Espacios. Vol. 36 (Nº 06) Año 2015. Pág. 1

Construção de plantas de biogás: Dimensionamento de biorreatores

Biogas plants construction: Bioreactors dimensioning

José de SOUZA 1; Lirio SCHAEFFER 2

Recibido: 18/10/14 • Aprobado: 23/12/2014

Contenido

1. Introdução

2. Revisão bibliográfica

3. Materiais e métodos

4. Conclusão

5. Referências

1. Introdução

O metano representa uma fonte de energia cada vez mais importante em áreas rurais como pode ser visto pelo incremento da construção de reatores de biogás em regiões de produção de alimentos da Alemanha. Todo material orgânico representa uma fonte em potencial e importante de combustível porque pode ser convertido em energia. Acompanha essa produção a geração de grande quantidade de resíduos.  O biogás, produzido pelos biorreatores anaeróbios, podem ser implantados nas mais diversas regiões, de forma descentralizada (SOUZA, 2010).

A modelagem e simulação com softwares CAD 3D é um meio de dimensionar e modelar peças, partes e conjuntos para facilitar a fabricação e montagem de plantas de biodigestão. Algumas ferramentas computacionais fornecem soluções para o planejamento e concepção de instalações complexas, linhas de montagem e locais de trabalho. No contexto de prototipagem digital essas ferramentas podem ser usadas ​​para reduzir ciclo de desenvolvimento de produtos (CHABLAT et al., 2010).

A criação dos modelos em CAD 3D visa facilitar a fabricação de dispositivos e a montagem de biorreatores. A construção e simulação do funcionamento com ferramentas computacionais visam facilitar os projetos de tais plantas desde que adaptadas e implementadas de forma correta.

A preocupação com uma produção mais limpa e ambientalmente responsável, a diminuição e até a eliminação da produção de resíduos orgânicos vem promovendo o debate sobre alternativas no tratamento e reutilização destes. A implantação de reatores anaeróbios na recuperação de esgotos e resíduos urbanos, o tratamento de resíduos industriais, entre outros casos justificam a necessidade de ampla pesquisa nesta área. Não só sobre a transformação da biomassa como também a viabilidade de utilização em larga escala do combustível gerado é imprescindível para a implantação de uma tecnologia nacional nas próximas décadas.

Este trabalho tem por objetivo investigar e aplicar ferramentas de modelagem mecânica computacional para o projeto, dimensionamento e fabricação de plantas de biodigestão, principalmente biorreatores para geração de biogás. Foram criadas classes com tamanhos para facilitara construção e uma metodologia que facilita a escolha do formato e tamanho dos biorreatores. Para facilitar a criação dos modelos de biorreatores foram criadas três categorias: Pequenos até 50 m3, médios de 50 a 500 m3 e grandes de 500 a 5000 m3. Essa classificação facilitará a escolha da materiais e recursos disponíveis no mercado.

2. Revisão bibliográfica

2.1 A geração de biogás

O metano representa uma fonte de energia cada vez mais comum devido ao simples sistema de produção e facilidade de emprego direto como a queima. Pode ser produzido em áreas rurais com vasta produção de biomassa bem como em áreas urbanas com grande quantidade de biomassa produzida através da parcela orgânica dos RSU (Resíduos Sólidos Urbanos). Em países em vias de desenvolvimento ocorre um incremento na construção de biorreatores de biogás. Todo material orgânico representa uma fonte em potencial e importante de combustível porque mesmo sendo resíduo poluidor pode ser transformado em energia limpa e renovável (BONFANTE, 2010). 

Um grande desafio nos países em desenvolvimento, sobre tudo em efluentes domésticos, é diminuir o custo de tratamento dos mesmos. Em geral, a análise econômica, a simplicidade do projeto e do desempenho revela que a tecnologia de biorreatores pode ser de interesse particular para o tratamento de esgoto (MENDOZA et al., 2009).

