ELVAN NASCIMENTO DOS SANTOS FILHO
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS - UFAL
CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS - CECA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO PROFISSIONAL
EM ENERGIA DA BIOMASSA
ELVAN NASCIMENTO DOS SANTOS FILHO
Produção de metano com resíduos de biotério utilizando fluido
ruminal como inóculo
Rio Largo
2015
ELVAN NASCIMENTO DOS SANTOS FILHO
Produção de metano com resíduos de biotério utilizando fluido
ruminal como inóculo
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação Profissional em Energia da
Biomassa, Centro de Ciências Agrárias da
Universidade Federal de Alagoas, como
requisito parcial para obtenção do título de
Mestre em Energia da Biomassa.
Orientador: Prof. Dr.
Cavalcante de Amorim
Rio Largo
2015
Eduardo
Lucena
ELVAN NASCIMENTO DOS SANTOS FILHO
Produção de metano com resíduos de biotério utilizando fluido
ruminal como inóculo
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação Profissional em Energia da
Biomassa, Centro de Ciências Agrárias da
Universidade Federal de Alagoas, como
requisito parcial para obtenção do título de
Mestre em Energia da Biomassa.
______________________________________________________________
Prof. Dr. Eduardo Lucena Cavalcante de Amorim
Banca Examinadora:
________________________________________________________________
Profª Drª Karina Ribeiro Salomon
________________________________________________________________
Profº Drº Antonio Pedro de Oliveira Netto
________________________________________________________________
Profº Drº Guilherme Bastos Lyra
AGRADECIMENTOS
A Deus por todas as oportunidades j€ proporcionadas na minha vida, pelo discernimento e
sabedoria para conduzir meus passos em todos os momentos de alegria e tristeza.
A minha fam•lia que ‚ a base sƒlida da minha forma„…o e fonte de inspira„…o para minha vida.
Sempre me apoiando em todas as minhas decis†es incondicionalmente.
A minha esposa por todo o companheirismo, paci‡ncia, compreens…o, incentivo e amor.
Apoiando-me nas decis†es e nos momentos mais dif•ceis sem titubear.
A minha filha que trouxe mais luz e raz…o para a minha caminhada, me ensinado que todas as
dificuldades podem ser superadas, e que o nosso problema ‚ sempre menor que o do prƒximo.
A amiga Nadjane Leite dos Santos Telles, pelo incentivo em fazer o mestrado, pelo apoio e
esclarecimentos das diversas e constantes dificuldades que encontrei ao longo do curso.
Ao Profˆ Drˆ Eduardo Lucena Cavalcante de Amorim, por aceitar me orientar, e que apesar de
todas as dificuldades enfrentadas durante a jornada, sempre se manteve acess•vel e dispon•vel,
buscando solu„†es de forma paciente e coerente.
A t‚cnica de Laboratƒrio do LSA/CTEC/UFAL Eveline Borges pela paci‡ncia e ajuda com as
t‚cnicas durante os dias de analises.
Ao t‚cnico de Laboratƒrio Ronaldson Batinga dos Santos pela ajuda na montagem do sistema
de aquecimento utilizado no experimento.
A todos os docentes do Programa de Pƒs-gradua„…o em Energia da Biomassa e de Pƒsgradua„…o em Recursos h•dricos pelos ensinamentos passados ao longo das disciplinas.
Ao Profˆ Drˆ Christopher Freire Souza pelos esclarecimentos e ajuda na confec„…o da parte
estat•stica desta disserta„…o.
Aos colegas de mestrado que durante todo o per•odo do curso, apoiaram, incentivaram,
trocar…o informa„†es e experi‡ncias. Todos os momentos de conviv‡ncia foram muitos
proveitosos e gratificantes.
Ao Programa de Pƒs-gradua„…o de Energia da Biomassa – CECA/UFAL por proporcionar a
oportunidade em realizar esse mestrado.
A Usina Santa Clotilde pelo fornecimento do baga„o de cana de a„Šcar para a confec„…o da
cama dos animais de laboratƒrio, utilizada no experimento.
Ao matadouro da prefeitura municipal da cidade de Vi„osa/AL, por permitir a coleta do fluido
ruminal utilizado como inoculo neste ensaio.
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Composição meio Del Nery (1987).............................................................................. 32
Tabela 2. Composição dos resíduos de biotério ........................................................................... 34
Tabela 3. Caracterização dos resíduos de biotério........................................................................ 35
Tabela 4. Soma dos resíduos quadrados dos ajustes não-lineares ................................................. 41
Tabela 5. Frequência de realização das análises........................................................................... 43
Tabela 6. Resultados da avaliação físico- química nos substratos dos reatores no momento de
partida reacional e finalização experimental ................................................................................ 45
Tabela 7. Produção acumulada total dos gases no biogás produzido, para cada substrato
utilizado...................................................................................................................................... 50
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Oferta interna brasileira de energia el‚trica por fonte ................................................... 16
Figura 2. Processo de digest…o anaerƒbia..................................................................................... 26
Figura 3. Fluxo das etapas experimentais .................................................................................... 29
Figura 4. Bancada Experimental. Vista Anterior.......................................................................... 30
Figura 5. Bancada Experimental. Vistas Laterais......................................................................... 31
Figura 6. Sistema de aquecimento e recircula„…o de €gua para a bancada experimental ............... 31
Figura 7. Leito experimental com sensor do termostato e term‹metro Incoterm........................... 32
Figura 8. ConteŠdo g€strico (fluido ruminal) utilizado como inoculo nos ensaios de batelada ..... 33
Figura 9. Res•duos utilizados no processo de digest…o anaerƒbia. (A) Maravalha de pinus +
dejetos de animais de laboratƒrio; (B) Maravalha de sabugo de milho + dejetos de animais de
laboratƒrio; (C) Maravalha de baga„o de cana-de-a„Šcar + dejetos de animais de laboratƒrio...... 34
Figura 10. Res•duo de maravalha de cana-de-a„Šcar + dejetos de animais de laboratƒrio, apƒs
tritura„…o para preparo dos reatores............................................................................................. 35
Figura 11. Frasco de Duran 2L, utilizados como reatores em batelada......................................... 36
Figura 12. Desenho experimental dos reatores anaerƒbios e seus respectivos substratos.............. 37
Figura 13. Evolu„…o do potencial hidrogeni‹nico (pH) dos reatores anaerƒbios........................... 44
Figura 14. Concentra„…o da demanda qu•mica de oxig‡nio (DQO) nos reatores anaerƒbios
durante o experimento................................................................................................................. 46
Figura 15. Concentra„…o de ST e STV no startup e finaliza„…o dos reatores, assim como a
efici‡ncia de remo„…o (%). STinicial (-■-), STfinal (-●-), STVinicial (-▲-), STVfinal (-▼-),
STefici‡ncia (-■-), STVefici‡ncia (-●-). ...................................................................................... 47
Figura 16. Concentra„…o dos €cidos org•nicos e alcoƒis nos reatores na ocasi…o da partida e
finaliza„…o do experimento. (A) €cido ac‚tico (B) €cido but•rico (C) €cido propi‹nico (D)
Etanol ......................................................................................................................................... 49
Figura17. Caracteriza„…o do biog€s produzido nos quatro reatores em batelada........................... 51
Figura18. Concentra„…o m‚dia de CH4 (L) ao longo do tempo no reator B com ajuste linear e
ponto de inflex…o ........................................................................................................................ 51
Figura19. Concentra„…o m‚dia de CH4 (L) ao longo do tempo no reator R1 com ajuste linear
e ponto de inflex…o...................................................................................................................... 52
Figura 20. Concentração média de CH4 (L) ao longo do tempo no reator R2 com ajuste linear
e ponto de inflexão...................................................................................................................... 53
Figura 21. Concentração média de CH4 (L) ao longo do tempo no reator R3 com ajuste linear
e ponto de inflexão...................................................................................................................... 54
Figura22. Taxa máxima de produção CH4 (L) e Tempo máximo para produção CH4 (dias) em
função aos reatores...................................................................................................................... 54
LISTA DE EQUAÇÕES
Equa„…o 1 – Equa„…o da reta para concentra„…o x €rea cromatogr€fica de CH4........................... 38
Equa„…o 2 – Equa„…o da reta para concentra„…o x €rea cromatogr€fica de CO2........................... 38
Equa„…o 3 – Equa„…o da reta para concentra„…o x €rea cromatogr€fica de H2 ............................. 39
Equa„…o 4 – Equa„…o de convers…o do volume da amostra para o headspace............................... 39
Equa„…o 5 – Equa„…o geral dos gases.......................................................................................... 40
Equa„…o 6 – Equa„…o do ajuste linear de boltzmann.................................................................... 40
Equa„…o 7 – Equa„…o para calculo da concentra„…o dos ST......................................................... 42
Equa„…o 8 - Equa„…o para calculo da concentra„…o dos STV....................................................... 42
Equa„…o 9 - Equa„…o para calculo da concentra„…o dos STF ....................................................... 42
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ANEEL
B
BEN
Biocen
0
C
CH4
cm
CO2
CONCEA
CTEC
d
DAL
DQO
g
h
H2
kg
L
LSA
m3
min
mmol
%
pH
RDC
R1
R2
R3
SPF
ST
STV
STF
T
UFAL
µ
-
Agência nacional de energia elétrica
Reator branco (controle)
Balanço energético nacional
Biotério Central
Graus Celsius
Metano
Centímetro
Dióxido de carbono
Conselho nacional de controle de experimentação animal
Centro de Tecnologia
Dia
Dejetos de animais de laboratório
Demanda química de oxigênio
Grama
Horas
Hidrogênio
Kilograma
Litros
Laboratório de Saneamento Ambiental
Metro cúbico
Minuto
Milimol
Porcentagem
Potencial hidrogeniônico
Resolução de diretoria colegiada
Reator 1
Reator 2
Reator 3
free of pathogens specific (livre de patógenos especificos)
Sólidos totais
Sólidos totais voláteis
Sólidos totais fixos
Temperatura
Universidade Federal de Alagoas
microlitro
RESUMO
Atualmente os recursos energéticos estão cada vez mais escassos, a busca por fontes
energéticas que acompanhem o crescimento econômico e proporcionem boa qualidade de vida
para a população estão diretamente ligados ao suprimento de energia. Este trabalho teve como
objetivo avaliar a produção de metano a partir de resíduos de biotérios utilizando fluido
ruminal como inóculo em reatores em batelada. Tentando dessa forma, resolver a questão
ambiental para a destinação dos resíduos e produzindo energia limpa e renovável,
contribuindo assim para a matriz energética brasileira. Para o experimento, foram utilizados
frascos de Duran® 2L como reatores em batelada, alimentados com as diferentes biomassas
provenientes de biotério sendo inoculadas com fluido ruminal, podendo assim avaliar a
quantidade do biogás gerado e a qualidade do metano obtido. A maior produção de metano
acumulada foi observada no reator R1, carregado com dejetos dos animais de biotério e
maravalha de pinus (12,56 LCH4 ), apresentou também a maior produção diária de metano
0,0067 LCH4 /gSTV/d, com rendimento de 0,256 LCH4/gSTV. Os reatores R2 e R3
apresentaram uma produção acumulada de 5,24 LCH4 e 6,83 LCH4 , respectivamente, e
rendimento de 0,07 LCH4 /gSTV e 0,15 LCH4 /gSTV.
