Com o objetivo de conhecer melhor o processo de digestão anaeróbia foi realizado um estágio no Laboratório de Bioquímica Ambiental da Faculdade de Engenharia Bioquímica da Pontifícia Universidade Católica (PUC) de Valparaíso, Chile. Os experimentos, definidos pela partida do reator tiveram inicio em Março de 2007 estando ainda em funcionamento. Os equipamentos, instrumentação e reagentes utilizados no experimento foram:
• Reservatório de alimentação • Bomba
• Reator CSTR – (continuous-flow stirred-tank reactor), Reator de fluxo contínuo com agitação de vidro.
• Medidor de temperatura • Medidor de pH
• Mangueiras • Meio ácido (HCl) • Meio básico (NaOH)
• Reservatório de saída do efluente.
A seguir é apresentada na Figura 4. 16, na Figura 4. 17 e na Figura 4. 18a bancada de experimentação:
Figura 4. 16: Bancada de experimentação.
Reator CSTR Medidor de pH Reservatório de Alimentação Medidor de temperatura Bomba Reservatório de saída de efluente
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Figura 4. 17: Meio ácido e básico para controle de pH.
Figura 4. 18: Sistema de medição de biogás.
O objetivo de se projetar e montar um reator era a validação de modelo de digestão anaeróbia implementado em MATLAB, proposto a partir de parâmetros cinéticos obtidos.
As condições iniciais de operação foram as seguintes: - O volume útil do reator projeto é de 4 litros;
- Tempo de Retenção hidráulico (TRH) inicial de 15 dias; - Fluxo de entrada do afluente de 0,2 (L/d) (4 litros /15 dias); - pH = 7,1.
O inóculo utilizado foi obtido a partir de lodos anaeróbios, de reatores de manta de lodo com fluxo ascendente (UASB), utilizado para o tratamento de esgoto doméstico. Este foi caracterizado
Meio Básico (NaOH) Meio Ácido (HCl) Sistema de medição de biogás
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em termos de sólidos totais (ST), sólidos voláteis (SV) e da atividade metanogênica especifica (AME).
O cultivo foi feito com uma concentração de amido inicial de 0,5 (g DQO amido/L) e uma concentração de biomassa de 10 g SSV/L. Quando se consumiu totalmente o amido iniciou-se o cultivo contínuo. A temperatura foi de 37°C e o pH de 7. O meio de cultivo corresponde ao meio utilizado para a determinação de parâmetros cinéticos utilizando tampão para manter o pH constante.
Uma vez finalizado a partida do sitema se iniciou o cultivo contínuo com uma velocidade de
carga orgânica (VCO) inicial de 0,067 (Kg DQO/m3.d), logo se aumentou a carga orgânica
aumentando a concentração de amido. A DQO média foi de 590g/L durante os primeiros meses e depois passou para 950 g/L. Uma vez alcançado estado estacionário se estabilizou o reator.
A proposta inicial foi usar a própria vinhaça como meio de cultivo. Mas devido as dificuldades de obtenção deste resíduo orgânico no Chile, para efeito de comparação foi elaborado um efluente sintético, baseado em açucares e mistura para obter uma composição próxima da vinhaça de vinho, e depois extrapolar os resultados a um efluente com vinhaça de destilação, utilizando os parâmetros cinéticos para o processo de digestão anaeróbia das vinhaças, neste caso a constante de hidrólise, constante de inibição e velocidades máximas de crescimento de bactérias, referenciados na literatura, já que os processos de acidogênese, acetogênese e metanogênese são os mesmos para diferentes matérias orgânicas. A alimentação do reator foi elaborada a partir dos seguintes componentes para 0,6 litros de alimento:
• 0,252 g de amido;
• 0,02 g de extrato de levedura; • Solução macro contendo: • 2,4 ml de NH4Cl;
• 1,2 ml de CaCl2; • 1,2 ml de KHPO4; • 1,2 ml de MgSO4.7H2O;
• 1,2 ml de Solução micro (atividade metanogênica) • 500 ml de água destilada.
As tomadas de amostras para a realização das análises foram realizadas semanalmente nos meses de março, abril, junho e julho, e todos os dias no mês de maio de 2007, retirando três mostras: uma do afluente de entrada (alimentação), uma do afluente dentro do reator e a última do efluente de saída. As análises químicas foram as seguintes:
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• Determinação de alcalinidade;
• Determinação da DQO solúvel e total pelo Método 5220 C, Standard Methods; • Determinação amido pelo Método de reativo DNS (Miller, 1959);
• Determinação da glicose (açúcares totais) pelo Método de Dubois;
• Concentração de Biomassa pelo Peso Seco: determinação de sólidos suspensos voláteis (baseado no método 2540 E da A.S.T.M. 1991);
• Ácidos Graxos Voláteis pelo método de cromatografia de gases (Cromatógrafo de gases Shimadzu modelo GC 8ª);
• Metano, para o metano foi utilizado o sistema de frasco invertido.