A geração de metano (CH4) a partir de resíduos sólidos ocorre com a transformação da biomassa em biogás. O biogás é mistura gasosa que é obtida com a decomposição dos resíduos e encerramento em biorreatores controlados (PICK, DIETERICH; HEINTSCHEL, 2012).  Para entendimento foi utilizado um esquema demonstrativo de produção e utilização do metano conforme figura 1.

Figura 1 – Esquema de produção e utilização do metano a partir da biomassa.
(CO₂ – Dióxido de carbono, CH₄ – Metano, H₂S – Ácido sulfídrico, H₂ – Hidrogênio, GMV – Gás Metano Veicular).

A biodigestão pode ser empregada na conversão de quase todos os tipos de biomassa. Embora a biomassa de origem celulósica seca geralmente oferece maior dificuldade de degradação, mesmo assim pode ser utilizada em misturas com biomassa úmida (VATTAMPARAMBIL, 2012).

2.2 Biogás

Na produção do biogás podem ser utilizados os mais diversos materiais orgânicos como resíduos da agricultura e agroindústria, podas, capins, folhas, etc. Desde os mais diversos compostos até os excrementos e fezes de animais, como também de esgotos. O desenvolvimento das bactérias tem como resultado a quebra do composto orgânico que é transformado em biogás e biofertilizante livre de bactérias nocivas e zoonoses (MURARO, 2006).

O processo de formação do biogás ocorre em diferentes fases: a fermentação inicial ou hidrólise, seguida pela acidogênese [3], acetogênese [4] e finalmente pela metanização onde ocorre a formação da maior parte do metano (CONNAUGHTON, COLLINS; O'FLAHERTY, 2006).  Se o processo de degradação for conduzido de forma controlada, por meio dos biorreatores, onde são oferecidas as condições ambientais adequadas para desenvolvimento da cultura microbiana, o processo será acelerado e o volume de gás produzido será maximizado. As diferentes rotas metabólicas do processo de decomposição da matéria orgânica para a produção de metano estão ilustradas na figura 2.

Figura 2 – Fases e grupos microbianos da digestão anaeróbia (LETTINGA, HULSHOF; ZEEMAN,1996).

O biogás depende do substrato de que é gerado, isso lhe confere características diferenciadas, a principal delas é a quantidade de metano produzido. Esse gás pode ser utilizado como combustível e na maioria das vezes é o objetivo principal da produção do biogás. Conforme Figueiredo (2007), podemos verificar na Tabela 2.1 as informações sobre os principais constituintes desta mistura de gases, o biogás.

Tabela 1 – Propriedades dos principais constituintes do biogás (FIGUEIREDO, 2007).

2.3 Biorreatores

Os biorreatores anaeróbios mais comuns usados em larga escala são construídos em chapas de aço ou concreto. Os biorreatores possuem um funcionamento semelhante ao descrito na figura 3.

Figura 3 – Biorreatores anaeróbios construídos em chapas
de aço lona e concreto com misturador e aquecimento do substrato.

Os biorreatores modelo contínuos são carregados e descarregados simultaneamente, tem entrada e saída constante do substrato na câmara principal. Essa característica confere a propriedade a este sistema de haver uma produção ininterrupta de biogás e de não possuírem a necessidade de serem abertos para retirada da matéria orgânica digerida.

Os modelos de plantas de tecnologia avançada possuem agitação e aquecimento da matéria orgânica. Estes biorreatores podem ser construídos com dois ou mais tanques biorreatores ligados separando as fases de hidrólise das fases finais do processo de metanogênise e estabilização.           Em todos os modelos a parte principal compõe-se do tanque, o biorreator. Este é responsável pela degradação do substrato.  Estes tanques são dimensionados em função da carga orgânica, ou seja, da quantidade de material orgânico que se pretende tratar.

2.4 Plantas de biogás – biometano/ Usinas de biogás

Plantas de geração de biogás também podem ser usadas como estações de tratamento e triagem de resíduos. A separação da parcela inorgânica dos resíduos é necessária para a degradação posterior em biorreatores. A utilização do biogás depende do tratamento e do acondicionamento do mesmo. A secagem do biofertilizante compõe o último estágio do processo. Abaixo na figura 4 uma estação de tratamento e geração de energia.

