação de 
ácido butírico, ácido propiônico, ácido valérico, ácido acético, álcoois e 
dióxido de carbono. 
 
 
015 
c. Acetogênese: nessa fase, os produtos da fase anterior são transformados 
em acetato, hidrogênio e monóxido de carbono. 
d. Metanogênese: nessa fase ocorre a formação de metano sob condições 
estritamente anaeróbicas, porém outros gases, como o H2S e o CO2, são 
formados. O H2S deve ser removido do biogás por possuir efeito corrosivo. 
O biogás possui em sua composição de 45-55% de metano (CH4), que é o 
produto de interesse do ponto de vista de geração de energia. Quando o biogás 
passa por um processo de retirada do gás carbônico, é denominado biometano. 
O grande valor ambiental da geração de energia a partir do biogás oriundo 
da biomassa residual é que se evita a emissão do metano para a atmosfera, o 
qual possui um potencial causador do efeito estufa 21 vezes maior do que o do 
CO2. 
Figura 6 – Esquema de um biodigestor modelo Sansuy para dejetos líquidos 
 
Fonte: Embrapa. 
FINALIZANDO 
Na aula 1, conhecemos as principais moléculas armazenadoras da energia 
química resultante do processo fotossintético desempenhado pelas plantas. 
Nessa aula, vimos que essas moléculas estão presentes em diferentes tipos de 
biomassa e conhecemos as rotas tecnológicas que possibilitam a utilização da 
energia química armazenada nas plantas em energia térmica, elétrica e mecânica. 
Essas matérias-primas foram classificadas em quatro grandes grupos: 
biomassa rica em óleos e gorduras, biomassa rica em sacarose e amido, 
biomassa lignocelulósica e biomassa residual. Para cada classe foram 
desenvolvidas diferentes tecnologias de aproveitamento da energia química 
 
 
016 
contida em suas moléculas. A biomassa rica em gorduras compreende os óleos e 
as gorduras vegetais e animais, os quais serão transformados em biodiesel e 
bioquerosene por meio do processo de transesterificação. 
A biomassas ricas em sacarose e em amido passam por processos de 
fermentação alcoólica para transformação em etanol. No Brasil, a cana-de-açúcar 
é a principal cultura produtora de sacarose para fins energéticos, enquanto o milho 
e a mandioca são as principais culturas produtoras de amido. 
A biomassa lignocelulósica é qualquer material que possua celulose, 
hemicelulose e lignina em sua composição. Essa biomassa pode passar por 
vários processos para gerar energia, como a combustão, a pirólise ou a 
carbonização e a gaseificação. Podem também passar por processos de obtenção 
do etanol celulósico. 
A biomassa residual, por sua vez, compreende todos os resíduos orgânicos 
gerados pelas atividades econômicas ou urbanas. De acordo com o tratamento 
conferido a esses materiais, há dois grupos: o primeiro grupo compreende os 
resíduos lignocelulósicos, que podem passar por processos de densificação para 
posterior conversão energética de uma forma mais eficiente. O segundo grupo é 
constituído pela biomassa orgânica residual que pode ser biodegradada por um 
conjunto de bactérias que vão decompor o material em um processo denominado 
digestão anaeróbia. O produto desse processo é o biogás, o qual, uma vez 
purificado, transforma-se em biometano. 
 
 
 
017 
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