Aproveitamento Energético de Biomassa Residual

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação

Departamento de Pesquisa

DESCRIÇÃO PARCIAL DAS METAS ALCANÇADAS

IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO DE PESQUISA

Grande Área CNPq: Engenharia de Petróleo

Área CNPq: Processos Industriais de Engenharia Química

Título do Projeto

Aproveitamento Energético de Biomassa Residual Gerados no Norte Capixaba para Produção de Biogás, Hidrogênio e Gás de Síntese

Nome do grupo de pesquisa: GPETRO

Linha de pesquisa: Eficiência Energética

Pesquisador responsável (orientador): Jesuína Cássia Santiago de Araújo

Nome do sub-projeto do aluno

Caracterização de Resíduos Lignocelulósicos Produzidos no Norte Capixaba

Nome do aluno: Thaís Moreira de Carvalho

Curso e período: Engenharia de Petróleo / 9º Período

Março/2016

Introdução e justificativa:

O desenvolvimento de rotas alternativas para geração de energia, a partir de matérias-primas renováveis, tem se revelado como o desafio estratégico das futuras gerações. A iminente escassez das fontes não renováveis (petróleo), associados às exigências ambientais, tem impulsionado diversas pesquisas que buscam diversificar a matriz energética mundial.

Dentre os processos avaliados para a produção de energia a partir de biomassa residual, destaca-se a biodigestão controlada. Tal processo trata-se da decomposição biológica da matéria orgânica, na ausência de oxigênio molecular, com fins de gerar biogás, ocorrendo mediante quatro etapas: a hidrólise, a acidogênese, a acetogênese e a metanogênese.

O rendimento de metano durante o processo de biodigestão varia significativamente com a composição do substrato selecionado (percentual de gordura, proteínas e carboidratos). Além disso, outros fatores podem influenciar a degradação dos resíduos para formação de biogás, dentre os quais podemos citar: a temperatura, o pH, a razão C/N, a agitação e o teor de sólidos totais.

Com fins de potencializar o processo da digestão anaeróbia e aumentar a taxa de biodegrabilidade é conveniente submeter os resíduos orgânicos (lignocelulósicos) à pré-tratamentos físicos/mecânicos, químicos e térmicos. O objetivo de qualquer pré-tratamento aplicado em resíduos lignocelulósicos é de alterar ou remover impedimentos estruturais que dificultem a hidrólise biológica, modificando a estrutura cristalina da celulose.

Diante do exposto, este projeto visa identificar os resíduos produzidos na região norte Capixaba e caracterizá-los mediante ensaios físico-químicos (razão C:N, sólidos totais, cinzas, voláteis, cristalinidade, teor de lignina, celulose e hemicelulose). Espera-se que os resultados obtidos no final neste estudo possibilitem maiores esclarecimentos a cerca do aproveitamento sustentável dos resíduos agroindustriais produzidos na região.

Materiais e métodos utilizados:

As estratégias usadas para alcançar os objetivos do referido projeto foi dividir o trabalho em duas etapas. A primeira etapa foi direcionada à identificação (escolha), à coleta e ao tratamento prévio do resíduo produzido em maior quantidade na região (casca de café Conilon). A segunda foi direcionada a caracterização da matéria orgânica contida na referida amostra.

Pré-tratamento

Os resíduos da casca de café foram submetidos ao processo de moagem em um Oster 4093 Classic Beehive Blender, de forma a uniformizar a granulometria das partículas e minimizar o tamanho ao máximo. O tempo de moagem para cada amostra será de aproximadamente 5 minutos.

Caracterização

Os resíduos sólidos foram caracterizados por meio da determinação de parâmetros essenciais para definir as condições iniciais do processo de biodigestão, tais como a determinação da umidade e da composição da matéria orgânica.

Umidade

A determinação da umidade foi realizada por meio de análise gravimétrica. 1 g de amostra de resíduos foi previamente pesada de modo a se obter o peso úmido (Pu). Após determinação da massa úmida, o recipiente contendo a amostra foi mantido em estufa a 100 oC, até que o peso permanecesse constante. Uma vez atingido massa constante, a amostra foi novamente pesada de forma a se obter o peso seco (Ps). O valor da umidade será calculado a partir da Equação 1:

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Onde:

U - teor de umidade da amostra, em %m/m;

Pu- peso úmido da amostra, em g;

Ps - peso seco da amostra, em g;

Composição da matéria orgânica (Celulose, lignina e hemicelulose)

A determinação da matéria orgânica foi realizada via extração por solvente, utilizando um extrator Soxhlet semelhante ao apresentado na Figura 1.

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Figura 1: Sistema de Extração Soxhlet (a –balão de fundo redondo; b- condensador ; c – cartucho; d – tubo extrator e-solvente orgânico).

O processo foi conduzido utilizando tolueno (Vetec) e etanol (Vetec) como solvente à 95 oC, mediante o uso de manta aquecedora. O sistema será mantido sob refluxo a 1 atm e 100 oC até completa separação das fases orgânicas e inorgânicas. A mistura solvente-extrativos recuperada no balão de fundo redondo (Figura 1-a) foi separada por destilação simples. Em contrapartida, os sólidos inorgânicos contidos no cartucho (papel de filtro) (Figura 1-c) após extração foram secos em estufa a 105 oC e armazenados para serem utilizados nas análise subsequentes.

Lignina

Para determinar o teor de lignina utilizou-se cerca de 1,0000 g de amostra livre de umidade e extrativos. O procedimento se deu mediante a digestão da amostra com 17,0 mL de ácido sulfúrico 72% (m/m) em um almofariz de 300 mL. Após 15 minutos de agitação vigorosa e cuidadosa com o pistilo, até não haver mais partículas visíveis não solubilizadas, começou-se a marcar 24 horas de espera, para o início da próxima etapa. Entre as duas etapas, lavou-se um funil de vidro sinterizado (ASTM número 4), com uma capacidade de 50 mL, e colocou-se por duas horas em uma estufa a 105 ± 2 ºC. A seguir, o funil foi removido com pinças e guardado em um dessecador que continha sílica gel, até o momento da utilização, no dia seguinte. Depois de decorrido o tempo de digestão, adicionou-se 306 mL de água destilada ao almofariz para diluir o ácido sulfúrico a 4% e transferiu-se o conteúdo para um balão de 1.000 mL, em várias porções, e levou-se o balão para uma manta aquecedora, conectada a um condensador, onde manteve-se o material sob aquecimento e refluxo por 4 horas, contadas a partir do início da fervura. Findado o tempo de refluxo, desligou-se o aquecimento e esperou-se alguns minutos até o balão atingir a temperatura ambiente.