Figura 4 – Estação de tratamento e geração de energia (SOUZA et al., 2012).

Plantas de geração de biogás compõem uma alternativa de tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) e esgoto uma vez que os biorreatores anaeróbios criam condições propícias para o desenvolvimento bacteriológico e assim geram o biogás digerindo o substrato orgânico. Além disso, o tempo de permanência dos resíduos em biorreatores é menor, no máximo noventa dias ao passo que em aterro sanitário pode permanecer por décadas (WARITH, 2001).

A energia proveniente da usina pode ser utilizada em equipamentos que empregam combustíveis fósseis, pois esses equipamentos são facilmente readaptados para o biogás, além disso, esse combustível representa um imenso potencial e uma alternativa como combustível veicular com funcionamento idêntico ao GNV (KAPDI et al., 2005).  Além de reduzir drasticamente a emissão do dióxido de carbono (CO₂) o biogás poderá tornar-se um biocombustível competitivo devido à matéria prima abundante.

As usinas de biogás precisam de ferramentas fáceis e práticas para monitorar e avaliar a sua eficiência do processo biológico. Logo que, em muitos casos, a biomassa representes custos consideráveis, em grande escala de Digestão Anaeróbia (DA) processos deve aproximar-se, tanto quanto possível, do rendimento de biogás potencial da mistura orgânica alimentado para os biodigestores (SCHIEVANO; D'IMPORZANO; ADANI, 2011).

A construção de plantas de biogás necessita de otimização das dimensões, volume e a relação entre o comprimento e a largura dos tanques. A influência da pressão de biogás deve ser considerada. A definição do modelo depende de uma grande variedade de situações (MARTÍ-HERRERO; CIPRIANO, 2012).

3. Materiais e métodos

3.1 Modelagem das partes das plantas de biodigestão

A modelagem de tanques para biorreatores visa facilitar a fabricação e a montagem do principal recipiente, visto na figura 3, que mantém o substrato a ser digerido em plantas de biodigestão. Os tanques demandam atenção especial devido ao alto investimento que representam.

Para utilização das ferramentas de modelagem foram estabelecidos três segmentos diferenciados de tanques biorreatores: biorreatores de pequeno porte com volume até 50 m3; biorreatores médios com volume de 50 m3 à 500 m3 e biorreatores grandes com volume acima de 500 m3 até 50000 m3.

Foram desenvolvidos três diferentes sistemas de dimensionamento e fabricação.

O primeiro sistema para pequenos biorreatores utiliza chapas em bobinas para soldagem e montagem. Para planejamento da fabricação dos biorreatores foram adotadas chapas com largura e medidas comerciais em aço de 1000 mm, 1200 mm, 1300 mm, 1500 mm, e 2000 mm.

O segundo sistema para biorreatores médios utiliza chapas em placas para serem montadas em loco. Estas passam por dois processos, o de puncionamento e o de conformação.

O terceiro sistema para biorreatores com grandes volumes é semelhante ao segundo, porém utiliza guias de reforço para suportar pressões maiores.

3.1.2 Modelagem 3D de biorreatores de pequeno porte

Uma das ferramentas apropriadas e que facilitam a fabricação é a adaptação das medidas em função de uma necessidade. Esta relação pode ser fixada por um parâmetro fornecido ao software. Com esta ferramenta de modelagem do software fixou-se uma relação que estabelece um tamanho ajustado de modo que altura do tanque mantenha uma medida de 0,5 vezes seu diâmetro, seja qual for o volume fornecido.

Definindo-se o volume mantém-se esta relação definida ajustando-se automaticamente o tamanho, tipo e quantidade de anéis para o tanque biorreator. Essa formatação pode ser visto na figura 5.

Figura 5 – Tanque biorreator tamanho pequeno.

