bitstream/item/79962/1/PSEUDOCAULEDABANANEIRA187.pd

BRÍGIDA, A. I. S.

CASSALES, A. R.

DANTAS, M. C.

FREITAS, A. V.

LEITAO, R. C.

PINTO, G. A. S.

SANTAELLA, S. T.

SILVA, J. X. da

SOUZA, F. J. de

Infoteca-e

ISSN 1679-6535Novembro, 2012Fortaleza, CE187Comunicado TécnicoFoto: Renato Carrhá Leitão Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da BananeiraRenato Carrhá Leitão1Alexsandro Viana Freitas2Francisco Justino de Souza3Marcelo Campêlo Dantas4Ana Iraidy Santa Brígida5Ana Ribeiro Cassales6Gustavo Adolfo Saavedra Pinto7Sandra Tédde Santaella81Engenheiro Civil, D.Sc. em Ciências Ambientais, pesquisador da Embrapa Agroindústria Tropical, Fortaleza, CE,  renato.leitao@embrapa.br2Graduando em Engenharia Química na Universidade Federal do Ceará, Bolsista de graduação UFC/Embrapa, Fortaleza, CE,  alex_vfreitas@yahoo.com.br3Licenciado em Química e Biologia, assistente A da Embrapa Agroindústria Tropical, Campo Experimental de Paraipaba, CE, justino.souza@embrapa.br4Biólogo, Mestre em Bioquímica, Professor da Universidade Estadual do Ceará, Crateús, CE, campelodantas@hotmail.com5Engenheira Química, Doutora em Tecnologia em Processos Químicos e Bioquímicos, Pós-Doutoranda na Embrapa Agroindústria Tropical, Fortaleza, CE, ana-iraidy@hotmail.com6Química Industrial, M.Sc. em Ciências e Tecnologia dos Alimentos, Analista da Agroindústria Tropical, Fortaleza, CE, ana.cassales@embrapa.br7Químico, D.Sc. em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos, pesquisador da Embrapa Agroindústria Tropical, Fortaleza, CE, gustavo.saavedra@embrapa.br8Química, D.Sc. em Hidráulica e Saneamento, professora associada da Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, CE, sandra@ufc.brApós a colheita da banana (Musa spp.), o pseudocaule é cortado e deixado sobre o solo como forma de disponibilizar matéria orgânica para as plantas que estão em desenvolvimento. Para aumentar a lucratividade da cadeia produtiva, pode--se aproveitar o pseudocaule para produção de polpa celulósica para confecção de papéis especiais (KUMAR; KUMAR, 2011). Contudo, durante o processo de separação da fibra do pseudocaule, ocorre geração do líquido do pseudocaule da bananeira (LPCB), que deve receber algum tipo de tratamento antes de ser disposto no meio ambiente.De acordo com o “Levantamento sistemático da produção agrícola” (IBGE, 2011), em 2011, o Brasil possuía 485.382 ha de plantação de bananeiras, que resultaram em uma safra de 6,97 x 106 t de bananas. Estima-se que uma plantação de bananas produza entre 15 t e 300 t/(ha.ano) de pseudocaule com umidade em torno de 94% (GONÇALVES 2 Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da BananeiraFILHO, 2011; GONZÁLEZ-GARCÍA et al., 2008). Se o pseudocaule fosse usado como fonte de fibras, a produção de LPCB em 2011 estaria entre 7 x 106 m³  e 140 x 106 m3.Análises físico-químicas do LPCB efetuadas no Laboratório de Tecnologia da Biomassa da Embrapa Agroindústria Tropical indicaram valores elevados de concentração de matéria orgânica (entre 9 gDQO.L-1 e 25 gDQO.L-1), o que torna o LPCB adequado ao tratamento biológico. Uma alternativa para utilização sustentável do LPCB é a degradação anaeróbia, visando não somente o tratamento, como também a produção de biogás para geração de energia (ROSA et al., 2011; CALZADA et al., 1988).A digestão anaeróbia do LPCB pode ser realizada em reatores anaeróbios de fluxo ascendente e leito de lodo – Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor (UASB) –, que apresentam várias vantagens, tais como: carga orgânica volumétrica (COV) superior a 10 kgDQO.m-3.d-1 (VIANA et al., 2012; CHAMY et al., 2007) e baixa produção de lodo (LETTINGA et al., 1980), o que se reflete em custo reduzido de construção, operação e manutenção. Vários estudos comprovam a eficiência do uso