Palavras-chave: Digestão anaeróbia; Biogás; Bioenergia.
ABSTRACT
Currently energy resources are increasingly scarce, the search for energy sources that
accompany economic growth and provide good quality of life for the population are directly
linked to energy supply. This study aimed to evaluate the production of methane from animal
houses of waste using rumen fluid as inoculum in batch reactors. Thereby attempting to
resolve the environmental issue for the disposal of waste and producing clean, renewable
energy, thus contributing to the Brazilian energy matrix. For the experiment, they used bottles
Duran® 2L as batch reactors, fed different biomass from animal facilities being inoculated
with ruminal fluid, thus being able to assess the amount of biogas generated and the quality of
the obtained methane. Most of accumulated methane production was observed in R1 reactor,
loaded with waste from animal vivarium and pine shavings (12.56 LCH4) also had the highest
daily production of methane 0.0067 LCH4 / gSTV / d, with income 0.256 LCH4 / gSTV. R2
and R3 reactors showed a cumulative production of 5.24 and 6.83 LCH4 LCH4, respectively,
and yield 0.07 LCH4 / gSTV and 0.15 LCH4 / gSTV.
Keywords: Anaerobic digestion; Biogas; Bioenergy.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...................................................................................................................... 13
2 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 15
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................. 16
3.1 Matriz energética nacional..................................................................................................... 16
3.2 Biomassa como fonte de energia ........................................................................................... 16
3.3 Biomassa da produção animal ............................................................................................... 17
3.4 Biotérios ............................................................................................................................... 18
3.5 Fluido ruminal....................................................................................................................... 22
3.6 Digestão anaeróbia ................................................................................................................ 23
3.6.1.1 Hidrólise ......................................................................................................................... 24
3.6.1.2 Acidogênese .................................................................................................................... 25
3.6.1.3 Acetogênese .................................................................................................................... 25
3.6.1.4 Metanogênese.................................................................................................................. 25
3.6.1.5 Sulfetogênese .................................................................................................................. 26
3.6.2 Elementos ambientais que interferem na digestão anaeróbia............................................... 27
3.6.2.1 pH ................................................................................................................................... 27
3.6.2.2 Temperatura .................................................................................................................... 27
3.6.2.3 Nutrientes no substrato .................................................................................................... 28
4 METODOLOGIA .................................................................................................................. 29
4.1 Bancada experimental ........................................................................................................... 30
4.2 Meio nutricional.................................................................................................................... 32
4.3 Fluido ruminal....................................................................................................................... 33
4.4 Resíduos de biotério .............................................................................................................. 34
4.5 Reatores ................................................................................................................................ 35
4.6 Análises ................................................................................................................................ 37
4.6.1 Cromatografia gasosa ....................................................................................................... 367
4.6.1.1 Determinação do biogás ................................................................................................ 367
4.6.1.2 Determinação dos ácidos e alcoois................................................................................. 367
4.6.2 Curva de determinação de CH4 , CO2 e H2 ......................................................................... 368
4.6.3 Calculo para determinação do metano (CH4).................................................................... 369
4.6.4 Demanda química de oxigênio............................................................................................ 41
4.6.5 Sólidos totais (ST).............................................................................................................. 41
4.6.6 Sólidos totais volatéis (STV) .............................................................................................. 42
4.6.7 Sólidos totais fixos (STF) ................................................................................................... 42
4.6.8 Frequência das análises ...................................................................................................... 43
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................................ 44
5.1 Análises físico-químicas........................................................................................................ 44
5.2 Ácidos orgânicos e Alcoóis ................................................................................................... 48
5.3 Composição do biogás........................................................................................................... 49
5.4 Produção de metano (CH4 ) .................................................................................................... 51
6 CONCLUSÃO........................................................................................................................ 56
7 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 57
ANEXO 1................................................................................................................................. 656
ANEXO 2................................................................................................................................... 71
ANEXO 3................................................................................................................................... 74
13
1 INTRODUÇÃO
Atualmente os recursos energéticos estão sendo bastante discutidos, tendo em vista
que o crescimento econômico e a qualidade de vida da população estão diretamente ligados ao
suprimento de energia. Visto isso à energia está sendo foco de trabalho científico e sempre
permanece nas pautas de discussões governamentais, como um problema de segurança
nacional e forma de estabilidade econômica global. (MASIERO E LOPES, 2008)
Nesse sentido, a busca por uma maior eficiência energética na sociedade é cada vez
mais constante, contudo a dinâmica de como encaram e utilizam esses recursos energéticos, o
grau de bem estar e da condição humana, da consciência ambiental e do desenvolvimento são
todos fatores que tornam esta busca cada vez mais complexa (AGUIAR, 2004)
Estrategicamente, falando em eficiência energética, num mundo globalizado, não se
resume simplesmente em aplicar medidas de redução ao desperdício, no desenvolvimento e
aplicação de tecnologias adequadas, as novas matrizes energéticas devem compensar os danos
causados ao meio ambiente ao longo do tempo, e que só crescem junto a essa busca incessante
por novas fontes energéticas.
No entanto, grande parte da energia global utilizada é originada por meio do uso de
combustíveis fósseis. De acordo com a Agência Internacional de Energia, os combustíveis
fósseis são responsáveis por até 81% da oferta de energia primária do mundo em 2007 (IEA,
2010).
Com a demanda crescente em busca de energias limpas e de fontes renováveis, se
estimulam o desenvolvimento de tecnologias e sistemas de produção. A bioenergia possui um
importante aspecto, que é seu potencial em contribuir na solução de problemas ambientais
gerado pelo uso de combustíveis fósseis (Lora & Andrade, 2009)
A inserção de recursos renováveis dentro do planejamento energético é uma forma de
mitigar os impactos ambientais provocados pela obtenção de energia elétrica, e alcançar as
metas estabelecidas em consenso comum pelos países emergentes (INATOMI E UDAETA,
2000)
14
Das fontes alternativas promissoras para a geração de energia que causam impacto
socioeconômico positivo, diz respeito ao aproveitamento da biomassa, que segundo (SILVA
ET AL, 2008) é uma fonte de energia renovável e limpa, que pode substituir os combustíveis
fosseis e fornecer variadas formas de energia, como: o carvão vegetal, o biodiesel, o etanol e o
biogás.
A biomassa, os resíduos urbanos e agroindustriais tem se destacado como fonte
promissora de produção de energias renováveis, principalmente devido à geração de energia a
partir destas fontes, pois podem ter fornecimento garantido continuamente (CRESPO, 2013).
Das biomassas abundantes disponíveis, os resíduos gerados nas atividades ligadas à
produção animal se destacam, no entanto o descarte desses resíduos pode gerar alguns
problemas ambientais, devido as suas altas taxas orgânicas e agentes patogênicos.
Segundo Orrico Jr et al (2010) as atividades agropecuárias geram quantidade muito
grande de resíduos, e se bem manejados, podem se tornar fonte de renda e agregação de valor
à atividade, no entanto é necessária a adoção de tecnologias adequadas para bom
aproveitamento desses resíduos.
Dentre as formas de aproveitamento de resíduos, a digestão anaeróbia é tecnologia
bastante difundida para o tratamento de efluentes agroindustriais com geração de metano e
gás carbônico (KOETZ ET AL, 1995) A utilização de biodigestores anaeróbios auxilia no
reaproveitamento dos resíduos provenientes das criações de animais, que não possuem
nenhum valor agregado, os transformando em biogás que pode ser utilizado de diversas
maneiras dentro da propriedade (GALBIATTI ET AL, 2010)
Devido à versatilidade do processo, o reator anaeróbio pode ser utilizado em grande
escala para suprir a demanda agroindustrial, e até em pequenas propriedades diminuindo os
custos na agricultura familiar. Assim como descrevem Luste et al (2009) que o processo
oferece diversas vantagens, como a minimização da carga orgânica dos efluentes lançados no
ambiente e da emissão de gases e seus materiais oriundos da degradação incontrolada, além
da produção de biogás, onde o teor de metano varia de 50 a 70%, que pode ser usado como
eletricidade, fonte de calor, combustível veicular entre outras aplicações.
15
2 OBJETIVOS
2.1 Geral
Esse trabalho tem como objetivo principal avaliar a produção de metano a partir de resíduos
de biotérios utilizando fluido ruminal como inóculo em reatores de batelada.
2.2 Específicos
Avaliar a influência de fluido ruminal como inóculo na produção de metano, nos
diferentes resíduos provenientes do biotério central;
Avaliar o potencial de produção de metano a partir dos resíduos gerados na criação de
animais de laboratório do biotério central/UFAL;
Determinar o resíduo de animais de laboratório com maior capacidade produtiva de
biogás;
16
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Matriz Energética Nacional
A matriz energética brasileira é composta basicamente por fontes renováveis, sendo
principalmente por hidroelétricas (figura 1), no entanto, ao longo do tempo as gerações
energéticas de fontes alternativas estão ganhando mais espaço.
Figura 1. Oferta interna brasileira de energia elétrica por fonte. Fonte: (BEN, 2015)
3.2 Biomassa como fonte de energia
De acordo com o balanço energético nacional brasileiro - BEN (2015), a biomassa
contribui em 7,3% para a oferta interna de energia elétrica no Brasil (figura 1), sendo inferior
somente ao gás natural (13%) e as fontes hidráulicas (65,2%).
Walker (2009) considera a biomassa como uma fonte renovável para a produção de
energia em escala suficiente para desempenhar relativa expressividade em programas de
energias renováveis e na criação e desenvolvimento de uma sociedade com maior consciência
ecológica. Define-se biomassa como, qualquer matéria orgânica que pode ser convertida em
energia mecânica, térmica ou elétrica (ANEEL, 2008).
A energia presente na biomassa pode ser transformada (através de processos de
conversão físicos, químicos e biológicos) em combustíveis líquidos, sólidos e gasosos. O
objetivo desta conversão é transformar um material carbonáceo de baixa eficiência energética
para uma eficiência economicamente viável. (AÇMA, 2003). Desta forma a energia da
17
biomassa nada mais é, do que a transformação de resíduos de origem animal e/ou vegetal em
energia elétrica ou calorífica.
Se comparada com as fontes energéticas de origem fóssil, a biomassa possui um ciclo
extremamente curto. Além do pequeno tempo necessário à sua produção, se avaliarmos a
biomassa de origem vegetal, durante a fotossíntese, no processo produtivo da biomassa, é
captado em geral quantidades superiores àquelas dos gases emitidos na queima para a
formação de mais matéria-prima. (MELLO, 2001) Características que, futuramente devem
reverter à tendência de troca de combustíveis, e a biomassa vão ocupar os espaços dos
combustíveis não renováveis.
Dependendo da origem, a biomassa pode ser classificada em: florestal (madeira,
principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar, entre outras) e rejeitos urbanos e
industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os derivados obtidos dependem tanto da
matéria-prima utilizada (cujo potencial energético varia de tipo para tipo) quanto da
tecnologia de processamento para obtenção dos energéticos.