3.1.2.2 Processo de fabricação dos anéis

A fabricação dos anéis ocorre de forma a respeitar tamanhos comerciais de bobinas de chapas de aço podendo ser criado qualquer tamanho fornecendo-se apenas o valor da largura da chapa ao software. Na figura 6 vemos como se dá o processo de construção do anel em função da largura da bobina, com isto têm-se diversos tamanhos de anéis que serão utilizados na construção dos tanques.

Figura 6 – Diferentes alturas de anéis em função da largura das bobinas de aço.

Estes anéis são automaticamente selecionados para compor o biorreator adequado ao volume estipulado. A fabricação dos anéis foi definida em três operações principais, corte do comprimento da chapa, conformação para composição do diâmetro e soldagem da emenda. Processos 1, 2 e 3 conforme figura 7.

Figura 7 – Sequência de fabricação do anel.

3.1.2.3 Montagem dos tanques biorreatores com os anéis

A montagem do sistema baseia-se na utilização de anéis com tamanhos variados para composição do volume sugerido. A utilização e combinação correta para cada volume de tanque é definida automaticamente através do software que formata o tamanho desejado. A construção se dá através da definição do volume fornecida ao software. Na tabela 2 algumas das combinações de anéis fornecendo alturas de tanques diferenciados.

Tabela 2 – Tamanhos e combinações para construção de tanques biorreatores.

3.1.3 Modelagem de biorreatores de médio porte

3.1.3.1 Definição de parâmetro

Para a fabricação de biorreatores de médio porte uma das possibilidades adotadas é a de fabricações de pequenas placas. Essas placas possuem curvatura em função do diâmetro dos biorreatores. Conforme estabelecido o tamanho de biorreatores médios vai de 50 a 500 m3 o que determina o diâmetro e a divisão do número de placas. A placa dimensionada para construção de um biorreator de 500 m3 é o modelo da figura 8.

Figura 8 – Chapa curvada.

3.1.3.2 Montagem

Para a montagem dos biorreatores formam-se anéis com as placas. Essas placas possuem uma medida de transpasse conforme a figura 9.

Figura 9 – Anel formados pela união das chapas.

A altura dos biorreatores dependente do volume e é formada com a adição de anéis em placas aparafusadas conforme pode ser visto na figura 9.

A fabricação das chapas foi definida em três operações principais, corte do comprimento da chapa, puncionamento para fixação e conformação para composição do diâmetro. Processos 1, 2 e 3 conforme figura 10.

Figura 10 – Sequência de fabricação da chapa.

3.1.4 Modelagem de grandes biorreatores

Para a construção de biorreatores grandes, 500 m3 à 5000 m3 foi definido o uso do modelo anterior ajustando-se para chapas com maior espessura a ser definida. Além disso, para a montagem das chapas foi adotada a uma estrutura de reforço conforme figura 11.

Figura 11 – Estrutura do tanque biorreator.

4. Conclusão

A classificação de biorreatores por tamanhos auxilia na definição do método de fabricação e montagem. Ajuda também na escolha dos materiais, chapas de aço adequadas para tamanhos diferentes nos projetos. Devido ao alto investimento que os biorreatores representam a metodologia auxiliará numa possível redução de custos e viabilização das plantas de biogás.

Os segmentos estabelecidos pequeno médio e grande é uma diferenciação que pode muito ser explorada pela realidade brasileira. Pequenos produtores rurais demandam por pequenos biorreatores (com volume até 50 m3) para tratamento de resíduos e produção de biogás para queima direta. Geralmente nestes casos não são demandados grandes biorreatores.

Já os médios biorreatores se aplicam muito bem para agroindústrias e produtores que possuem um potencial maior de geração de biogás. Estes necessitam de tamanhos (com volume de 50 m3 a 500 m3) que são muito bem aplicados nestes casos.

Os biorreatores grandes com volume acima de 500 m3 até 5000 m3 são aplicados em plantas de biogás para grande quantidade de geração de biogás. Ainda inexistentes no País, mas que deverão ser fabricados com o estímulo a produção de energias renováveis.