de reatores anaeróbios no tratamento de efluentes de agroindústrias tanto em escala de laboratório como em escala real (AHMAD et al., 2011; CHAN et al., 2009; NEVES et al., 2009; TAWFIK et al., 2008).Nesta pesquisa, o processo de produção de metano a partir do LPCB foi realizado em dois reatores, um em escala de laboratório (Figura 1) e outro em escala piloto (Figura 2). Os dois reatores eram do tipo UASB, sendo que o reator em escala de laboratório tinha altura de 1,82 m e volume útil de 14,85 L, e o reator em escala piloto tinha altura de 5,0 m e volume útil de 190 L. O reator em escala de laboratório foi operado durante 468 dias, com COV de até 10 kgDQO.m-3.d-1 (Figura 3A), enquanto o reator em escala piloto foi operado durante 293 dias, atingindo COV de até 5,3 kgDQO.m-3.d-1 (Figura 4A).O reator em escala de laboratório foi inoculado com uma mistura, em igual proporção, de lodos anaeróbios provenientes de: (i) reator UASB que trata esgoto de uma cervejaria, (ii) reator UASB da Companhia de Água e Esgoto do Ceará, que trata esgoto doméstico, e (iii) reator UASB em escala de laboratório alimentado com sacarose e nutrientes. A essa mistura, adicionou-se líquido ruminoso de caprinos. O reator em escala piloto foi inoculado apenas com lodo anaeróbio proveniente de um reator UASB da Companhia de Água e Esgoto do Ceará, que trata esgoto doméstico.Legenda:1) Reator UASB 2) Selo hidráulico3) Gasômetro4) Agitador rotativo lento (1 rpm)5) Refrigerador 4 °C6) Reservatório para efluente7) Reservatório para afluente8) Bomba para afluente9) Bomba para recirculaçãoFigura 1. Esquema e foto do reator UASB em escala de laboratório.Foto: Renato Carrhá Leitão3Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da BananeiraFigura 2. Fotos do reator UASB em escala piloto: (A) reator UASB e estrutura de apoio; (B) tanque de alimentação, bombas dosadoras e gasômetro.A BApós a inoculação, os reatores passaram por uma etapa de adaptação, na qual a concentração do LPCB foi aumentada gradativamente, reduzindo a diluição e aumentando a COV. A mudança de operação era realizada baseando-se na resposta do reator quanto à razão ácidos graxos voláteis totais / alcalinidade a bicarbonato. A alimentação do reator foi feita com LPCB proveniente do processo de beneficiamento de pseudocaules de bananeiras pacovan (Musa AAB, subgrupo prata) do Campo Experimental da Embrapa Agroindústria Tropical situado no Município de Paraipaba, CE. Após as etapas de trituração e prensagem, o LPCB foi decantado e peneirado para retirada de fibras e sólidos maiores que 1 mm.Nutrientes e micronutrientes foram adicionados ao LPCB, conforme apresentado nas Tabelas 1 e 2. Para o reator em escala de laboratório, adicionou-se alcalinizante com concentração mínima de 0,1 gNaHCO3.g-1DQO aplicada. Já para o reator em escala piloto, adicionou-se soda cáustica até que o pH da solução com LPCB atingisse pH 7.Nutriente Concentração(g.gDQO-1)Solução de micronutriente Concentração (mg.gDQO-1)NH4Cl 0,15 FeCl2.4H2O 1,62K2HPO4 0,10 H3BO3 0,06MgSO4.7H2O 0,04 ZnCl2 0,02CaCl2.2H2O 0,13 CuCl2.2H2O 0,02Extrato de levedura 0,008 NiCl2.6H2O 0,05Solução de micronutrientes 100 mL/LMnCl2.4H2O 0,41(NH4) 6Mo7O24.4H2O 0,84AlCl3.6H2O 1,78CoCl2.6H2O 0,80Na2SeO3.5H2O 0,08EDTA 0,23Tabela 1. Composição das soluções de nutrientes e micronutrientes utilizadas na operação do reator UASB em escala de laboratório.Fonte: Viana et al. (2012).Fotos: Renato Carrhá Leitão4 Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da BananeiraTabela 2. Composição das soluções de nutrientes e micronutrientes utilizadas na operação do reator UASB em escala piloto.Nutriente Concentração (g.gDQO-1)Solução de Micronutriente Concentração (mg.gDQO-1)(NH2)2CO (Ureia) 0,136 FeCl3.6H2O 2,990Na2HPO4 0,024 AlCl3.6H2O 0,396MgCl2.6H2O 0,021 ZnCl2 