7 Produção de Biogás

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Albina Ribeiro
Tecnologias da Biomassa
0
Tecnologias da Biomassa
Digestão Anaeróbia – Produção de Biogás
Elisa Ramalho
MESTRADO EM BIORRECURSOS
Elisa Ramalho
Albina Ribeiro
Tecnologias da Biomassa
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Biogás/Biogas
Elisa Ramalho
- Luxmy Begum P. Eng., Advanced Processes and Technologies for 
Enhanced Anaerobic Digestion: Most Recent Advances in Anaerobic 
Digestion inside One Document Paperback, 1st ed., Green Nook Press 
Publication, Toronto, Canada, 2014
ISBN: 978-1-84816-542-7
- M. M. da Fonseca, J. A. Teixeira, Reactores Biológicos – Fundamentos e 
Aplicações, Lidel – edições técnicas, Lisboa, 2007
/Biorrefinarias
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O que é? Utilização Biogás
Elisa Ramalho
O biogás é um gás combustível constituído em média por 60% de metano
e 40% de CO2, obtido pela degradação biológica, anaeróbia, de resíduos
orgânicos.
É usado maioritariamente para produção de energia elétrica e para geração
de calor.
Depois de purificado e enriquecido em CH4 (>95%) pode ser usado como
alternativa ao gás natural.
http://www.portal-energia.com/energia-do-biogas/
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O que é? Biogás
Elisa Ramalho
http://www.biogas-renewable-energy.info/biogas_composition.html
Components
Household 
waste
Wastewater 
treatment plants 
sludge
Agricultural 
wastes
Waste of agrifood industry
CH4 % vol 50-60 60-75 60-75 68
CO2 % vol 38-34 33-19 33-19 26
N2 % vol 5-0 1-0 1-0 -
O2 % vol 1-0 < 0,5 < 0,5 -
H2O % vol 6 (40 ° C) 6 (40 ° C) 6 (40 ° C) 6 (40 ° C)
Total % vol 100 100 100 100
H2S mg/m3 100 - 900 1000 - 4000 3000 – 10 000 400
NH3 mg/m3 - - 50 - 100 -
Aromatic mg/m3 0 - 200 - - -
Organochlorinated or 
organofluorated mg/m3
100-800 - -
Composição química 
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O que é? Biogás
Elisa Ramalho
- http://www.biogas-renewable-energy.info/biogas_composition.html
- Demirbas A., Methane Gas Hydrate, Springer Science & Business Media, 2010, ISBN 1848828721, 9781848828728
Types of gas
Biogas 1
Household waste
Biogas 2
Agrifood industry
Range Natural gas
Composition
% vol
60% CH4
33 % CO2
1% N2
0% O2
6% H2O
68% CH4
26 % CO2
1% N2
0% O2
5 % H2O
87 - 97,0 % CH4
1,8 – 5,1 % ethane
0,1 – 1,5 % propane
< 0,6 % C4+ hydroc
1,3 – 5,6 % N2
PCS / HHV kWh/m3 6,6 7,5 11,3
PCI / LHV kWh/m3 6,0 6,8 10,3
Specic gravity * 0,93 0,85 0,57
Density (0ºC, 1atm) (kg/m3) 1,21 1,11 0,73
Caraterização Biogás vs Gás natural 
• Relativo ao ar PTN (0ºC e 1atm)
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Diagrama processo Biogás
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http://www.ows.be/household_waste/dranco
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Digerido Biogás
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O digerido sólido pode ser seco e usado como fertilizante
https://www.alternatifpower.com.tr/eng/gazlar/biogas-15/
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Instalação e digestor Biogás
http://www.ows.be/household_waste/dranco/
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Processo de Digestão Anaeróbia Biogás
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http://web.deu.edu.tr/atiksu/ana07/4thset.pdf
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Processo de Digestão Anaeróbia Biogás
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Hidrólise - biopolímeros são convertidos nos seus monómeros como glucose,
ácidos gordos, aminoácidos, …
Este processo é levado a cabo por enzimas extracelulares produzidas por bactérias
anaeróbias facultativas e estritas.