Todos os modelos são aplicados nestas grandes plantas de biogás, tanto para separação de fases, os estágios, como para separação de tipos de resíduos, misturas, etc. Portanto diferentes tamanhos e tipos de biorreatores se aplicam em diferentes casos, mas também em diferentes processos.

A fabricação de biorreatores em anéis já é empregada em biorreatores por algumas empresas. Conforme visto na revisão estas utilizam esta técnica para montagem dos biorreatores de chapas. A modelagem virtual, o projeto 3D facilita a escolha não só do tamanho do biorreator, mas também do tamanho da chapa para construção do anel, da espessura necessária, e do tipo de junção para garantir resistência e estabilidade.

O dimensionamento virtual de plantas auxilia no melhor aproveitamento da biomassa e maximiza a geração de biogás. Simulações e animações fornecem uma noção ideal do funcionamento e facilitam a verificação de falhas e erros no projeto. As ferramentas de CAD utilizadas facilitam o projeto de plantas de biodigestão proporcionando o melhor dimensionamento.

Plantas de biogás deverão ser parte das tecnologias de produção de energias renováveis do País e a geração de metano inserida na matriz energética brasileira. O metano representa uma fonte de energia comum devido ao simples sistema de produção e facilidade de emprego direto como a queima e conversão em eletricidade. A vasta produção de biomassa e resíduos no Brasil está ligado ao fato do País possuir grande produção de alimentos, fonte garantida de biomassa para produção de metano.

A implantação de plantas de biogás é uma tendência que depende do desenvolvimento tecnológico e de pesquisa aplicada. A aplicação de ferramentas CAD é uma prática que vem sendo utilizada nos mais diversos setores. Os softwares de CAD possibilitam reduzir custos, diminuir o índice de erros e maximizar os projetos desenvolvendo–os virtualmente antes de sua real construção. As melhorias em softwares aplicados em processos de fabricação e construção mecânica e sua pesquisa é uma tarefa necessária para que viabilize o desenvolvimento de ferramentas aplicadas no desenvolvimento de tecnologias e pesquisa em biogás.

A importância do dimensionamento de plantas em biogás para produção de energias renováveis e tratamento de resíduos é justificada devido ao Brasil possuir imenso potencial de produção de biogás e ainda assim atualmente não haver plantas de biogás instaladas. Os recursos tecnológicos existentes são reduzidos, a maioria das tecnologias importadas e o desenvolvimento da pesquisa ainda é pequeno. O número de pesquisadores do assunto no Brasil e os grupos de pesquisa na área ainda são bastante reduzidos.

5. Referências

BONFANTE, T. M. Análise da viabilidade econômica de projetos que visam à instalação de biodigestores para o tratamento de resíduos da suinocultura sob as óticas do Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL) e da geração de energia. Dissertação de Mestrado. Faculdade de Economia, Administração e Contabilidade – USP – Ribeirão Preto – SP, Brasil, 2010.

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VATTAMPARAMBIL, S. R. Anaerobic Microbial Hydrolysis of Agriculture Waste for Biogas Production. International Conference on Emerging Frontiers in Technology for Rural Area (EFITRA) Proceedings published in International Journal of Computer Applications – 2012.

WARITH, M. Bioreactor landfills: experimental and field results. Ryerson Polytechnic University, 350 Victoria Street, Toronto, Ontario, Canada – 2001.

1. Laboratório de Transformação Mecânica – LdTM – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – RS – Brasil Email: josesouza@liberato.com.br

2. Laboratório de Transformação Mecânica – LdTM – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – RS – Brasil. Email: schaeffer@ufrgs.br

3. Quebra em moléculas menores ocorrendo formação de ácidos graxos voláteis (ex. acético, propiônico, butírico, valérico) e produção de amônia, dióxido de carbono e H2S como subprodutos.

4. Processo de quebra das moléculas com formação de acetato.