0,024KCl 0,011 NiCl2.6H2O 0,046CaCl2.2H2O 0,069 CoCl2.6H2O 0,895(NH4)6Mo7O24.4H2O 0,839MnCl2.4H2O 0,409CuCl2.2H2O 0,018H3BO3 0,065Na2SeO3.5H2O 0,076Os resultados da operação do reator UASB em escala de laboratório mostraram que houve adaptação da biomassa presente no reator aos aumentos de COV, iniciando em 1,9 kgDQO.m-3.d-1 e finalizando em 9,9 kgDQO.m-3.d-1, após 468 dias de operação. A Figura 3 apresenta a variação da DQO e a eficiência de remoção de matéria orgânica em função da COV aplicada durante a operação. As mudanças na COV ocorriam cada vez que o sistema estava adaptado ao regime de alimentação, ou seja, quando os valores de pH, alcalinidade, ácidos graxos voláteis, razão ácidos graxos voláteis (AGV) / alcalinidade, produção de biogás e eficiência de remoção de matéria orgânica atingiam valores próximos aos previstos. A variabilidade intrínseca da concentração de matéria orgânica no LPCB natural levou à instabilidade dos valores de COV e DQO no afluente aos reatores. Contudo, o reator UASB manteve-se estável, como pode ser verificado na baixa variabilidade dos valores de DQO do efluente. Durante quase todo o período operacional, a eficiência de conversão da matéria orgânica afluente em biogás se manteve próxima a 90%. O melhor desempenho do reator UASB foi obtido na fase de laboratório, com aplicação de COV de aproximadamente 8 kgDQO.m-3.d-1 (Etapa IV), quando o reator atingiu eficiência de remoção de DQO de 85,9%, produzindo, em média, 39 L/d, de biogás com aproximadamente 75% de CH4. Em escala piloto, o reator UASB foi menos eficiente que o de laboratório, na conversão da matéria orgânica do LPCB em metano. A operação foi dividida em duas etapas, que se diferenciaram no tipo de pseudocaule de onde foi extraído o LPCB. Na primeira, o pseudocaule era proveniente de bananeiras cujos frutos tinham sido colhidos recentemente; enquanto, na segunda etapa, os pseudocaules eram de bananeiras mais antigas. A idade do pseudocaule ou o fato de a colheita ter sido ou não realizada antes da coleta desse pseudocaule parece ter influência significativa na concentração de matéria orgânica e na composição do LPCB. Isso influenciou o desempenho do reator. O LPCB usado na primeira e na segunda etapa de operação do reator em escala piloto tinha DQO média de 17 g.L-1 e 10 g.L-1, respectivamente. O reator UASB manteve-se estável na primeira etapa de operação, atingindo COV de 2,2 kgDQO.m-3.d-1. A tentativa de aumento de carga orgânica realizada na segunda etapa causou uma diminuição da eficiência de conversão da matéria orgânica, com consequente redução da taxa de metanização (Figura 4).Para aplicação em escala real, a produção de biogás a partir do LPCB deve ser realizada em um reator UASB, operado com carga orgânica de COV de até 2 kgDQO.m-3.d-1. O reator deve, primeiramente, ser inoculado com lodo anaeróbio proveniente de outros reatores já em funcionamento, como por exemplo, sistemas de tratamento de esgotos domésticos, estações de tratamento de efluentes de cervejarias, fecularias, laticínios, etc. O lodo anaeróbio deve, preferencialmente, ser do tipo granular e ter atividade metanogênica específica maior que 0,3 kgDQO.kg-1SV.d-1. Após a inoculação, o reator anaeróbio deve passar por uma etapa de adaptação, na qual a concentração de LPCB deve ser aumentada gradativamente, de acordo com o crescimento da 5Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da Bananeiraatividade metabólica do lodo. Nessas condições, o reator produziu em média 71 L.d-1 de biogás (Figura 4B), o que equivale a uma produção específica de 2,07 L de biogás por litro de LPCB, ou 1,55 L de metano por litro de LPCB (considerando que, na composição do biogás, tenha 75% de metano). Com isso, é possível produzir 0,34 m3CH4.m-3 de reator, o que possibilita a geração teórica