Em muitos países o uso de fontes, como carvão vegetal, resíduos agrícolas sazonais,
resíduos florestais e esterco de animais, geralmente é ignorado, no entanto, esses resíduos
compõem cerca de 30 % a 40 % do fornecimento total de biomassa (WALKER, 2009)
3.3 Biomassa da Produção Animal
O Brasil possui um dos maiores rebanhos comercial do mundo, sejam esses criados
extensivamente ou confinados. Junto a essa grande população, os resíduos de origem animal
constituem-se em importante parcela da biomassa, e sua utilização em sistemas de reciclagem
mostra-se favorável sob aspectos econômicos e ambientais (JARDIM, 1977).
De acordo com a RDC nº 306/2004 os resíduos como: cadáveres, carcaças, peças
anatômicas, vísceras e outros resíduos provenientes de animais não submetidos a processos de
experimentação com inoculação de micro-organismos, bem como suas forrações utilizadas
devem sofrer tratamento prévio antes do descarte apropriado (ANVISA, 2004).
Segundo Orrico Jr et al (2010) as atividades agropecuárias no Brasil geram uma
grande quantidade de resíduos, e se esses forem bem manejados, podem se tornar uma fonte
de renda e agregação de valor à atividade, no entanto é necessária a adoção de tecnologias
adequadas para um bom aproveitamento desses resíduos.
18
Os resíduos agropecuários no Brasil resultariam em um potencial de produção de
metano de 66,3 milhões de m3/dia e os efluentes industriais em potencial de 12,7 milhões de
m3/dia (ZANETTE, 2009). Pois, o acréscimo de resíduos de origem animal ao processo de
biodigestão anaeróbia promove aumento na produção de biogás com relação ao uso de
resíduos de origem vegetal. No entanto essa potencial ainda está muito longe de ser atingido,
apesar das pesquisas que já foram e são realizadas.
Misi & Forster (2001) utilizaram digestores abastecidos com misturas à base de
dejetos de caprinos, ovinos e bovinos, resíduos do processamento de frutas e cama de frangos,
em diferentes proporções. Quando os dejetos de ovinos e caprinos atingiram o percentual de
70% da mistura, foi obtida uma produção total de 4.189,50 mL de CH4 .
Galbiatti et al (2010) observaram em digestores em batelada a produção total de
metano, utilizando esterco de aves com cama de capim napier (1328,5 m3 ), esterco bovino
(900,4 m3 ) e esterno suíno (381,4 m3 ).
Alvarez et al. (2006), que observaram um potencial de produção de metano de 131 L
kg/SV adicionado, quando se submeteu dejeto de bovino a um TRH de 50 dias.
Angonese et al (2006) obteve uma produção média diária de 31,5 m3, utilizando reator
tubular alimentados com dejetos de suínos. Feiden et al. (2004) obtiveram 0,298 m3 biogás /m3
sem agitação e 0,362 m3 biogás /m3 com agitação cinética no interior do reator.
Em estudo realizado para avaliar a digestão anaeróbia de cama de frango e carcaças de
frango em biodigestor com três condições de inoculação diferentes, foram obtidas as seguintes
produções de metano, 0,52 m3 , 0,57 m3 e 0,58 m3 (ORRICO JR. ET AL, 2010)
Fukuyama et al (2009) em experimento realizado com cama de frango de corte para a
produção de biogás obteve 0,325; 0,342; 0,326 e 0,418 m3 biogás/kg ST. Costa (2012)
observaram durante utilização de cama de frango diluída em água e em biofertilizante de
suíno, as seguintes produções 0,61 e 0,87 m3 biogás/kg, respectivamente.
3.4 Biotérios
De acordo com, a Resolução Normativa nº 03 do Conselho Nacional de Controle de
Experimentação Animal - CONCEA, de 14 de dezembro de 2011, define-se biotério como,
19
local onde s…o criados ou mantidos animais para serem usados em ensino ou pesquisa
cient•fica, que possua controle das condi„†es ambientais, nutricionais e sanit€rias (MCT,
2011).
Estruturalmente os biot‚rios s…o projetados para atender as necessidades individuais de
cada esp‚cie animal, o que proporciona aos animais condi„†es adequadas de bem estar e
permite que as respostas aos experimentos sejam mais fidedignas. Na composi„…o f•sica,
deve-se possuir basicamente, €rea administrativa, depƒsitos para estocagem de insumos, €rea
de higieniza„…o e esteriliza„…o, vesti€rios, banheiros para visitantes, salas de cria„…o, €rea de
quarentena e outras depend‡ncias a depender da esp‚cie mantida e da finalidade da unidade
de cria„…o (MOLINARO; MAJEROWICZ;VALLE, 2008)
Os biot‚rios s…o classificados de acordo com o status sanit€rio, status gen‚tico dos
animais criados e a sua finalidade. O padr…o sanit€rio dos animais e o zelo pela boa qualidade
da saŠde dos indiv•duos s…o essenciais para col‹nias mantidas em biot‚rios, assim como a
manuten„…o das condi„†es ambientais que impedem a entrada de agentes patog‡nicos
(MERUSSE; LAPICHIK, 1996)
Segundo (MOLINARO; MAJEROWICZ;VALLE, 2008), o padr…o sanit€rio dos
animais em um biot‚rio, podem ser classificados em:
Convencionais – Quando as condi„†es sanit€rias n…o s…o adequadas, onde a
estrutura f•sica n…o possua barreiras que impe„am o contato com
microorganismos. Nesse tipo de cria„…o n…o se conhece a flora microbiana dos
animais.
SPF – Os animais livres de germes patog‡nicos espec•ficos (specific pathogen
free – SPF), esses s…o mantidos em condi„†es que possibilitem a manuten„…o
e controle da microbiota presente nos animais, impedindo que agentes
patog‡nicos a esp‚cie entrem em contato com os indiv•duos.
Gnotobiƒticos – Os animais com essa classifica„…o devem ser mantidos em
equipamentos que impossibilitem qualquer contato com agentes bacterianos,
virais, fŠngicos e parasit€rios.
20
Quanto ao padrão genético, a classificação é realizada em dois grandes grupos: nãoconsanguíneos e consanguíneos. Os animais não-consanguíneos, heterogênicos ou outbred são
aqueles que apresentam constituição genética variada, em estado de heterozigose, o que deve
ser conhecido e mantido. Já os animais consaguíneos, isogênicos ou inbread apresentam
determinadas características hereditárias, essas devem ser monitoradas rigorosamente, e
mantidas por acasalamentos entre irmãos (MOLINARO ET AL, 2009).
Uma linhagem isogênica é produzida pelo cruzamento entre irmãos, por 20 ou mais
gerações. Exceto pela diferença sexual, os camundongos de uma mesma linhagem isogênica
são o mais semelhante geneticamente possível. A vantagem na sua utilização se traduz no fato
de que a padronização de linhagens reduz as possíveis variações em resultados experimentais,
no que se refere ao padrão genético (ANDERSEN ET AL., 2004)
Os animais heterogênicos são obtidos através de acasalamentos não consangüíneos,
que mantêm a variação genética relativamente constante, possibilitando a reprodução de
populações naturais (ANDERSEN ET AL, 2004; DOS SANTOS, 2006)
Segundo Cardoso (2002), quanto à finalidade dos animais que abrigam o biotério pode
ser classificado como biotério de criação, manutenção e experimentação. Biotérios de criação
abrigam os reprodutores de cada linhagem de animal, sendo os produtores e fornecedores dos
indivíduos para a experimentação. Os biotérios de manutenção realizam a manutenção dos
animais para fornecimento de sub-produtos, como os hemoderivados. Biotérios de
experimentação abrigam os animais fornecidos pelo biotério de criação para execução das
investigações biomédicas.
Qualquer vertebrado não humano pertencente ao filo Chordata, subfilo Vertebrata,
como disposto na Lei nº 11.794, de outubro de 2008, podem ser criados e mantidos nos
biotérios das instituições de ensino e pesquisa brasileiras (BRASIL, 2008).
Tendo em vista a necessidade do estabelecimento de modelos animais, como sendo
aquele que melhor responde ao experimento e possibilita a sua reprodução, de maneira que
qualquer pesquisador possa reproduzir e obter os mesmos resultados.
Apesar de diversas espécies de animais poderem ser mantidas nos centros de criações,
a escolha de modelos animais que possuam algumas características especificas em sua
21
fisiologia, s…o elas: prolificidade, docilidade, f€cil manejo, baixo custo de produ„…o, pequeno
porte, ciclo reprodutivo curto. Desta forma, as esp‚cies mais difundidas como modelos
animais nas pesquisas em todo o mundo s…o os ratos (Rattus rattus) e camundongos (Muss
musculus) (ANDRADE, 2002)
Os murinos nos biot‚rios de cria„…o e experimenta„…o podem ser mantidos em microambientes, estes sendo considerados como o ambiente f•sico imediatamente ao redor dos
animais. As gaiolas s…o a forma de conten„…o primaria desses roedores, dentro do macroambiente (sala de cria„…o ou experimenta„…o) essas gaiolas s…o dispostas em estantes e/ou
rack’s ventiladas, a segunda, sendo mais difundida tendo em vista as suas vantagens para a
sanidade dos animais, qualidade das pesquisas e diminui„…o de custos em longo prazo
(BAIALARDI, 2003).
Um ponto crucial no cuidado e tratamento de animais de laboratƒrio ‚ oferecer
acomoda„†es confort€veis nas €reas pertinentes, no que foi chamado de microambiente. Com
este conceito, configura-se a necessidade de uma estadia que permita que os animais cres„am,
atinjam a maturidade sexual, reproduzam, comportando-se normalmente e mantendo uma boa
saŠde (MORENO ET AL, 1983)
A temperatura, umidade, ventila„…o, taxa de troca de ar, luminosidade e ru•do s…o
alguns fatores que podem afetar a saŠde, o comportamento e o bem-estar dos animais. Al‚m
destes, outros fatores como a hidrata„…o, dieta, caracter•stica da gaiola e o tipo de “cama”
(material colocado no fundo da gaiola para absor„…o de excretas, forma„…o dos ninhos e
proporcionar conforto aos animais) (MAJEROWICZ, 2008)
Os animais s…o mantidos em gaiolas em que o piso ‚ coberto por uma camada de
maravalha (raspa de madeira picada), casca de arroz, baga„o de cana-de-a„Šcar desidratado
(COUTO, 2002) Pƒ do coco (Cocus nucifera) (FARIAS ET AL, 2005) Sabugo de milho
desidratado (FABRICIO ET AL, 2012)
Os biot‚rios assim como outras cria„†es animais, s…o grandes geradores de res•duos,
onde a cama dos animais que ‚ composta por uma variedade de substrato juntamente com as
fezes e urina s…o descartadas diariamente, possuindo um grande potencial gerador de energia.
22
Santos et al (2012) avaliaram o potencial energético para a produção de biogás com
resíduos sólidos de biotério, onde foram utilizados cinco reatores em batelada com os resíduos
de coelho, hamster, camundongo, cobaia e a mistura de todos, onde obteve-se os seguintes
potenciais de produção: 85,58 L/kg; 70,95 L/kg; 101,51 L/kg; 91,91 L/kg e 70,80L/kg,
respectivamente.
