Projeto e construção de biodigestor e fotobiorreator para produção e purificação de biogás a partir da codigestão anaeróbia

Abstract

As emissões globais de dióxido de carbono (CO2) têm aumentado de forma contínua e progressiva desde a revolução industrial. Nas últimas décadas, entretanto, o cenário de emissões só se agravou, passando de 9,34 milhões de toneladas em 1960 para 36,44 milhões de toneladas em 2019. A concentração crescente de CO2 atmosférico é atribuída, principalmente, ao consumo e a queima dos combustíveis fósseis, os quais correspondem a mais de 80% da demanda mundial de energia primária. As emissões de gases de efeito estufa (GEE), porém, não se restringem somente ao CO2, tendo como principais gases constituintes, além do próprio CO2 com 79% das emissões, o metano (CH4) com 11% e o óxido nitroso (N2O) com 7%. A geração de energia renovável a partir de resíduos orgânicos contribui para a oferta de energia local, para a mitigação das emissões de GEE, além de gerar um produto de valor agregado. A digestão anaeróbia vem sendo apontada como uma solução bastante promissora, principalmente, por representar uma tecnologia com soluções conectadas as crescentes necessidades de desenvolvimento sustentável, uma vez que ela pode ser empregada tanto no tratamento de resíduos orgânicos urbanos quanto na produção de bioenergia como o biogás. No entanto, antes da sua utilização, o biogás bruto deve passar por um processo de purificação, onde o nível de purificação pode variar consideravelmente dependendo da aplicação desejada. Uma opção bastante interessante para a purificação do biogás pode ser através da captura fotossintética do carbono presente em sua composição por meio de microalgas, uma vez que elas são capazes de converter o CO2 do biogás em biomassa celular através do processo de fotossíntese. Dentro desse contexto, o objetivo principal desse trabalho foi projetar e construir um biodigestor e um fotobiorreator para a produção e purificação de biogás, com sensoriamento em tempo integral para avaliação da qualidade do biogás produzido. O projeto dos equipamentos foi realizado com o auxílio de softwares como Inventor e CFD. Na sequência foi realizada a construção e a instrumentação do biodigestor e do fotobiorreator, para posterior uso na realização dos experimentos para a produção de biogás, a partir da codigestão anaeróbia de resíduos de alimentos e dejetos suínos, e sua purificação biológica com o uso de microalgas. Os resultados obtidos neste estudo demonstraram a viabilidade do processo de (co)digestão anaeróbia para a produção de biogás, utilizando resíduos de alimentos e dejetos suínos. Após 120 dias de reação, o biogás gerado apresentou uma concentração de 75,17% de CH4 e 24,82% de CO2, evidenciando a eficácia do biodigestor construído. Além disso, foi possível verificar a importância da purificação do biogás, uma vez que a análise dos dados mostrou um aumento de 1,67% na concentração de CH4 após 30 minutos de purificação utilizando microalgas.

Global carbon dioxide (CO2) emissions have steadily increased since the industrial revolution. However, the situation has worsened in recent decades, with emissions rising from 9.34 million metric tons in 1960 to 36.44 million metric tons in 2019. The growing concentration of atmospheric CO2 is primarily attributed to the consumption and burning of fossil fuels, which account for more than 80% of the world’s primary energy demand. However, greenhouse gas (GHG) emissions are not limited to CO2 alone. The leading contributing gases include methane (CH4), which accounts for 11%; nitrous oxide (N2O), which accounts for 7%; and CO2, which makes up 79% of total emissions. A potential strategy to reduce GHG emissions is generating renewable energy from organic waste. This approach contributes to local energy supplies, reduces GHG emissions, and generates value-added products. Anaerobic digestion— a process that breaks down organic matter without oxygen—has emerged as a potential solution. This method can treat urban organic waste and produce bioenergy, such as biogas. However, before biogas can be used, it must undergo a purification process, which can vary significantly depending on the desired application. An exciting method for purifying biogas involves the photosynthetic capture of CO2 by microalgae. Microalgae can convert the CO2 in biogas into cellular biomass through photosynthesis. In this context, the main objective of this work was to design and construct a biodigester and photobioreactor for the production and purification of biogas, with continuous monitoring to assess its quality. The equipment was designed using software such as Inventor and CFD. The biodigester and photobioreactor were then built, equipped with sensors, and prepared for experiments to produce biogas from the anaerobic (co)digestion of food waste and pig manure, followed by biological purification using microalgae. The results obtained in this study demonstrated the viability of the anaerobic (co)digestion process for biogas production, using food waste and pig manure. After 120 days of reaction, the biogas generated had a concentration of 75.17% CH4 and 24.82% CO2, demonstrating the effectiveness of the biodigester built. In addition, it was possible to verify the importance of biogas purification, since data analysis showed a 1.67% increase in CH4 concentration after 30 minutes of purification using microalgae.