Roger Peris Serrano, Biogas Process Simulation using Aspen Plus, Master Thesis,Syddansk Universitet, 2011
…
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Processo de Digestão Anaeróbia Biogás
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Acidogénese - os produtos da
hidrólise são convertidos em
produtos intermediários
(ácidos gordos voláteis,
álcoois), CO2 e H2. São
degradados por bactérias
anaeróbias facultativas.
Roger Peris Serrano, Biogas Process Simulation using Aspen Plus, Master Thesis, Syddansk Universitet, 2011
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Processo de Digestão Anaeróbia Biogás
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Acetogénese – Transformação dos produtos da fermentação (acidogénese) em acetato,
dióxido de carbono e hidrogénio. As bactérias acetogénicas são produtoras obrigatórias de
H2 e as homoacetogénicas são consumidores de H2.
Roger Peris Serrano, Biogas Process Simulation using Aspen Plus, Master Thesis, Syddansk Universitet, 2011
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Processo de Digestão Anaeróbia Biogás
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Metanogénese – Transformação do acetato em H2 e CO2 e combinação destes
para formar CH4. Necessita de condições estritamente anaeróbias.
Roger Peris Serrano, Biogas Process Simulation using Aspen Plus, Master Thesis, Syddansk Universitet, 2011
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Matérias-primas Biogás
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Estrume de animais;
Resíduos orgânicos domésticos;
Culturas energéticas (milho, cana de açúcar,…);
Lamas de ETAR;
Resíduos orgânicos industriais (resíduos de matadouro, soro de leite, …);
….
Potenciais materiais devem ser facilmente biodegradáveis, não
conter inibidores, ter uma relação de nutrientes adequada e existirem
em quantidade e a preço razoável.
Testes: Potencial de Metano Bioquímico (BMP), Toxicidade
Anaeróbia (ATA) e Carência Química de Oxigénio (CQO).
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Principais caraterísticas das matérias-primas Biogás
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 O teor em matéria orgânica (base seca) deve ser > 60% (70 a 95%)
 Razão Carbono/ Azoto entre 20/1 a 30/1
 Relação Carbono/Azoto/Fósforo ≈ 100/5/1*. (CQO:N:P ≈ 350:7:1 para
sistema de alta carga e1000:7:1* em sistemas de baixa carga).
 Concentração ótima de sólidos entre 6 a 10% (via húmida) ou >20%
(via seca)
* Os valores variam ligeiramente dependendo da fonte 
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Matérias-primas – Rendimento em biogás Biogás
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Material m3/t org solids
Resíduos de colheitas 375
Estrume aminal 200 - 500
Resíduos da indústria alimentar 400 - 600
Resíduos de processos fermentativos 400 - 800
Resíduos de matadouros 550 - 1000
Resíduos de Indústria de óleos ou 
gorduras
1000
Licor negro da Ind. da pasta de papel 400 - 800
Lamas da produção de gelatinas e amido 700 - 900
Lamas de ETAR 250 - 350
Resíduos da Ind. Farmacêutica 1000 - 1300
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Matérias-primas – Pré-tratamentos Biogás
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Objetivos:
Remover material indesejável, homogeneizar o material, ajustar a
humidade, potenciar a produção de biogás, reduzir o volume, aumentar a
destruição de sólidos orgânicos no digestor, remover organismos
patogénicos, diminuir os custos de processamento, ...
 Identificação e separação de material inerte (pedras, metal, plásticos,
...), manual e/ou mecânica, e homogeneização da mistura a tratar;
 Pasteurização (redução de patogénicos): t > 60min e 70 < T < 90ºC ou
esterilização com vapor: t >20min, T >133ºC com vapor a Pabs>3 bar;
 Tratamentos promotores da hidrólise: mecânicos, físico-químicos,
térmicos, biológicos e enzimáticos.
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Parâmetros do Processo Biogás
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Temperatura, tempo de retenção de sólidos (TRS), tempo de retenção
hidráulico (TRH), alcalinidade (capacidade tampão), pH, disponibilidade
de carbono e de nutrientes, carga orgânica volumétrica (Bv), concentração
do produto, substâncias tóxicas.
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Temperatura Biogás
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Há três gamas de temperatura possíveis: psicrófila (T<20ºC), mesófila
(30º a 42ºC) e termófila (43º a 55ºC).