3.5 Fluido ruminal
O fluido ruminal ou suco ruminal é o conteúdo gástrico dos animais denominados
ruminantes. É empregado o termo ruminante a todos os herbívoros que realizam a ruminação,
processo que consiste na regurgitação e remastigação do alimento já ingerido e que se
encontra em partículas não digeríveis. As principais espécies domesticas de ruminantes são
bovina, ovina e caprina.
A composição do fluido ruminal é extremamente completa, sendo formada por uma
variada quantidade de microorganismos como: bactérias, fungos, protozoários, a maioria
destes são anaeróbios e ciliados. Esses microorganismos desempenham função essencial na
digestão destes animais, pois são responsáveis principalmente pelo processo fermentativo do
alimento ingerido (Kolb, 1974; TEXEIRA, 1991).
Através da ruminação os animais realizam a conversão de alimento em energia para
suprir as demandas biológicas do organismo, no entanto, ocorre também a produção de alguns
gases que são expelidos através da eructação.
Durante o processo de fermentação ruminal os microorganismos presente no fluido
ruminal degradam o alimento em compostos mais simples, por sua vez sofrem ação de outros
grupos microbianos produzindo alguns gases como hidrogênio, dióxido de carbono e metano.
A proporção desses gases está relacionada à espécie animal e ao tipo de alimento consumido e
a sua digestibilidade. (MOHAMMED ET AL., 2004; PEDREIRA, 2004 apud RIVERA ET
AL, 2010).
A produção de CH4 é parte do processo digestivo dos herbívoros ruminantes e ocorre
no rúmen. A fermentação que ocorre durante o metabolismo dos carboidratos do material
vegetal ingerido é um processo anaeróbio efetuado pela população microbiana ruminal, que
converte os carboidratos celulósicos em ácidos graxos de cadeia curta, principalmente ácidos
23
acético,
propiônico
e
butírico.
Nesse
processo
digestivo,
parte
do
carbono
é
concomitantemente transformada também em CO2 (PRIMAVESI ET AL, 2004).
Devido às características peculiares que o rúmen apresenta, tornando um ecossistema
anaeróbico propício para o desenvolvimento microbiano e produtor de gases principalmente o
metano, existem algumas pesquisas voltadas para a utilização da flora ruminal como inoculo
de reatores anaeróbios produtores de biogás.
Zeeuw & Lettinga (1983) e por Lucas JR. et al. (1987) apud (PRIMAVESI ET AL,
2004), concluíram que o uso de inoculo não somente antecipa o pico de produção de biogás
como também pode aumentar o potencial efetivo da biomassa.
Ratti et al (2013) produziu hidrogênio através da inoculação de fluido ruminal bovino
pré-tratado em celulose. Botta et al (2011) utilizou resíduos ligno-celulosicos para a produção
de hidrogênio, com inoculo de fluido ruminal e meio de cultura, obtendo uma produção
máxima de 1,75 x 10-2 mmol H2 /L.
Durante experimento utilizando como substrato três concentrações de papel 0,5, 2,0 e
4,0 g/L, e como inoculo fluido ruminal bovino pré-tratado com acido, foi observada um
rendimento de 42, 26,6 e 24 mmol H2 /g papel, respectivamente (BOTTA ET AL, 2012)
3.6 Digestão Anaeróbia
A digestão anaeróbia é um processo fermentativo, que através de flora bacteriana
mista complexa, degrada a matéria orgânica gerando gases como metano, dióxido de carbono,
água, amônia além de novas células bacterianas (MASSEY e POHLAND, 1978;
CHERNICHARO, 1997)
É um sistema ecologicamente delicado e balanceado, onde cada microrganismo tem
função especifica (CAMPOS ET AL, 2006) Este processo ocorre na ausência de oxigênio
molecular, onde se tem consórcios de diferentes tipos de microrganismos interagindo
estreitamente para promover a transformação de composto orgânico complexos, em simples
(STEIL, 2001).
A biodegradação anaeróbica é um processo complexo, pois envolve trocas recíprocas
de substratos e seus produtos, entre as fases solida, liquida e gasosa, sendo por isso
24
fundamental a exist‡ncia de uma rela„…o equilibrada e coordenada entre os diversos grupos
trƒficos bacterianos (ALVES e OLIVEIRA, 2003)
O tratamento de res•duos com digest…o anaerƒbia se torna especifico devido a suas
caracter•sticas de diminui„…o da carga org•nica de seus afluentes, a elimina„…o de
microorganismos patog‡nicos, o custo relativamente baixo, de f€cil implanta„…o e opera„…o e
a produ„…o de energia limpa e renov€vel, o que agrega valor ao processo (LEITE ET AL.,
2003; BROJA e BANKS, 1996)
Os digestores anaerƒbios t‡m sido amplamente utilizados para o tratamento de
res•duos sƒlidos, como: culturas agr•colas, dejetos de animais, lodos de ETE’s e lixo urbano,
assim como em no tratamento de efluentes de agroindŠstrias. Segundo Crespo (2013) os
res•duos como lamas de esgoto, excrementos, res•duos de culturas agr•colas, res•duos de
frutas e legumes e res•duos sƒlidos urbanos s…o de especial interesse uma vez que estas fontes
n…o competem com as culturas alimentares no uso de terras agr•colas.
As etapas do processo anaerƒbio s…o divididas em quatro fases (Figura 2): hidrƒlise,
acidog‡nese, acetog‡nese, metanog‡nese e/ou Sulfetog‡nese, onde cada etapa possui grupos
de microorganismos com fun„†es especificas que geram produtos atrav‚s da degrada„…o da
mat‚ria org•nica (CHERNICHARO, 1997), esses produtos se acumulam temporariamente,
pela rela„…o sin‚rgica que os microorganismos possuem entre eles, pois o produto de um
serve de substrato para outros numa prƒxima fase, em uma rea„…o em cadeia (BACKES,
2011)
3.6.1.1 Hidrólise
Na primeira etapa do processo de degrada„…o, ocorre a hidrolise de materiais
particulados complexos, em materiais dissolvidos mais simples, isso ocorre devido ” a„…o de
exo-enzimas secretadas pelas bact‚rias fermentativas (BRAUNA, 2012). Nesta fase os
carboidratos, prote•nas e lip•deos, ser…o convertidos em a„ucares, amino€cidos e pept•deos,
respectivamente.
As bact‚rias que hidrolisam a mat‚ria org•nica nessa primeira fase s…o facultativas e
anaerƒbias estritas (AIRES, 2009) A velocidade da hidrƒlise ‚ o fator limitante para o
processo de digest…o anaerƒbia, e consequente a produ„…o do biog€s (BARCELOS, 2009).
25
Segundo Batstone et al. (2000) a taxa global de hidrólise do material orgânico depende
do tamanho e forma do particulado, concentração da biomassa, superfície de contato e
produção de enzimas.
3.6.1.2 Acidogênese
Na fase acidogênica, as bactérias fermentativas absorvem os produtos gerados durante
a hidrólise, onde serão produzidas substâncias orgânicas simples como: ácidos orgânicos,
(CRESPO, 2013) alcoóis, cetonas, dióxido de carbono e hidrogênio, além de novas células
bacterianas (CHERNICHARO, 1997; ANGELIDAKI, 2003).
A maioria dos carboidratos é degrada rapidamente, servindo de excelente fonte
energética para o processo. Essa degradação fácil desses elementos, no entanto pode favorecer
ao acumulo dos produtos da fase acidogênica, diminuindo o pH, e causando assim uma
falência do processo (BRAUNA, 2012)
A microbiota que atua nesta etapa é a que mais se beneficia energeticamente, e seus
produtos servem de substrato para as bactérias acetogênicas e as arqueas metanogênicas.
3.6.1.3 Acetogênese
Durante essa etapa, as bactérias sintróficas acetogênicas oxidam os compostos
orgânicos intermediários, em substrato apropriado para as arques metanogênicas, como:
acetato, hidrogênio e dióxido de carbono. O substrato é 70% destinado a produção de acetato,
e 30% para a conversão em hidrogênio.
3.6.1.4 Metanogênese
Os
microorganismos
produtores
de
metano
são
denominados
de
árqueas
metanogênicas, pertencentes ao domínio Archea. São divididos em dois grupos, de acordo
com a afinidade de substrato e capacidade de produção de metano; as acetoclásticas que só
utilizam o acetato para a produção de metano e monóxido de carbono, sendo responsável por
70% da produção total. Já as hidrogenotróficas convertem hidrogênio e dióxido de carbono,
em metano e água (CHERNICHARO, 1997).
26
Figura 2. Processo de digestão anaeróbia. Fonte: CHERNICHARO (1997)
O processo metanogênico remove acetato, e o hidrogênio do sistema, exercendo,
portanto uma forte influência sobre a acidogênese e acetogênese (SCHINK, 2002)
Ecologicamente as arqueas exercem um papel fundamental no ambiente anaeróbio,
pois elas removem o hidrogênio e os produtos das bactérias fermentativas das fases anteriores.
3.6.1.5 Sulfetogênese
A existência desta fase está diretamente ligada a composição química do substrato, ou
seja, a presença de sulfato no meio. Bactérias que atuam nesta fase são denominadas de
sulforedutoras, essas são importantes no processo de digestão anaeróbio principalmente pelo
seu principal produto, o sulfeto de hidrogênio composto que é inibidor para as arques
metanogênicas. Esses microrganismos possuem a capacidade de utilizar muitos substratos,
como: ácidos orgânicos, alcoóis, glicerol, açúcares, aminoácidos, hidrogênio e outros,
tornando-os competidores por substratos comuns com as arqueas metanogênicas.
27
3.6.2 Elementos ambientas que interferem na digestão anaeróbia
Diversos fatores afetam o desempenho do reator durante a digest…o. Dentre os fatores
ambientais se destacam o pH, a temperatura e os nutrientes no meio.
3.6.2.1 pH
Tanto a acidez quanto a alcalinidade s…o fatores importantes para a digest…o anaerƒbia.
A alcalinidade deve estar sempre em equil•brio com os €cidos org•nicos no sistema, pois
normalmente a inibi„…o do sistema por esses €cidos est€ vinculada ao pH ( CAMPOS ET AL,
2009)
As bact‚rias que realizam as quatro fases da digest…o, possuem exig‡ncias individuais
quanto ao pH. O pH ideal para as hidrƒliticas e fermentativas varia de 4,5 – 6,3. Por outro
lado as arqueas metanog‡nicas necessitam de um pH entre 6,5 – 8,0 (BACKES, 2011) No
entanto o pH pode sofrer altera„†es durante o processo de digest…o, devido aos metabolitos
que se acumulam no sistema fazendo com que o meio fique mais €cido ou alcalino (CAMPOS
ET AL, 2006)
Por‚m a alcalinidade deve ser suficiente para regular o pH entre 6,6 e 7,6. Pois valores
baixos de pH indicam o acumulo de €cidos graxos vol€teis, o que inibe a metanog‡nese. J€ os
valores superiores a 8,0 podem favorecer a forma„…o de am‹nia, que ‚ tƒxica a comunidade
microbiana nas concentra„†es acima de 150 mg de NH3 /L (CHERNICHARO, 1997)
3.6.2.2 Temperatura
A temperatura ‚ um dos principais fatores ambientais que afetam o processo de
digest…o anaerƒbia, uma vez que afeta os processos biolƒgicos da diferentes maneiras.
