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DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO E CONTROLE DE
TEMPERATURA EM REATORES ANAERÓBIOS
Karl Benchimol Xavier do Nascimento, Douglas Ritter, Uilian da Silva Piuco, Antonio Carlos Valdiero, Luis Antonio Bortolaia UNIJUI, Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul, Curso de Engenharia Mecânica Campus Panambi - Bairro Arco-Iris - CEP 98280-000 – Panambi – Rio Grande do Sul E-mail para correspondência: [email protected]
Introdução Relativamente ao grande volume de resíduos provenientes das explorações agrícolas e pecuárias, estes apresentam uma carga poluente de tal forma elevada que impõe a criação de soluções que permitam diminuir os danos provocados por essa poluição, gastando o mínimo de energia possível em todo o processo. O tratamento desses efluentes pode processar-se por intermédio da fermentação anaeróbia (biodigestão) que, além da capacidade de despoluir, permite valorizar um produto energético (biogás) e ainda obter um fertilizante, cuja disponibilidade contribui para uma rápida amortização dos custos da tecnologia instalada. A digestão anaeróbia (biodigestão) é uma solução para o tratamento de dejetos orgânicos extremamente utilizada no mundo. As teorias sobre a biodinâmica do processo concordam que existem quatros subprocessos na digestão anaeróbia: Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese e Metanogênese. No entanto, as teorias apresentam soluções desenvolvidas para seus países de pesquisa e aplicação, ficando a importação desses modelos, como no caso brasileiro, prejudicado pela carência de concepções nacionais adequadas as relações produtivas aqui presentes. Em 1986, a situação do Brasil segundo dados da EMATER, era de 7520 digestores instalados no meio rural, número que conferiu ao país o terceiro lugar no mundo, tanto em número de unidades como em recursos financeiros aplicados em pesquisa e difusão de tecnologia, sendo ultrapassado pela China e a Índia. No entanto, grande parte desses digestores foram desativados. Dentre os motivos mais citados para explicar a limitação e o descrédito na adoção desta tecnologia, incluem a interrupção do crédito rural específico em 1985 e a falta de seriedade de algumas empresas fabricantes de equipamentos que projetaram produções de biogás acima das realizáveis.
Objetivo Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de aquecimento e controle de temperatura em reatores anaeróbios para o desenvolvimento de bactérias atuantes na zona mesofílica (30 a 35°C) ou na zona termofílica (55 a 65°C). O objetivo é desenvolver um sistema que mantenha a produção de biogás uniformemente, independentemente da estação climática ou temperatura diária. O sistema funciona utilizando uma fração do biogás produzido para geração de energia térmica por meio da utilização de um queimador a gás, trocador de calor e serpentinas de condução do calor ao reator. Para gerenciamento dos processos está sendo desenvolvida uma rotina de trabalho que utiliza um micro controlador para acionamento dos equipamentos por meio do processamento dos sinais coletados pelos sensores de temperatura implantados no reator. Esta pesquisa busca o desenvolvimento de um equipamento que possa ser utilizado tanto em sistemas rurais para efetiva redução da carga orgânica quanto em equipamentos associados a sistemas de geração de energia elétrica ou produção de metano para aproveitamento dos subprodutos da digestão anaeróbia.
Fundamentação Teórica O biodigestor consiste, basicamente, em uma câmara fechada onde a biomassa (o volume de efluente de suínos ou de bovinos produzido) é fermentada anaerobicamente, isto é, sem a presença do ar atmosférico, produzindo biogás e biofertilizante. Ressalte-se que o biodigestor é um aparelho destinado a conter a biomassa e o produto desta, o biogás. Por si só, o biodigestor não produz o biogás, mas cria condições para que as bactérias metanogênicas que degradam a matéria orgânica, produzindo o gás metano, atuem sobre os materiais orgânicos na produção deste combustível. As etapas da digestão anaeróbia realizadas em biodigestores são basicamente a Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese e a Metanogênese. A transformação da matéria orgânica em diversas substâncias químicas, no decurso da fermentação anaeróbica, processa-se através de uma cadeia de degradações sucessivas devidas a diferentes tipos de bactérias. Essencialmente distinguem-se duas fases nos processos de fermentação metanogênica. A primeira fase é uma transformação das moléculas orgânicas em ácidos gordos, sais ou gás. A segunda é a transformação destes numa mistura gasosa essencialmente constituída por metano e dióxido de carbono.