A maioria dos digestores trabalha na gama mesófila porque são mais
estáveis, com menos risco de toxicidade por azoto amoniacal e porque
requerem menos energia.A digestão termófila promove eficiências de
conversão mais elevadas, tempos de retenção hidráulico mais baixos e
destruição de patogénicos.
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TRS e TRH Biogás
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TRS e TRH estão diretamente relacionados com o volume e o tipo do
reator necessário.
Num reator de mistura completa, não há recirculação de sólidos e os dois
tempos são iguais. O geral é o TRH<<TRS.
Na prática são necessários entre10 a 30 dias de TRS.
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Alcalinidade e pH Biogás
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A alcalinidade é importante pois tem um efeito tampão no controlo do pH.
Na gama de pH ótimo, para a produção de metano (6,5 a 7,4), é a
alcalinidade do bicarbonato que determina a capacidade tampão da acidez
gerada no sistema. Esta alcalinidade pode ser gerada no processo ou
adicionada (NaHCO3, NaOH, NH3, Ca(OH)2) trabalhando-se com valores
de 2000mg a 5000mg CaCO3/L.
. /Biorrefinarias
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Compostos que interferem negativamente no 
processo
Biogás
Elisa Ramalho
Substâncias tóxicas ou inibidoras podem causar a falha do digestor:
 Oxigénio e luz em quantidades elevadas;
 Desinfetantes, antibióticos e metais pesados (Cu, Cd, Cr, Zn, Pb e Ni);
 Ácidos voláteis, sulfureto de hidrogénio e azoto amoniacal (o seu efeito
depende muito do pH);
Na presença de sulfatos, as bactérias redutoras de sulfato promovem a reação de
oxidação da matéria orgânica (baixando a CQO) com o sulfato formando-se
sulfureto de hidrogénio. A oxidação da matéria orgânica tem como consequência a
diminuição da produção de metano.
.
Redução do S de +6 a -2
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Disponibilidade de carbono e de nutrientes Biogás
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Nutrientes para a sobrevivência e crescimento dos micro-organismos:
 Carbono, azoto, fósforo e enxofre. Razão C/N/P/S ótima ≈ 600/15/5/1*.
 No reator (fase líquida) deve-se garantir cerca de 50mg azoto/L, 10mg
fósforo/L e 5 mg enxofre/L*.
 Micronutrientes: ferro, cobalto, níquel, zinco (respetivamente 0,02;
0,004; 0,003; e 0,02 mg/gacetato produzido), selénio, molibdénio …
.
* Os valores apresentados na literatura variam consoante a fonte
/Biorrefinarias
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Carga orgânica volumétrica Biogás
Elisa Ramalho
A Carga orgânica volumétrica (Bv) é definida como a quantidade de
matéria orgânica (seca) que é alimentada por unidade de volume de digestor
por dia.
Se um resíduo fosse completamente biodegradável, teoricamente, produzir-
se-iam 350Lmetano/kgCQOremovido (PTN).
A Bv deve refletir um compromisso entre a produção de gás e os custos de
investimento.
. /Biorrefinarias
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Concentração de produtos Biogás
Elisa Ramalho
A estabilidade no reator depende da concentração dos produtos gerados na
etapa de acidogénese. Nesta etapa formam-se ácidos gordos voláteis
(acetato, propionato, butirato, lactato,…), CO2 e H2. Se a alcalinidade
(efeito tampão) não for suficiente, a acumulação destes ácidos faz baixar o
pH e pode afetar a produção de metano ou mesmo provocar a falha do
reator.
. /Biorrefinarias
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Digestores - sem retenção de biomassa Biogás
Elisa Ramalho
Digestor tubular – geralmente os tanques são estreitos e compridos,
normalmente aquecidos e enterrados. 11 a 13% de sólidos totais.
15 ≥ TRH ≥ 30 dias.
.
http://ati.ag.ohio-state.edu/factsheet/AEX-653.1
/Biorrefinarias
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Biogás
Elisa Ramalho
Digestor tubular
.