(CHERNICHARO ET AL, 1999) As bact‚rias envolvidas podem ser divididas de acordo com
a faixa ƒtima de temperatura: bact‚rias criof•licas, que atuam a temperaturas inferiores a
20•C, bact‚rias mesof•licas, a temperaturas entre 30 e 40•C e bact‚rias termof•licas, entre 45 e
60•C (CASTRO e CORTEZ, 1998)
Os microorganismos metanog‡nicos s…o inativados a altas e baixas temperaturas.
Quando o ambiente est€ com temperatura abaixo de 10ˆC, a produ„…o de g€s fica bastante
28
reduzida. Duas temperaturas fornecem ƒtima condi„…o de digest…o: mesof•lica: 30 a 40 ˆC e
termof•lica: 50-60ˆC (PICAN–O, 2004).
Chae et al (2008) relata que a melhor faixa de produ„…o para metano ‚ entre 25 –
35ˆC, quanto maior a temperatura melhor ‚ o rendimento de metano, no entanto esse aumento
na produ„…o n…o acompanha o aumento da temperatura de forma linear.
Dependendo da efici‡ncia do processo, alguns fatores como press…o e temperatura
durante a opera„…o do reator, afetar€ a composi„…o do biog€s que pode variar entre 40% e
80% de metano (COSTA, 2012).
3.6.2.3 Nutrientes no substrato
A produ„…o de metano a partir substratos org•nicos depende principalmente do
conteŠdo de nutrientes (prote•na crua, gordura crua, fibra crua, extratos livres de N), que
podem ser degradados a CH4 e CO2 . O conteŠdo desses nutrientes determina a
degradabilidade e, por isso, o ganho de metano que pode ser produzido por digest…o anaerƒbia
(AMON et al., 2007)
Na co-digest…o de vegetais e esterco animal, os dejetos executam o tamponamento e
fornecem uma grande variedade de nutrientes, e o material vegetal contribui com o alto
conteŠdo de carbono balanceando a rela„…o carbono/nitrog‡nio (C/N) do substrato, assim
diminuindo o risco de inibi„…o por gera„…o de am‹nia (Angelidaki et al., 1993).
29
4 METODOLOGIA
O trabalho experimental constituiu na investiga„…o do potencial de aplica„…o dos
res•duos de animais de laboratƒrio inoculados com fluido ruminal para a produ„…o de metano,
utilizando-se reatores em escala de bancada. O sistema experimental foi instalado nas
depend‡ncias do laboratƒrio de hidr€ulica do centro de tecnologia da Universidade Federal de
Alagoas – CTEC/UFAL.
O experimento foi iniciado no dia 17 de outubro de 2014 e finalizando em 17 de
dezembro de 2014, perfazendo 60 dias de monitoramento da produ„…o de metano durante a
opera„…o reacional, semelhante ao realizado por Sagula (2012); Fukayama et al (2009) e ElMashad et al (2003). As etapas do fluxo experimental podem ser observadas na figura 3.
Figura 3. Fluxo das etapas experimentais. Fonte: Dados da pesquisa
Etapas Experimentais
Bancada Experimental
Planejamento e montagem do sistema de aquecimento continuo dos reatores.
Meio Nutricional
Preparo do meio nutricional utilizado na montagem dos reatores
Meio Reacional
Coleta do inoculo e res•duos para preparo do meio reacional e posterior
caracteriza„…o.
Reatores
Montagem e partida dos reatores
Experimento
Acompanhamento da evolu„…o experimental e mensura„…o do biog€s produzido
Analises Finais
Desmontagem dos sistemas reacionais e realiza„…o das analises
Analise Estatística
Tabula„…o dos dados e aplica„…o do teste estat•stico
30
4.1 Bancada Experimental
Como forma de controle dos fatores ambientais envolvidos no processo de digestão
anaeróbia, desenvolveu-se um sistema de aquecimento para a manutenção dos reatores
durante toda execução do experimento. A Figura 4 apresenta a vista frontal da bancada
experimental, com o detalhe para o sistema de controle de temperatura.
Figura 4. Bancada Experimental. Vista Anterior. Fonte: Dados da pesquisa
Foi utilizado uma caixa de isopor com capacidade de 120 L, como leito para acomodar
os reatores. Nas duas bases das laterais menores da caixa, foi instalado um flange de 25 mm,
para servir de entrada e saída da recirculação de água (Figura 5). O interior da caixa foi
impermeabilizado com manta liquida de base acrílica para evitar possíveis pontos de
vazamento (Figura 7).
Utilizou-se como reservatório de reabastecimento, um tambor de PVC com capacidade
de 50L em nível inferior, para que a água retornasse do leito por gravidade. O aquecimento da
água foi feito com a instalação do ebulidor mergulhão Ref. LU 1000W e a recirculação da
31
água do leito foi executada por uma bomba submersa Resun Flow-1000 com vazão de
1000L/h (Figura 6).
A manutenção do nível da água no reservatório devido à evaporação foi realizada
através de uma bóia de nível instalada e ligada a rede de abastecimento de água da UFAL
(Figura 6).
Figura 5. Bancada Experimental. Vistas Laterais. Fonte: Dados da pesquisa
A resistência foi controlada com a utilização do medidor e controlador de temperatura
MT-512Ri da FullGalse, onde se obteve o monitoramento e manutenção da temperatura em ±
35º através de sensor instalado dentro do leito de manutenção dos reatores, além de um
termômetro de mercúrio Incoterm (-5ºC a 320ºC).
Figura 6. Sistema de aquecimento e recirculação de água para a bancada experimental. Fonte: Dados da
pesquisa
Fonte: Dados da Pesquisa
32
O funcionamento do sistema ocorreu semelhante a um banho-maria laboratorial, ou
seja, a água era aquecida no reservatório de PVC e a bomba submersa fazia a recirculação da
água no leito da caixa de isopor onde se encontravam os reatores.
Figura 7. Leito experimental com sensor do termostato e termômetro Incoterm.
Fonte: Dados da Pesquisa
4.2 Meio Nutricional
Foi utilizado para o crescimento da biomassa fermentativa o meio de cultura Del Nery
(1987), de acordo com o descrito por Maintinguer et al. (2011) e Botta et al. (2013).
composição detalhada, utilizado para 1L de solução reacional está demonstrada no quadro 1.
Tabela 1. Composição meio Del Nery (1987).
Composto
CH4 N2 O
NiSO4 .6H2 O
FeSO4 .7H2 O
FeCl3 .6H2 O
CoCl2 .2H2 O
CaCl2.6H2 O
SeO2 0.0108
KH2 PO4
KHPO4
Na2 HPO4 .2H2 O
Concentração (mg.L-1 )
40
0,5
2,5
0,25
0,04
0,6
0,014
5,36
1,3
2,76
A
33
Os compostos foram preparados separadamente para minimizar a possibilidade de
ocorr‡ncias de rea„†es entres os elementos, sendo homogeneizados somente no momento da
montagem do reator.
4.3 Fluido Ruminal
O fluido ruminal bovino utilizado como inoculo. O inƒculo foi coletado no matadouro
municipal da cidade de Vi„osa, zona da mata do estado de Alagoas. A coleta foi realizada
logo apƒs o abate dos animais, onde se retirou do interior do rŠmen bovino, somente a por„…o
liquida (fluido ruminal) do conteŠdo (Figura 8), para isso, foi realizada uma filtra„…o com
peneira de nylon para reter as fra„†es sƒlidas presentes na ingesta.
Optou-se por coletar amostras de mais de um animal, para minimizar a probabilidade
de fluidos com floras comprometidas. Logo apƒs a coleta, o fluido foi armazenado em
garrafas e em caixas t‚rmicas, sendo transportado para o laboratƒrio de saneamento ambiental
– LSA/CTEC/UFAL.
N…o foi realizado nenhum pr‚-tratamento no inoculo, a prepara„…o do meio reacional
ocorreu logo apƒs a coleta, na tentativa de minimizar as perdas da microbiota contida no
inoculo. A concentra„…o do inoculo foi mantida em 8% para o volume reacional total, no
momento da montagem.
Figura 8. ConteŠdo g€strico (fluido ruminal) utilizado como inoculo nos ensaios de batelada.
34
4.4 Resíduos de Biotério
Os res•duos utilizados no experimento foram provenientes do biot‚rio central da
Universidade Federal de Alagoas – BIOCEN/UFAL (Figura 9), onde s…o criados e mantidos
animais de laboratƒrio (Ratos e Camundongos) para fins cient•ficos e did€ticos. Os tr‡s tipos
de res•duos produzidos pelo setor de cria„…o animais, durante a rotina de funcionamento do
biot‚rio central foram os descritos detalhadamente na Tabela 2.
Tabela 2. Composi„…o dos res•duos de biot‚rio.
Resíduos de biotério
Composição
A
B
C
Dejetos de Animais
Dejetos de Animais
Dejetos de Animais
+
+
+
Maravalha de pinus
Sabugo de milho
Baga„o de cana-de-a„Šcar
Fonte: Dados da pesquisa
Os tr‡s res•duos foram coletados em becker’s, acondicionados em caixa t‚rmica e
transportado para o laboratƒrio de saneamento ambiental – CTEC/UFAL, onde foram
caracterizados conforme demonstrado na Tabela 3.
Figura 9. Res•duos utilizados no processo de digest…o anaerƒbia. (A) Maravalha de pinus + dejetos de animais
de laboratƒrio; (B) Maravalha de sabugo de milho + dejetos de animais de laboratƒrio; (C) Maravalha de baga„o
de cana-de-a„Šcar + dejetos de animais de laboratƒrio.
Fonte: Dados da pesquisa
35
Tabela 3. Caracterização dos resíduos de biotério.
Resíduos
pH
DQO
Maravalha Pinus + DAL 8,92 14978,1
ST
STV
SF
61222,00 55844,00 5378,00
Sabugo de milho + DAL
8,80 14518,05 39042,00 34586,00 4456,00
Bagaço de cana + DAL
8,70 12677,85 65648,00 57526,00 8122,00
Fonte: Dados da pesquisa
Devido à característica solida dos resíduos de biotério, foi utilizado triturador para
reduzir o tamanho das partículas (Kaparaju et al, 2002) mantendo uma concentração de 10%
de sólidos totais na solução. O material foi triturado até obter-se a consistência mais
homogenia possível (Figura 10).
Figura 10. Resíduo de maravalha de cana-de-açúcar + dejetos de animais de laboratório, após trituração para
preparo dos reatores.
Fonte: Dados da pesquisa
4.5 Reatores
O ensaio experimental foi conduzido em triplicata, em 12 reatores de fluxo hidráulico
descontinuo. Um biodigestor de fluxo hidráulico descontínuo, ou tipo batelada, se caracteriza
por: alimentação descontínua, isto é, ela é feita apenas uma vez, no início do processo, depois
ele ficou sem receber novo substrato até a biodigestão se completar.
Como biodigestores, foram utilizados frascos Duran® com 2000 mL de volume total
(Figura 11), sendo 1000 mL reacional, e 1000 mL destinado ao headspace. Os francos foram
hermeticamente fechados rolha de borracha de butila e tampa plástica, o que impossibilita o
vazamento dos gases produzidos.