Logo após a partida (aproximadamente 2 meses depois) o reator apresentou problemas no funcionamento. Houve uma queda na produção de biomassa, não observando a produção de biogás no reator até então não medida. Isso ocorreu devido ao fato de uma redução da quantidade de amido no preparo da alimentação. Permitindo assim um desequilíbrio dentro do reator. Este problema somente foi resolvido quando se aumentou a concentração de amido do alimento, aumentando assim a carga orgânica de alimentação.
Os principais resultados obtidos durante o experimento estão apresentados nas figuras.
A Figura 4. 19 apresenta os dados experimentais relacionados aos valores de demanda bioquímica de oxigênio (DBO) na entrada e saída do reator. Pode-se observar um acréscimo nos valores de DBO, tanto na entrada como na saída, em função do tempo devido ao aumento da carga orgânica no reator. Isto devido ao fato de que o reator apresentou problemas durante a fase inicial de operação onde se observou uma redução da carga orgânica e conseqüentemente de DBO na entrada e saída. A causa principal destes problemas foi as falhas de entupimento da mangueira de alimentação prejudicando o funcionamento da bomba de alimentação do efluente no reator, sendo descartados alguns dados iniciais. A partir da estabilização do reator a tendência da DQO do reator e de saída é diminuir ao longo do tempo, devido a uma melhora na eficiência de remoção.
119 0 200 400 600 800 1000 1200 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 Tempo (dias) D QO ( g/ L ) Entrada Saída
Figura 4. 19: Dados experimentais de DQO na entrada e saída do reator.
Já na Figura 4.20 a seguir são mostrados os dados de concentração de ácidos graxos voláteis medidos no experimento. Os principais ácidos formados são os ácidos acético, butírico e propiônico. Na fase inicial de operação do reator não foi possível identificar o acúmulo de ácidos orgânicos voláteis no reator, nem tão pouco foi detectada a produção de biogás. Após 2 meses e meio de funcionamento pode-se detectar a presença de ácidos graxos voláteis no reator. Na maioria das análises realizadas no cromatográfo de gases foi detectada somente a presença de ácido acético nas amostras do reator. Sendo assim se compararmos a figura que nos mostra uma tendência de crescimento da concentração de AGV em função do tempo medido experimentalmente com a concentração de AGV simulado no modelo desenvolvido, este apresenta resultados semelhantes ao medido. Não ocorreu acumulo de AGV no reator que pudesse interromper a atividade metanogênica e consequentemente a produção de biogás. Segundo ADM01, 2002, os ácidos orgânicos (os ácidos acético, butírico e propiônico) causam inibição no processo de digestão anaeróbia, ou seja, afetam as funções dos microorganismos impedindo o seu completo metabolismo, quando estão a baixo pH. O que não ocorreu no experimento devido ao controle contínuo do pH.
120 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 Tempo (dias) Concentração de AGV (g/L)
Figura 4. 20: Dados experimentais de concentração de ácidos graxos voláteis no reator. A Figura 4. 21 apresenta o crescimento da concentração de células em função do tempo. Os dados experimentais iniciais apresentaram queda de produção de biomassa (bactérias acetogênicas e metanogênicas) visto que a quantidade inicial foi de 10 g/litro no reator. A redução de biomassa foi estabilizada e voltou a aumentar após a elevação da carga orgânica no reator. Para efeito da simulação no modelo as bactérias são divididas em dois grupos conforme desenvolvimento do modelo proposto por Bernard et al., 2001. No experimento medem-se dados de biomassa total, não separando em bactérias acidogênicas ou metanogênicas. Sendo assim a análise comparativa dos dados experimentais com os simulados mostra uma singularidade entre eles. Pois ambos apresentam um crescimento de biomassa ao longo do tempo. Obviamente que os dados medidos são apresentados a partir de uma linha de tendência, de maneira a enfatizar o aumento da concentração de microorganismos no reator.
121 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 Tempo (dias) B iomas sa (g/L)
Figura 4. 21: Dados experimentais de concentração de biomassa no reator.
Devido aos problemas já mencionados no início do funcionamento do reator não se observou a produção de biogás. Uma outra hipótese da não observação de biogás no reator poderia ser a baixa produção do mesmo devido à pouca disponibilidade de carbono biodegradável contida no substrato. Assim, a diluição do efluente, praticada até o momento, concorreria negativamente dissolvendo as baixas quantidades de gases gerados, somando-se aos erros decorrentes da operação de um sistema em escala tão pequena. Também devido a isto a diluição da alimentação foi diminuída gradativamente, conseqüentemente aumentando a carga orgânica.
A partir dos dados obtidos no experimento pode-se compará-los com os resultados implementados no modelo de Bernard, 2001, que foi desenvolvido para este experimento e apresentado no Apêndice 2.
Estes experimentos foram importantes para compreensão das particularidades e parâmetros dominantes do processo de digestão anaeróbia.
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