Charles Banks, Evaluating the Potential for Anaerobic Digestion to provide Energy and Soil amendment, University 
of Reading, 25th March 2009
/Biorrefinarias
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Digestors - sem retenção de biomassa Biogás
Elisa Ramalho
Digestor de mistura completa – Os tanques podem ou não ser enterrados,
aquecidos ou não e têm uma cobertura impermeável para coletar o gás. O conteúdo
é agitado por bombas ou agitadores mecânicos. 3 a 10% de sólidos totais.
10 ≥ TRH ≥ 20 dias.
.
http://ati.ag.ohio-state.edu/factsheet/AEX-653.1
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Biogás
Elisa Ramalho
Digestor de mistura completa - pormenores
.
http://www.biogas-renewable-energy.info/biogas_composition.html
Agitadores de pás e tubagem de gás 
/Biorrefinarias
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Digestores – com retenção de biomassa Biogás
Elisa Ramalho
Reator de fluxo ascendente de manto de lamas (UASB) – são tanques
verticais, acima do solo e aquecidos.
A alimentação entra continuamente pelo fundo e as lamas (bactérias) estão
em suspensão no reator devido ao fluxo ascendente da alimentação (0,7 – 1
m/h).
5 dias>TRH>2 horas; gama de pH 6,3 a 7,85;
Concentração da alimentação >250mgCQO/L (ótimo 400mgCQO/L);
Concentração de biomassa no reator <= 50gsólidos/L.
.
http://www.sswm.info/category/implementation-tools/wastewater-treatment/hardware/semi-centralised-wastewater-
treatments/u
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
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UASB Biogás
Elisa Ramalho
.
Chandima Gomes et al, Aerobic and Anaerobic Sewage Biodegradable Processes: The Gap Analysis, 
International Journal of Research in Environmental Science, Volume 3, Issue 3 2017, PP 9-19
http://www.iwapublishing.com/news/flow-anaerobic-sludge-blanket-reactor-uasb
www.slideshare.net/skhumayunbasha
/Biorrefinarias
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Biogás
Elisa Ramalho
.
Reator de filme fixo/filtros anaeróbios – São tanques acima do solo,
aquecidos contendo um enchimento que serve de suporte às bactérias. A
alimentação ao atravessar este meio entra em contacto com a biomassa.
1 a 5% sólidos totais. TRH<5 dias.
Digestores – com retenção de biomassa
www.slideshare.net/skhumayunbasha
/Biorrefinarias
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Biogás
Elisa Ramalho
Filtros anaeróbios
.
www.researchgate.net/publication/277701338_Biogas/figures?lo=1
http://www.engineeringfundamentals.net/Anaerobi
cFilters/fundamentals.htm
/Biorrefinarias
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Digestores – com retenção de biomassa Biogás
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Reatores de leito expandido (15 - 30%) e de leito fluidizado (25 -
300%) – São tanques acima do solo, aquecidos contendo um enchimento
que serve de suporte às bactérias.
.
www.slideshare.net/skhumayunbasha
A alimentação entra por baixo e há 
recirculação de líquido para que a 
corrente do líquido garanta a expansão 
ou fluidização do leito (10 – 25m/h).
A biomassa suspensa sai com a corrente 
líquida e não há problemas de 
colmatação.
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Biogás
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Reator de leito fluidizado
.
www.kobelco-eco.co.jp/english/product/sangyoumuke/panbic-h.html
/Biorrefinarias
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Digestores – com retenção de biomassa Biogás
Elisa Ramalho
Reatores “batch” anaeróbios sequenciais (ASBR)– são tanques acima do
solo, aquecidos e com cobertura impermeável para recolha de gás.
A carga e descarga dos reatores é feita por partidas.
Há 4 etapas por ciclo: carga, reação, sedimentação e decantação/descarga
da fase líquida.
Trabalham com 2,5 a 8% sólidos totais. TRH<5 dias.
. /Biorrefinarias
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Biogás
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Reatores “batch” anaeróbios sequenciais/
.
SETTLE DECANT FEED REACT 
SETTLED 
BIOMASS 
SUPERNATANT 
DECANT 
 PORTS
BIOGAS RECYCLE 
EFFLUENT FEED
BIOGAS
www.slideshare.net/skhumayunbasha
www.biocycle.net/2012/03/14/anaerobic-digestion-in-the-
northwest
/Biorrefinarias
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Digestores – com retenção de biomassa Biogás
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Reator de alta concentração de sólidos– São tanques acima do solo, aquecidos e
impermeáveis desenhados para trabalhar com alimentações de alta concentraçãode
substrato orgânico. > 18% sólidos totais. TRH = 2 ou 3 dias.