36
Figura 11. Frasco de Duran 2L, utilizados como reatores em batelada. Fonte: Dados da pesquisa
Todos os reatores foram mantidos imersos em €gua a —36ˆC no leito da bancada
experimental, na Figura 12, est€ detalhado o desenho experimental dos reatores. A
anaerobiose foi estabelecida pela substitui„…o de todo o ar atmosf‚rico presente no headspace
dos frascos, pelo borbulhamento de nitrog‡nio nos frascos.
O carregamento dos substratos nos reatores est€ descrito na Figura 12.
Figura 12. Desenho experimental da triplicata dos reatores anaerƒbios com seus respectivos substratos.
Reatores
Substrato
Inoculo
Meio Nutricional
Água Destilada
-
8% (80 mL)
92 mL
828 mL
8% (80 mL)
92 mL
728 mL
R1.3
Maravalha de
Pinus + DAL*10%
(100g)
R2.1
Maravalha de
R2.2
Sabugo de milho +
8% (80 mL)
92 mL
728 mL
8% (80 mL)
92 mL
728 mL
B1
B2
B3
R1.1
R1.2
*
R2.3
DAL 10% (100g)
R3.1
Maravalha de
R3.2
Bagaço de Cana +
R3.3
*
DAL 10% (100g)
Fonte: Dados da pesquisa
*DAL – Dejetos de Animais de Laboratƒrio
37
4.6 Análises
Os gases foram determinados e mensurados atrav‚s de cromatografia gasosa, de
acordo com a metodologia proposta por Maintinguer et al. (2008). J€ as amostras da fase
l•quida ser…o quantificados os €cidos graxos vol€teis por cromatografia gasosa, e a DQO,
sƒlidos totais, sƒlidos vol€teis, pH e alcalinidade pelo Standard Methods (APHA, 1999).
4.6.1 Cromatografia Gasosa (MAINTINGUER ET AL, 2008)
4.6.1.1 Determinação do Biogás
As coletas e mensura„…o dos gases se iniciaram 24 horas apƒs a montagem e partida
dos biodigestores. A determina„…o da produ„…o de metano e composi„…o do biog€s foi
efetuada com inje„…o manual por meio da retirada de 100˜L de amostra da fase gasosa
(headspace), utilizando seringa “gastight” com trava. Foi utilizado cromatƒgrafo a g€s,
Shimadzu GC-2010-Plus, equipado com detector de condutividade t‚rmica. A coluna
utilizada ser€ a Supelco Carboxen 1010 Plot (30 m de comprimento e di•metro interno de
0,53 mm) e detector de condutividade t‚rmica. As condi„†es cromatogr€ficas foram:
- G€s de arraste: Arg‹nio sob fluxo de 21,9 cm. s-1 ;
- Temperaturas do forno: 30 ˆC:
- Temperatura da coluna: 200 ˆC e
- Temperatura do detector: 230 ˆC.
4.6.1.2 Determinação de Ácidos e Alcoóis
A determina„…o de €cidos org•nicos realizada pela extra„…o com ‚ter foi feita com
inje„…o manual por meio da retirada de 1˜L de amostra da fase et‚rea, e a extra„…o dos
alcoƒis foi feita com inje„…o manual por meio da retirada de 400˜L de amostra do headspace,
utilizando seringa “gastight” com trava. Foi utilizado cromatƒgrafo a g€s, Shimadzu GC2010-Plus, equipado com detector de ioniza„…o de chama. A coluna utilizada foi a HP –
INNOWAX (30m de comprimento, di•metro interno de 0,25nm e 0,25 de espessura de filme).
As condi„†es cromatogr€ficas foram:
- Temperatura de injetor: 250 ˆC, raz…o do split=1.
38
- Temperatura do formo: 35 ºC (0`) 10 ºC/min. 75 ºC (0`) 35 ºC/min. 120 ºC (1`) 10
ºC/min. 170 (2`). Gás de arraste: hidrogênio
- Temperatura do detector: 280 ºC, gás auxiliar (N2 ): 30 mL. min-1 ; ar sintético: 300
mL. min.-1 e hidrogênio: 30 mL. min.-1
4.6.2 Curvas de determina€•o do metano, di‚xido de carbono e hidrogƒnio
A curva de calibração do metano foi estabelecida para que as áreas obtidas no
cromatograma fossem convertidas para valores de massa de gás (moles CH4 ). Para tanto,
foram injetados diferentes volumes (0,025 a 0,15 mL) de metano com pureza de 99,9%, e por
meio da equação geral dos gases (PV=nRT) encontrou-se a concentração em moles de metano
para cada volume injetado.
Desta forma, pôde-se estabelecer uma relação entre área cromatográfica e quantidade
de metano. A partir desses dados, traçou-se um gráfico de áreas de metano em função da
quantidade de metano em moles. Ajustando-se esses pontos pelo método da regressão linear,
obteve-se uma equação da reta (y=ax+b), que foi utilizada para a conversão dos dados.
Para este trabalho determinou-se a reta padrão do metano e do dióxido de carbono
(Anexo 3), a partir de 6 volumes fixos onde foram injetados em triplicata e a média dos
valores, utilizou-se para compor a reta padrão, dando origem a equação da reta descritas
abaixo, conforme demonstradas no anexo 3 para o metano, dióxido de carbono e hidrogênio,
respectivamente:
Equa€•o 1 – Equação da reta para concentração x área cromatográfica de CH4
Conc. CH4 (mol) = 2,2630569x10-12 área cromatográfica + 2,7372862x10 -07
R² = 0,99894783
Equa€•o 2 – Equação da reta para concentração x área cromatográfica de CO2
Conc. CO2 (mol) = 8,2983807x10-12 área cromatográfica + 2,8420608x10-07
R² = 0,99809042
39
Equa€•o 3 – Equação da reta para concentração x área cromatográfica de H2
Conc. H2 (mol) = 6,8252295x10-13 área cromatográfica + 2,4811339x10 -07
R² = 0,99496395
4.6.3 Calculo para determinaۥo do metano
Para o calculo da determinação da produção de metano foi aplicado o mesmo método
que o utilizado por Lapa (2006), Oliveira (1997) e Steil (2007). Sendo obtidos seguindo os
passos descritos a seguir:
a) As áreas do metano foram convertidas utilizando a equação padrão da reta em Mol de
CH4 ;
b) Foram acumuladas as concentrações de metano da seguinte forma:
- No tempo 0, a concentração de metano era aquela obtida no headspace do frasco
nesse tempo;
- No tempo 1, a concentração de metano era aquela obtida no headspace do frasco
nesse tempo, mais a concentração de metano obtida no tempo anterior (zero);
- No tempo 2, a concentração de metano era aquela obtida no headspace do frasco
nesse tempo; mais a concentração de metano obtida no tempo 0, e no tempo 1. E assim
sucessivamente;
c) Os valores de metano obtidos na amostra de 0,01 mL sacada dos reatores foram
convertidos para o headspace de cada frasco através da seguinte equação:
Equa€•o 4 – Equação de conversão do volume da amostra para o headspace
[CH4] no headspace (mol) = [CH4] na amostra * volume do headspace
Volume de amostragem (0,001mL)
Onde:
40
[CH4 ] no headspace (mmol) = Quantitativo de metano no headspace
[CH4 ] na amostra = Quantidade de metano na amostra injetada no cromatográfo
Volume do headspace = Volume total do headspace do reator
Volume de amostragem = Volume sacado no reator e injetado no cromatográfo
d) Os volumes acumulados de metano nos headspace em mol/L, foram convertidos em
LCH4 /L através da equação abaixo:
Equa€•o 5 – Equação geral dos gases
PV =nRT
Onde:
P = 696,7 mmHg
V = Volume a ser convertido
n = Número de mol do gás
R = 62,3 mmHg
T = 237 + 35ºC
e) Para ajuste dos dados experimentais, foram aplicadas às sigmóides de Boltzmann e
Gompertz através do Software OriginPro 8. Tomando-se a menor soma dos quadrados
dos resíduos como critério de decisão na escolha do melhor ajuste, optou-se pela
realização da sigmóide de Boltzmann (Tabela 4), sendo ajustado pela equação abaixo,
conforme curva de exemplo:
Equa€•o 6 – Equação do ajuste linear de Boltzmann
41
Tabela 4. Soma dos resíduos quadrados dos ajustes não-lineares.
Soma dos Resíduos quadrados
Desvio
Reatores Boltzmann Gompertz
Padrão
B
0,6538
1,0156
0,2558
R1
1,2029
1,7080
0,3571
R2
0,0004
0,0006
0,0001
R3
0,5751
0,7061
0,0926
Fonte: Dados da pesquisa
f) A sigmóide ajustada foi posteriormente derivada, numericamente, com o mesmo
software, a fim de se determinar as velocidades máximas de formação do metano.
g) Utilizou-se como valor da biomassa a média do teor de STV determinado no inicio do
ensaio, a fim de observar o comportamento da produção de metano em função do
conteúdo de STV;
h) A avaliação da AME, em CH4 L /gSVTd, é feita determinando-se a razão entre a taxa
máxima de produção de metano, em CH4 L /d, e a quantidade inicial de biomassa, em
gSVT, presente no frasco de reação.
4.6.4 Demanda Química de Oxigênio - DQO (APHA, 1999)
A analise foi precedida do preparo da diluição da amostra na concentração de 1:50, em
balão volumétrico de 50 mL foi adicionado 1 mL de amostra bruta e completado com água
destilada até o menisco. Em um tubo de DQO previamente lavado, foi adicionado com pipeta
automática de volume variável 1,5 mL da solução de digestão (dicromato de potássio e sulfato
de mercúrio) e 3,5 mL da solução de ácido sulfúrico e sulfato de prata. Adicionou-se 2 mL da
amostra diluída previamente, os tubos foram fechados e agitados.
Com o digestor aquecido a 150ºC, os tubos foram incubados por 120 minutos, quando
findo esse tempo, resfriaram-se os tubos no escuro. A leitura foi realizada através de
espectrofotometria em absorbância com 620 nm de comprimento de onda.
4.6.5 Sólidos Totais - ST (APHA, 1999)
Para determinação dos sólidos totais, foi mensurado o peso (P0 ) da cápsula de
porcelana após sair da mufla a 550ºC por 1 hora, seguida por esfriamento em dessecador e
42
pesadas. Em seguida, foi Transferida para a c€psula 50 mL da amostra bruta, medidos em
proveta de 100 mL e colocado em estufa a temperatura de 103-105ˆC durante
aproximadamente 24 horas. Retirada da estufa foram colocadas em dessecador at‚ esfriarem e
a c€psula foi novamente pesada, obteve-se assim o peso seco (P1 ), sendo determinados pela
equa„…o 7.