XIX Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 13 a 17/08/2012 – São Carlos-SP Artigo CREEM
Tabela 1 – Composição do Biogás GÁS COMPOSIÇÃO (%) Metano (CH 4 ) 60- Dióxido de Carbono (CO 2 ) 30- Gás Sulfídrico (H2S) 0, Outros Gases 0, Fonte: MORAES & PAULA (2004)
A temperatura é um fator que afeta os processos biológicos de diferentes maneiras, incluindo alterações na velocidade do metabolismo das bactérias, no equilíbrio iônico e na solubilidade dos substratos, principalmente os lipídeos (AHRING et. Al., 2000). Ela influencia na seleção das espécies microbianas, por interferir no crescimento bacteriano, sendo que o grau de dissociação de diversos compostos depende fortemente da temperatura. Também se tem que acima da temperatura ótima, ocorre uma queda brusca da taxa de crescimento, na qual o decaimento começa a prevalecer sobre a síntese. A fração de sólidos orgânicos que é metabolizado na digestão anaeróbia diminui marcadamente com a temperatura inadequada, alta ou baixa. A atividade enzimática das bactérias depende intimamente da temperatura. Ela é fraca a 10ºC e nula acima dos 65ºC. A faixa dos 20ºC a 45ºC, corresponde à fase mesófila, enquanto que entre os 50ºC e os 65ºC, temos a fase termófila (AHRING et. Al., 2000). A opção por uma temperatura de trabalho terá de resultar do compromisso entre o volume de gás a produzir, o grau de fermentação e o tempo de retenção. Na fase mesófila, as variações de temperatura são aceitáveis desde que não sejam bruscas. O mesmo não acontece com a fase termófila, onde as variações não são aconselháveis. Todavia, ela permite cargas mais elevadas e um tempo de retenção menor, com maiores taxas de produção de gás (MOONIL et. al., 2002). A temperatura ideal para a digestão anaeróbia, situada na faixa mesofílica, é de aproximadamente 35º C. Caso haja interesse em que esta temperatura seja mantida no interior do digestor, é necessária, na maioria dos casos, a utilização de sistema de isolamento térmico e aquecimento. A importância do emprego destes sistemas baseia-se no fato que, a temperaturas mais elevadas, a velocidade de reação é maior, sendo requerido um volume menor do digestor, o que afeta diretamente o custo das instalações (MOONIL et. al., 2002). O tempo de retenção varia em função do tipo de biomassa, granulometria da biomassa, temperatura do digestor, pH da biomassa, etc., mas, de modo geral, situa-se na faixa de 4 a 60 dias. Normalmente, o tempo de digestão para esterco de animais domésticos situa-se na faixa de 20 a 30 dias (MORAES & PAULA, 2004).
Metodologia Foi realizado um levantamento dos modelos de digestores anaeróbios desenvolvidos e aplicados no Brasil, e, assim, constatou-se que o modelo de digestão predominante é o descrito na Figura 1. Esses processos utilizados têm como deficiência a incapacidade de efetuar uma redução da carga orgânica dos efluentes a taxas próximas a 95% - o que adequaria aos padrões de lançamento de dejetos no meio rural. O principal fator analisado é baixa eficiência de remoção da carga orgânica em virtude do baixo metabolismo das bactérias aliado a mudanças bruscas de temperatura nos reatores – visto que a grande maioria dos digestores anaeróbios instalados no Brasil se encontram na região sul e sudeste, onde, durante pelo menos seis meses ao ano, ocorrem grande variação de temperatura. Como comparativo de eficiência, é comumente exposto pela bibliografia que a utilização de apenas um reator para a realização de todo o processo leva a predominância da fase bioquímica da acidogênese na base dos reatores, diminuindo a geração de metano, além de aumentar a produção de elementos corrosivos, como o H 2 S (MOONIL et. al., 2002). Na busca da otimização sobre os sistemas atualmente empregados, está sendo desenvolvida uma hipótese construtiva com base nos modelos empregados na Alemanha e Estados Unidos onde são utilizados reatores de duas fases com alimentação continua e tanque movimentado (Two Phase Continuously Stirred Tank Reactor). Para isso, é necessária a construção de um reator para os processos de hidrólise e acidogênese e outro para os processos de acetogênese e metanogênese. A segmentação, divisão das etapas da biodigestão, em reatores independentes com funções distintas mostra-se importantíssima para melhor controle dos processos.
Figura 3 – Croqui esquemático da hipótese construtiva
Onde: 1, Pocilga de dejetos; 2, Tubulação 150mm; 3, Caixa de passagem; 4, Bomba elevação; 5, Reator acidogênese; 6, Serpentina alumínio; 7, Tubulação movimentação; 8, Tubulação limpeza; 9, Sensor Temperatura; 10, Microcontrolador; 11, Trocador de calor; 12, Aquecedor; 13, Gasômetro Biogás impuro; 14, Válvula alívio pressão; 15, Bomba adição inoculo; 16, Tubulação biogás impuro; 17, Tubulação biogás; 18, Sensor pH; 19, Gasômetro Biogás; 20, Medidor pH e microcontrolador; 21, Lagoa Bioferilizante. Em relação aos biodigestores implantados no Brasil, propõem-se o acréscimo dos equipamentos e acessórios expostos juntamente com a construção do reator de acidogênese, que apresentaria 2/40 do volume sobre os modelos de digestores utilizados no Brasil (Fig. 1) ou 2/25 do volume utilizado na hipótese construtiva (Fig. 2), conforme Eq. (1) para dimensionamento do reator de acidogênese.