.
https://www.anaergia.com/what-we-do/municipal-solid-waste/high-solids-anaerobic-digestion
/Biorrefinarias
Usados para tratar 
resíduos orgânicos 
alimentares; 
resíduos sólidos da 
atividade agrícola, 
etc. 
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Digestores – com retenção de biomassa Biogás
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.
Lagoas anaeróbias
Ocupam grandes áreas (2000 a 8000 m2), não são aquecidas ou agitadas e 
são usadas para:
 Pré-tratamento (estabilização) de efluentes industriais e municipais;
 Digestão anaeróbia de estrume.
www.alternatifpower.com.tr/eng/gazlar/biogas-15/
/Biorrefinarias
Podem ter 6 m de profundidade 
e não ser cobertas.
Trabalham com 0,5 a 3% 
sólidos totais. TRH= 40 a 60 
dias
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Digestores Biogás
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.
Reatores batch anaeróbios
sequenciais (ASBR)
Reator de alta concentração de sólidos
Filtro anaeróbio (AF)
UASB
Reator de leito fluidizado
Reator hibrido: UASB/AF
Digestor de baixa carga Digestor de alta carga
Lagoas anaeróbias
Carga 5-20 kg CQO/(m3day)
Eficiência de remoção de CQO: 80-
90%
Carga1 - 2 kgCQO/(m3day)
/Biorrefinarias
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Caraterísticas de operação dos digestores Biogás
Elisa Ramalho
.
Tipo de digestor Solidos
(%)
HRT
(dia) 
Co-digestão
Digestor tubular 11 - 13 15+ Não 
Digestor de mistura completa 3 - 10 15+ Sim
UASB < 3 < =5 Sim
Reator de filme fixo 1 - 5 < =5 Sim
ASBR 2,5 - 8 < =5 Sim
Reator de alta conc. sólidos > 18 2 - 3 Sim
Lagoa coberta 0,5 - 3 40 - 60 Não
Leito Fluidizado < 2 Sim
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
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Seleção do Processo Biogás
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Na definição da tecnologia é importante a alimentação/resíduo ou mistura
de resíduos que se pretende digerir, o produto pretendido e o investimento
que se quer fazer.
Para escolher o digestor deve-se considerar:
 A concentração de sólidos na alimentação;
 a temperatura de operação;
 o número de estágios e a configuração respetiva configuração;
 o modo de alimentação;
 etc
. /Biorrefinarias
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42
Seleção do processo – conc. de sólidos Biogás
Elisa Ramalho
.
Reatores por via húmida (>85% fase 
líquida)
Reatores por via seca (<85% fase líq.)
Vantagens Vantagens
Maior rendimento de biogás por tonelada de 
resíduo tratado;
Cobre um amplo espectro de resíduos; 
Mais adequado para substratos pastosos;
Ajuste fácil do conteúdo de sólidos; 
Melhor controle de pH e NH3; 
Melhor contacto entre substrato e 
permutadores de calor (se necessário); 
Libertação segura de biogás.
Sistema compacto;
Sistema robusto e de baixa manutenção; 
Baixo consumo de energia (15% da 
energia produzida);
Alta produção de biogás; 
Alta qualidade de biogás.
Desvantagens Desvantagens
Alto consumo de energia; 
Retenção de gás no substrato; 
Requer o pré-tratamento do substrato; 
Homogeneização difícil; 
Reciclagem de lamas
/Biorrefinarias
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43
Seleção do Processo – Temperatura Biogás
Elisa Ramalho
.
Gama mesófila (35 – 37ºC)
Vantagens Desvantagens
Estabilidade Não reduz organismos patogénicos
Velocidades de produção mais lentas, 
relativamente ao processo termófilo
Gama termófila (50 – 60ºC)
Vantagens Desvantagens
Maior destruição de patogénicos
Velocidades de reação maiores / menores 
tempos de retenção
Aumento na redução de SV
Maior consumo de energia (T elevada)
Maior formação odores/maior concentração 
de AGV
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
44
Seleção do Processo – Configuração do reator Biogás
Elisa Ramalho
.