Equa€•o 7 – Equa„…o para calculo da concentra„…o dos ST
ST mg = (P1 – P0 ).106
L
Vamostra
4.6.6 S‚lidos Totais Vol…teis - STV (APHA, 1999)
Na determina„…o dos sƒlidos totais vol€teis a c€psula retirada da estufa e pesada, foi
submetida ” calcina„…o em mufla a 550ˆC por 1 hora, sendo retiradas em seguida da mufla,
esfriadas em dessecador e pesadas em balan„a de precis…o, obtendo-se assim o peso (P2),
sendo calculados pela equa„…o 8 abaixo:
Equa€•o 8 – Equa„…o para calculo da concentra„…o dos STV
STV mg = (P1 – P2).106
L
Vamostra
4.6.7 S‚lidos Totais Fixos - STF (APHA, 1999)
Os sƒlidos totais fixos s…o a por„…o do res•duo que resta apƒs a calcina„…o a 550ˆC por
1 hora, e foram calculados pela equa„…o 9 abaixo:
Equa€•o 9 – Equa„…o para calculo da concentra„…o dos STF
STF mg = (P2 – P0 ).10 6
L
Vamostra
43
4.6.8 Frequência das análises
Na tabela 5, estão dispostas as analises realizadas, assim como a freqüências e suas
respectivas referências.
Tabela 5. Frequência de realização das análises
Análise
pH
Ácidos orgânicos e Alcoóis
Conteúdo do biogás (CH4 , CO2 , H2 )
DQO
Sólidos Totais (ST), Sólidos voláteis
totais (SVT) e Sólidos fixos
Fonte: Dados da pesquisa
Frequência
Inicial e Final
Inicial e Final
Diária
Inicial e Final
Referência
APHA (1999)
Maintinger et al (2008)
Maintinger et al (2008)
APHA (1999)
Inicial e Final
APHA (1999)
44
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesse item serão apresentados os resultados obtidos durante a execução do presente
estudo, os quais estão incluídos as análises físico-químicas do inicio e final do experimento, a
caracterização dos ácidos orgânicos e alcoóis do momento da partida e finalização reacional e
a quantificação e qualificação do biogás produzido.
Todos os dados apresentados foram formados a partir da média realizada proveniente
da triplicata dos reatores em batelada, no entanto, para minimizar as possibilidades de erros
experimentais, descartaram-se durante a confecção das médias aritméticas os reatores que
apresentaram qualquer divergência no transcorrer do monitoramento da produção dos gases e
das analises físico-químicas.
5.1 Análises físico-químicas
Durante a montagem dos reatores anaeróbios, não foi realizada a padronização do
potencial hidrogeniônico dos substratos no momento da partida reacional, pois tendo em vista
que todos os valores se mantiveram dentro da faixa ideal para as arqueas metanogênicas
(Tabela 6), conforme descrito por Xavier (2009) as bactérias acidogênicas têm crescimento
rápido e pH ótimo de 5,2 a 6,5 ao passo que as metanogênicas crescem mais lentamente,
como as acetogênicas, e o seu pH ótimo é de 7,5 a 8,5.
Na figura 13, pode-se observar a diferença do pH no momento inicial do experimento
e na desmontagem dos reatores. Os reatores R2 e R3 foram os que apresentaram as maiores
reduções do potencial, apesar do R3 ser o segundo que possuía o maior valor de pH no inicio
do período experimental.
Figura 13. Evolução do potencial hidrogeniônico (pH) dos reatores anaeróbios.
Inicial
Final
10,0
9,5
9,0
8,5
8,0
pH
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
B
R1
R2
Reatores
Fonte: Dados da pesquisa
R3
45
Distintamente do observado no reator R1, onde houve diminuição no valor, no entanto
se mantendo na neutralidade. Diversos fatores podem ter contribuído para a acidificação do
meio reacional, esses fatores estão correlacionados posteriormente.
Tabela 6. Resultados da avaliação físico-química nos substratos dos reatores no momento de partida reacional e
finalização experimental.
Reatores
pH
Inicial
R2
R3
7,32
8,93
7,70
8,88
(mg/L)
5268,65 12948,05 36387,62 15730,83
ST
(mg/L)
3928,00 60980,00 96295,00 60394,67
(mg/L)
2512,67 49109,00 74829,00 46620,67
%
63,97
(mg/L)
1415,33 11871,00 21466,00 13774,00
%
36,03
19,47
22,29
22,81
7,15
7,20
4,97
5,01
STF
pH
80,53
77,71
77,19
DQO
(mg/L)
1669,76 11703,82 16988,43 12198,84
ST
(mg/L)
2724,00 14949,33 20258,00 30330,00
(mg/L)
1283,33 11026,00 16237,33 22410,00
%
47,11
(mg/L)
%
STV
Final
R1
DQO
STV
STF
DQO
Eficiência
B
ST
STV
STF
%
73,76
80,15
73,89
1369,67 3923,33
4020,67
7920,00
52,89
26,24
19,85
26,11
68,31
9,61
53,31
22,45
30,65
75,48
78,96
49,78
48,93
77,55
78,30
51,93
3,23
66,95
81,27
42,50
Fonte: Dados da pesquisa
Conforme pode ser observado na figura 14 e os dados expressos na tabela 6, o reator
R1 apresentou a menor taxa de redução da DQO 9,61%, seguido do reator R3 com redução de
22,45%. Muito inferior ao encontrado por Leite et al (2004), que utilizou resíduos sólidos
46
vegetais e esgoto sanitário (80/20%), com a DQO inicial de 32.740 mg/L e DQOfinal 10.555
mg/L obtendo redução ao final do ensaio com variação de 50 - 94%.
Semelhante ao constatado no reator B e R2, que foram os que reduziram o maior
quantitativo de DQO, 68,31 e 53,31%, respectivamente. Proporcionalmente abaixo do ensaio
com dejetos bruto de suinocultura, realizado por Angonese et al (2006), que observou redução
de 77% no valor da demanda química de oxigênio - DQO que iniciou com 49.953 mg/L e foi
reduzida para 11.240 mg/L.
Na tabela 6, estão também dispostos os valores dos Sólidos totais (ST), Sólidos totais
voláteis (STV), Sólidos totais fixos (STF) para o momento da partida (carga inicial) e
finalização dos reatores em massa e porcentagem da redução durante o processo.
Observa-se que o reator R2 carregado com substrato de sabugo de milho + dejetos de
animais de laboratório, apresentou a maior redução de sólidos totais (ST) e totais voláteis
(STV) com respectivamente, 78,96% e 78,30%. O frasco-reator R1 que recebeu como fonte
de carbono a maravalha de madeira + dejetos de animais de laboratório reduziu
respectivamente, 75,48% e 77,55% de ST e STV (Figura 15).
Figura 14. Concentração da demanda química de oxigênio (DQO) nos reatores anaeróbios durante o
Concentração DQO (mg/L)
experimento.
40000
38000
36000
34000
32000
30000
28000
26000
24000
22000
20000
18000
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Inicial
Final
B
R1
R2
Reatores
Fonte: Dados da pesquisa
R3
47
Suzuki (2012), trabalhando com cama de frango e manipueira, observou a redu„…o de
79,31% utilizando somente cama de frango com maravalha de madeira, j€ com a associa„…o
cama de frango e manipueira na propor„…o (40/60) obteve uma redu„…o de STV 81,94%,
semelhante ao obtido nos reatores R1.
Corroborando com o ensaio de co-digest…o de cama de frango e caldo de cana em
reatores de batelada, Sagula (2012) utilizou dejetos bovinos como inoculo, obtendo uma
redu„…o de 61,07 a 74,57%, semelhante ao observado nesse experimento.
Com a menor taxa de redu„…o dos reatores que receberam alguma fonte de carbono, o
reator R3 apresentou apenas 49,78% e 51,93% de redu„†es para ST e STV, respectivamente.
Santos (2001), utilizando cama de frango composta por maravalha de madeira, em
biodigestores bateladas operados seq™encialmente, obteve valores entre 25 e 46, 39% de
redu„…o de STV, valores inferiores aos encontrados nesse trabalho.
Figura 15. Concentra„…o de ST e STV no startup e finaliza„…o dos reatores, assim como a efici‡ncia de remo„…o
(%). STinicial (-■-), STfinal (-●-), STV inicial (-▲-), STV final (-▼-), STefici‡ncia (-■-), STVefici‡ncia (-●-).
90
120000
85
80
100000
75
90000
70
80000
65
70000
60
60000
55
50
50000
Efici‡ncia %
Concentra„…o mg/L
110000
45
40000
40
30000
35
20000
30
10000
25
0
20
B
R1
R2
R3
Reatores
Fonte: Dados da pesquisa
A alta efici‡ncia observada na Figura 15 do reator R2, que apresentou a maior redu„…o
de sƒlidos que os demais digestores, podem est€ vinculada a dificuldade de mensura„…o do
res•duo durante as an€lises, pois existe uma dificuldade de homogeneiza„…o pelas
peculiaridades do substrato.
48
Segundo Santos (2001), espera-se que para um processo de biodigestão ocorra
normalmente o teor de redução STV deve ser elevado, uma vez que a redução de sólidos
voláteis pode nos dar um indicativo da matéria orgânica que se converterá em biogás.
5.2 Ácidos orgânicos e Alcoóis
Em todos os reatores na amostra inicial foram observados a presença de ácido butírico
(Hbu), ácido propiônico (Hpr) e etanol (Etoh) em proporções semelhantes. O ácido acético
(Hac) estava presente em todos os digestores, só que em maior concentração no R2 e R3, esse
fato pode estar ligado à utilização do fluido ruminal como inoculo. Pois, durante a digestão do
mono e polissacarídeos os ruminantes produzem Hac, Hbu e Hpr, em animais alimentados
com volumoso a proporção pode chegar a 70:20:10, respectivamente para cada ácido
(POSSENTI et al., 2008)
No ensaio do reator branco (B), os quantitativos de todos os ácidos e do etanol
declinarão no final do experimento, se comparados ao valor no momento da partida reacional,
como se pode observar na figura 15 (A).
No reator R1 houve aumento somente na produção de ácido propiônico conforme
demonstrado nos conjuntos da figura 13, os outros ácidos orgânicos e o etanol se mantiveram
abaixo dos valores iniciais. Segundo Ren et al (2007), na fermentação pela rota do ácido
propiônico pode ocorrer a conversão deste ácido em metano, além de se acumular no sistema
reacional.
Os reatores R2 e R3 apresentaram aumento na produção de todos os ácidos orgânicos
(figura 15C e 15D), principalmente ácido acético no final do período experimental. Esse fato
está intimamente ligado a acentuada acidificação dos meios reacionais identificados com a
mensuração do pH desses digestores. Segundo Lapa (2006), a alta concentração
principalmente de ácidos carbônicos e ácidos voláteis influenciam no valor do pH.
Observando a figura 15 (D), pode-se perceber que houve um pequeno aumento no
quantitativo no reator R2, no entanto, o reator R3 foi que apresentou a produção mais
expressiva de etanol.
49
Devido à base do substrato do reator R3 ser bagaço de cana, este sendo formado
principalmente por 70% a 85% de polissacarídeos e 2% a 3% de resíduos de monossacarídeos
(GERON ET AL, 2010). Além da influência do baixo valor do pH no reator R3 (BARROS,
2012) algumas espécies de microorganismos presentes no processo de digestão anaeróbia
degradam o carboidrato dos substratos, gerando ácidos orgânicos e etanol (ZAMPOL, 2012).
Figura 16. Concentração dos ácidos orgânicos e alcoóis nos reatores na ocasião da partida e finalização do
experimento.