Onde: Vra , volume do reator de acidogênese; TRHra , tempo de retenção hidráulica do reator de acidogênese; TRH (^) rm , tempo de retenção hidráulica do reator de metanogênese; e, Vrm , volume do reator de metanogênese. A Figura 4 apresenta detalhes do sistema de aquecimento e controle da temperatura desenvolvido neste projeto para qualquer tipo de reator anaeróbio.
Figura 4 – Detalhes do sistema de geração de energia térmica pelo aproveitamento do biogás com maior teor de H 2 S.
O biogás da 1° Etapa de digestão, oriundo de processo predominantemente de acidogênese, possui maior teor de H 2 S (Gás Sulfídrico), tendo restritas suas aplicações nobres pela elevada corrosividade. Mas, em queimadores apropriados, conforme se esta sugerindo nas Fig. 3 e Fig. 4, esse biogás poderá gerar
energia térmica e ser aproveitado no aquecimento e manutenção da temperatura da 1° e 2° Etapa da digestão, viabilizando tanto a biodigestão mesofílica quanto a termofílica, nas quais, por meio de pré-programações definidas em um microcontrolador, pode-se manter a temperatura do reator entre (30-35°C ou 55-65°C). Ajustando-se a finalidade pretendida pelo produtor rural. O aquecimento não só é crucial para a garantia dos processos de digestão anaeróbia, mas, no caso da biodigestão termofílica, também garante a esterilização do efluente animal, eliminando patógenos e reduzindo a carga orgânica para atender aos limites de lançamentos. Para aquecimento e controle da temperatura, é necessário o controle das descargas dos efluentes na 1° Etapa e a medição da sua temperatura de entrada. Como o objetivo deste projeto é a utilização dos biodigestores com eficiência em todas as estações do ano, foi empregado o valor de 15°C para o efluente de entrada no processo (simulando temperatura de inverno) e de 63°C para o efluente remanescente no reator de acidogênese (simulando uma taxa de ineficiência de medição sobre os 65°C pretendidos), com a quantidade de descargas variável para se ajustar e evitar uma variação abrupta das condições de digestão do reator. Tomando por base a primeira Lei da Termodinâmica (Eq. 2), sendo Q=energia, tem-se:
Considerando-se que nenhum trabalho é empregado na homogeneização do efluente de entrada (índice 2, agua fria) com o residente no reator de acidogênese (índice 1, agua quente), têm-se a Eq. 3. na qual: m, vazão em massa (litros/h); c, calor específico (Kcal/Kg°C); t, temperatura em °C, e como c1=c2, uma vez que, para efeitos práticos, trata-se do mesmo líquido, temos que:
Onde: m1= volume de efluente quente no reator de acidogênese ( VEFA ); T (^) i1= temperatura do efluente no reator de acidogênese ( TERA ); m2= volume de efluente da descarga de entrada ( V (^) EF ); T (^) i 2= temperatura efluente entrada ( Tef ); Tf= temperatura da mistura ( T (^) mist ); m1+m2= volume do reator de acidogênese ( VRA ). Substituindo os valores das temperaturas dos efluentes de entrada e do reator, temos:
A Equação (4) apresenta o controle do fluxo de entrada do efluente no reator com o cálculo da temperatura do efluente homogeneizado após a descarga para processos termofilicos, devendo salientar que a temperatura de mistura ( T (^) mist ) não deve ser inferior a 55°C, o que afetaria a colônia de bactérias instalada. Para processos mesofílicos, basta substituir o valor da temperatura do efluente no reator de acidogênese ( TERA ) de 63 para 35°C, sendo que o valor da temperatura de mistura ( T (^) mis t ) não deve ser inferior a 30°C. Em relação ao dimensionamento do sistema de aquecimento, foi tomado por base a eficiência de um aquecedor a biogás (CH 4 > 65%, com PCI de 5500 Kcal) no qual a eficiência do queimador é de 93% sobre o PCI do biogás. Utilizando o volume do reator de acidogênese ( V (^) ra ) Eq.(1), deve-se buscar determinar quantas descargas diárias são necessárias para que o volume de efluente da descarga de entrada ( V (^) EF ) injetado nos biodigestores mensurado na Eq. (4) não provoque redução além da indicada pelo processo. Dessa forma, para quantificar a quantidade de descargas diárias a serem realizadas ( Q (^) desc ), devemos efetuar a razão entre o volume de dejetos produzidos na pocilga ( Vdej ) e o volume de efluente da descarga de entrada ( V (^) EF ), sendo determinado pela Eq. (5).
Com a determinação da totalidade das descargas diárias a serem realizadas, podemos determinar o intervalo de horas entre as descargas ( Int (^) desc ), pela razão entre a quantidade de horas diárias ( H (^) diárias ) e a quantidade de descargas ( Q (^) desc ), Eq. (6).