Digestor com múltiplos estágios
Vantagens*
Cada estágio (reator) pode ser otimizado;
Aumenta a produção de gás;
Maior redução de volume (>SV destruição);
Maior controlo de odores;
Melhor controlo de formação de espuma;
Prevenção de curtos-circuitos;
Configurações
Digestão mesófila por estágios
Digestão em 2 estágios ácido/gás
Digestão em 2 estágios termófilo/mesófilo
Digestão termófila por estágios
*por comparação com 1 estágio
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
45
Purificação do biogás Biogás
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.
Contaminantes – tecnologias de remoção
Vapor de água – Arrefecimento natural; refrigeração e pressurização;
absorção; adsorção.
Sulfureto de hidrogénio – Lavagem com água; adsorção em carvão ativado;
reação com hidróxido ou óxido de ferro; biofiltração.
NH3 e NOx – Lavagem com água.
Partículas – Filtração (filtro 2 – 5 µm)
Siloxanos – Adsorção em sílica gel; adsorção em carvão ativado.
Hidrocarbonetos halogenados – Adsorção em carvão ativado.
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
46
Enriquecimento em metano do biogás Biogás
Elisa Ramalho
.
Na sua constituição o biogás tem de 50 a 75% de CH4.
A utilização do biogás como alternativa ao gás natural ( 97% de CH4) implica o
seu enriquecimento em metano.
A remoção do CO2 é suficiente para elevar o teor de CH4 para valores >97%.
Algumas tecnologias podem ser usadas:
 Lavagem/absorção com água ou solventes orgânicos;
 Absorção com reação química;
 Adsorção;
 Separação por membranas;
 Separação criogénica/destilação.
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
47
Absorção em água Biogás
Elisa Ramalho
.
www.americanbiogascouncil.org/biogasProcessing/biogasProcessing.pdf
O CO2 e algum CH4 são absorvidos pela água numa coluna de absorção (scrubber) 
e a água passa em seguida numa coluna de desabsorção (stripper) onde liberta os 
gases absorvidos.
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
48
Absorção com aminas Biogás
Elisa Ramalho
.
http://cdn.intechopen.com/pdfs/22869.pdf 
MEA ou DMEA a 10 -30% em água é usado para absorver quimicamente CO2. 
Aquecendo a 120ºC a solução de amina desabsorve o CO2 que é arrastado pelo 
vapor de água usado no aquecimento.
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
49
PSA (Pressure swing adsorption) Biogás
Elisa Ramalho
.
www.americanbiogascouncil.org/biogasProcessing/biogasProcessing.pdf
O adsorvente adsorve preferencialmente o CO2 à pressão ≈100psig e, no passo
seguinte, despressurizando o leito dá-se a dessorção do CO2.
/Biorrefinarias
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Tecnologias da Biomassa
50
Separação por membranas Biogás
Elisa Ramalho
.
www.americanbiogascouncil.org/pdf/Waste2Wheels_aug11.pdf 
www.americanbiogascouncil.org/biogasProcessing/biogasProcessing.pdf
Membranas de fibras ocas são usadas
para separar CO2 de CH4. O processo
tem normalmente 2 estágios.
/Biorrefinarias
Albina Ribeiro
Tecnologias da Biomassa
51
Enriquecimento em metano do biogás Biogás
Elisa Ramalho
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Parametro PSA Absorção 
com água
Absorção 
com 
orgânicos
Absorção 
Química
Pré-purificação Sim Nãoa Nãoa Sim
Pressão de operação (bar) 4 - 7 4 - 7 4 - 7 Pressão atm
Perda de metano b <10% <2% 2 – 4% <0,1%
Teor metano final b >96% >97% >96% >99%
Eletricidade (kW/Nm3) 0,25 <0,25 0,24 – 0,23 <0,15
Necessidade de calor Não Não 55 – 80ºC 160ºC
a Se concentração de H2S>500ppm deve ser pré-purificado
b Disponibilizado por fornecedores de equipamento
/Biorrefinarias