(A)
ácido
acético
(B)
ácido
butírico
7000
6500
1500
Hac.I
Hac.F
1350
(C)
ácido
propiônico
(D)
Etanol.
Hbu.I
Hbu.F
5500
1200
5000
1050
Concentração (mg/L)
Concentração (mg/L)
6000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
900
750
600
450
300
1000
150
500
0
0
B
2500
R1
Reatores
R2
R3
B
120
Hpr.I
Hpr.F
110
R1
Reatores
R2
R3
R1
Reatores
R2
R3
Etoh.I
Etoh.F
100
2000
Concentração (mg/L)
Concentração (mg/L)
90
1500
1000
500
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
B
R1
Reatores
R2
R3
B
Fonte: dados da pesquisa
5.3 Composição do Biogás
Os dados de produção do biogás descritos são provenientes de média dos reatores
(Anexo 1) que apresentaram comportamento semelhante durante o ensaio. Reatores que
demonstraram discrepância no comportamento produtivo de metano (CH4 ) ou em qualquer
analise de monitoramento em relações aos demais do mesmo tratamento, foram descartados
na elaboração da média.
A qualidade do biogás produzido durante o ensaio anaeróbio foi caracterizado
conforme a quantidade de metano, hidrogênio e gás carbônico presentes. Apesar da
50
composi„…o do biog€s ser formada por diversos gases. Segundo Mafaciolli (2012), o metano
pode participar em at‚ 70% e o g€s carb‹nico 45% da composi„…o do biog€s.
Na Tabela 7 est…o expressos os volumes (L) acumulados totais de diƒxido de carbono
(CO2 ), metano (CH4 ) e hidrog‡nio (H2 ), para cada substrato utilizado no ensaio experimental,
assim como, pode-se observar as concentra„†es (%) dos respectivos gases no biog€s
produzido.
Na produ„…o volum‚trica de H2 n…o houve grande varia„…o, o reator R3 apresentou a
maior produ„…o qualitativa (tabela 7). Somente o reator B produziu mais hidrog‡nio que
aqueles que receberam as fontes de carbono, conforme pode ser observado na figura 14.
Tabela 7. Produ„…o acumulada total dos gases no biog€s produzido, para cada substrato utilizado.
H2(L)
H2 (%)
CH4 (L)
CH4 (%) CO2 (L)
CO2 (%)
B
2,21
13,42
8,26
50,25
5,98
36,33
R1
2,20
6,21
12,56
35,42
20,70
58,37
R2
2,38
5,77
5,24
12,71
33,60
81,52
R3
2,80
6,24
6,83
15,23
35,19
78,53
DP±
0,28
-
3,15
-
13,58
-
Fonte: Dados da pesquisa
O R1 foi o digestor que quantitativamente apresentou o maior volume de metano
produzido, quando comparado aos demais reatores que sofreram adi„…o das fontes de
carbono. Esse fato deve-se principalmente ao potencial hidrogeni‹nico (pH), que manteve-se
na faixa de beneficio as arques metanog‡nicas pHfinal 7 – 7,24. Pois Segundo Batista (1981) e
Costa (2009), as arqueias que produzem metano sobrevivem numa faixa estreita de pH (6,5 e
8,0).
51
Figura17. Caracterização do biogás produzido nos quatro reatores em batelada.
100
CO2
CH4
H2
90
Composição Biogás (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
B
R1
R2
R3
Reatores
Fonte: Dados da pesquisa
5.4 Produção de Metano (CH4 )
O monitoramento da produção de metano (CH4 ) nos reatores anaeróbios na fase
experimental foi realizado diariamente durante o inicio do ensaio, a partir 26º dia do startup
reacional, as aferições foram feitas em dias alternados para a produção de CH4 (Anexo 1).
Figura18. Concentração média de CH4 (L) ao longo do tempo no reator B com ajuste linear e ponto de
inflexão.
CH4
Ponto de Inflexão
Sigmoidal de Boltzmann
14
12
CH 4 (Litros)
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Tempo (dias)
Fonte: Dados da pesquisa
O reator branco foi composto exclusivamente pelo inoculo utilizado no experimento.
Desta forma, a produção de metano registrada neste reator equivale à capacidade produtiva
unicamente do inoculo. O reator B apresentou a produção cumulativa de 8,26 L/CH4 como
pode ser observado na tabela 7. A máxima produção de metano foi de 4,98L, obtida no dia
40,5 conforme representado na figura 17, através do ponto de inflexão.
52
Segundo Primavesi (2004), faz parte da natureza fisiológica dos herbívoros ruminantes
produzirem metano durante o processo de digestão, onde são transformados em média 6% da
energia bruta dos alimentos em metano.
A produção acumulada de metano (CH4 ) no reator R1 foi de 12,56 LCH4 , sendo
superior ao R3 e R2 que apresentaram 6,83 LCH4 e 5,24 LCH4 , respectivamente (tabela 7). Os
valores são inferiores aos encontrados por Costa (2012) e por Fukayama (2008), que
obtiveram respectivamente 1,024 m3 e 0,986 m3, utilizando reatores em batelada de 60L.
Figura19. Concentração média de CH4 (L) ao longo do tempo no reator R1 com ajuste linear e ponto de
inflexão.
CH4
Ponto de Inflexão
Sigmoidal de Boltzmann
14
12
CH 4 (Litros)
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Tempo (dias)
Fonte: Dados da pesquisa
A variação da produção nos diferentes substratos, assim como o volume total dos
reatores utilizados e proporção da matéria orgânica de origem animal presente em ambos os
estudos, pode ter contribuído para a diferença no quantitativo produzido.
O reator R1 levou mais tempo para atingir a produção máxima de metano, no entanto,
foi o que teve a maior taxa de produção segundo o ajuste linear de Boltzmann, 0,33 LCH4
(figura 18). Já o reator R2 foi o que apresentou o menor período, no entanto, teve a menor
produção acumulada e a menor taxa de produção de CH4 0,0035 LCH4. O reator R3 manteve a
taxa de produção em 0,13 LCH4 , porém ainda abaixo que o maior reator R1.
Para Lucas-Júnior (1994), o potencial de produção de metano a partir dos dejetos de
ruminantes deve sofrer variações em função da qualidade nutricional da alimentação dos
animais. Considerando as diferenças entre os substratos utilizados neste estudo, e que a
53
origem do fluido ruminal foi proveniente de uma região onde basicamente os ruminantes são
criados extensivamente, ou seja, a base de volumoso.
A diferença entre as taxas de produção de metano nos reatores, principalmente no
reator R3, pode estar ligada ao substrato composto principalmente por sabugo de milho, além
dos dejetos de animais de laboratório.
Figura20. Concentração média de CH4 (L) ao longo do tempo no reator R2 com ajuste linear e ponto de
inflexão.
CH4
Ponto de Inflexão
Sigmoidal de Boltzmann
0,20
CH 4 (Litros)
0,15
0,10
0,05
0,00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Tempo (dias)
Fonte: Dados da pesquisa
A velocidade de produção do metano (CH4 ) foi determinada através da razão entre
taxa máxima de produção de metano LCH4 /d, e a concentração inicial de biomassa g/STV. O
reator R1 alimentado com maravalha de pinus + dejetos de animais de laboratório, apresentou
a maior velocidade de produção 0,0067 LCH4 /gSTV/d, com rendimento de 0,256 LCH4 /gSTV.
O rendimento observado no reator R1 foi superior ao encontrado por Suzuki (2012),
que conduziu ensaio em batelada com cama de frango, obtendo 0,15 LCH4 /gSTV adicionado.
Assim como por Alvarez et al (2006), que observaram um potencial de produção de metano
de 0,131 LCH4 /kgSTV adicionado, quando utilizaram dejetos bovinos no processo de digestão
anaeróbia.
Corroborando com a produção cumulativa e a taxa de produção o R3 apresentou a
segunda maior velocidade de produção de metano, ficando em 0,0028 LCH4 /gSTV/d e
rendimento na produção de metano de 0,146 LCH4 /gSTV. Superior a velocidade observada no
54
reator R2, que apresentou 0,000047 LCH4 /gSTV/d e no rendimento 0,070 LCH4 /gSTV, sendo as
menores observadas durante todo o experimento.
Figura21. Concentração média de CH4 (L) ao longo do tempo no reator R3 com ajuste linear e ponto de
inflexão.
14
CH4
Ponto de Inflexão
Sigmoidal de Boltzmann
12
CH4 (Litros)
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Tempo (dias)
Fonte: Dados da pesquisa
Santos et al. (2012), utilizou dejetos de animais de laboratório + maravalha de madeira
para ensaio em batelada com reatores de 150 L, obtendo rendimentos que variam de 0,071 a
0,102 LCH4 /gST, semelhante ao encontrado neste ensaio nos reatores R2 e R3.
Figura22. Taxa máxima de produção CH4 (L) e Tempo máximo para produção CH4 (dias) em função
aos reatores.
0,40
Tempo Max. Prod. CH4
Taxa Max. Prod. CH4
0,35
42
40
38
0,30
36
CH4 (Litros)
32
0,20
30
0,15
28
26
0,10
24
0,05
22
0,00
20
B
R1
R2
Reatores
Fonte: Dados da pesquisa
R3
Tempo (dias)
34
0,25
55
Na Figura 22 estão demonstrados a produção máxima de metano CH4 e o tempo
máximo para produção. Como pode ser observado, houve uma grande variação no tempo de
inicio da produção de CH4 , onde o reator R2 iniciou primeiramente a produção, no entanto,
foi o que apresentou a menor produção, conforme já detalhado anteriormente. O reator R1 foi
o ultimo digestor que recebeu carga orgânica a iniciar a produção, no entanto, foi o que
atingiu a maior produção acumulada.
Observa-se então que, quanto maior o tempo máximo para produção, mais elevado
será essa. No entanto, apesar do reator B ter apresentado maior tempo que o reator R1, a
produção deste foi inferior, esse fato pode estar ligado à quantidade de sólidos presentes no
substrato que servirão de meio para a biomassa metanogênica.
56
CONCLUSÕES
De acordo com os resultados obtidos e as discussões apresentadas neste trabalho, às
seguintes conclusões podem ser destacadas.
Os resíduos provenientes de centros de criação de animais de laboratório possuem
potencial de produção de biogás. A concentração de metano a partir destes substratos pode
variar conforme as composições e condições de operação do reator.
O substrato que mais produziu metano no experimento foi o reator R1, carregado com
maravalha de pinus e dejetos de animais de laboratório e inoculado com fluido ruminal.
O fluido ruminal foi eficiente como inoculo para a produção de metano, enriquecendo
ao meio reacional com a biomassa microbiana presente naturalmente nos herbívoros
ruminantes. No entanto, a sua aplicação no processo de digestão anaeróbia está intimamente
ligada ao tipo de substrato a ser utilizado, assim como a origem do fluido (alimentação dos
animais).
Tendo em vista a diversidade bacteriana envolvida no inoculo utilizado, assim como
os tipos de substratos utilizados. Sugere-se a realização de outros estudos e ensaios para
mapear os microorganismos envolvidos no processo quando aplicado o fluido ruminal como
inoculo.
Assim como tentar estabelecer a melhor rota para a produção de metano com resíduos
provenientes de biotérios e centros de criação de animais de laboratório.
57
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