de 0,84 kW.m-3 de LPCB ou 0,18 kW.m-3 de reator. Neves et al. (2009) relataram produção específica de metano de aproximadamente 0,4 L CH4.m-3 de efluente de indústria de laticínios e usina de açúcar, e de 1,1 L CH4.m-3 de efluente da indústria de café.Durante a alimentação, devem-se adicionar nutrientes como mostrado na Tabela 2 e soda cáustica (alcalinizante) de forma que a solução de LPCB na alimentação tenha pH próximo a 7. O LPCB deve ser peneirado antes de ser usado e o tanque de armazenamento da solução de LPCB deve ser mantido em constante agitação para evitar a decantação do material particulado.Figura 3. Variação das concentrações de DQO afluente e efluente (B), da eficiência de remoção de matéria orgânica (C) e da produção de biogás (D), de acordo com a COV aplicada (A) ao longo do tempo de operação do reator UASB em escala de laboratório.6 Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da BananeiraFigura 4. Variação da produção de biogás (B) de acordo com a COV aplicada (A) ao longo do tempo de operação do reator UASB em escala piloto.AgradecimentosOs autores agradecem o apoio financeiro da Embrapa, Edital 01/2008 – Macroprograma 2. Os autores também agradecem aos assistentes de pesquisa que contribuíram de forma efetiva para a elaboração desta pesquisa: Joacir Xavier da Silva e Damião Alves de Lima.ReferênciasAHMAD, A.; GHUFRAN, R.; WAHID, Z. A. Bioenergy from anaerobic degradation of lipids in palm oil mill effluent. Reviews on Environmental Science and Biotechnology, v.10, p.353-376, 2011.CALZADA, J. F.; ARRIOLA, M. C.; ROLZ, C.; VALLADARES, J. Treatment of banana stem juice: methane production and effluent purification. Environmental Technology Letters, v. 9, p.785-790, 1988.CHAMY, R.; PIZARRO, C.; VIVANCO, E.; SCHIAPPACASSE, M. C.; JEISON, D.; POIRRIER, P.; RUIZ-FILIPPI, G. Selected experiences in Chile for the application of Uasb technology for vinasse treatment. Water Science and Technology, v. 56, p. 39-48, 2007.CHAN, Y. J.; CHONG, M. F.; LAW, C. L.; HASSELL, D. G. A review on anaerobic–aerobic treatment of industrial and municipal wastewater. Chemical Engineering Journal, v.155 p.1-18, 2009.GONÇALVES FILHO, L. C. Utilização do pseudocaule de bananeira como substrato da fermentação alcoólica: avaliação de diferentes processos de despolimerização. 2011. 98 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Processos) - Universidade da Região de Joinville – Univille, Joinville.GONZÁLEZ-GARCÍA, E.; CÁCERES, O.; ARCHIMÈDE, H.; ARECE, J.; SANTANA, H.; DELGADO, R. Nutritional assessment of banana (Musa paradisiaca) leaves and pseudostems for ruminants. Journal of Animal Science, v. 86, p. 474, 2008.IBGE. Pesquisa mensal de previsão e acompanhamento das safras agrícolas no ano civil. Levantamento sistemático da produção agrícola. Rio de Janeiro. v. 24, n. 4, p.1-82, 2011. Disponivel em: <http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/indicadores/agropecuaria/lspa/lspa_201104.pdf>. Acesso em: 11 out. 2012.KUMAR, M.; KUMAR, D. Comparative study of pulping of banana stem. International Journal of Fiber and Textile Research, v. 1, p.1-5, 2011.LETTINGA, G; VAN VELSEN, A. F. M.; HOBMA, S. W.; DE ZEEUW, W.; KLAPWIJK, A. Use of the Upflow Sludge Blanket (USB) Reactor concept for biological wastewater treatment, especially for anaerobic treatment. Biotechnology and Bioengineering, v. 22, p. 699-734, 1980.NEVES, L. C. M.; CONVERTI, A.; PENNA, T. C. V. Biogas production: new trends for alternative energy sources in rural and urban zones. Chemical Engineering and Technology, v. 32, p.1147-1153, 2009.7Produção de Biogás a Partir do Líquido do Pseudocaule da BananeiraROSA, M. F.; SOUZA FILHO, M. S. M.; FIGUEIREDO, M. C. B.; MORAIS, J. P. S.; SANTAELLA, S. T.; LEITÃO, R. C. Valorização de resíduos da agroindústria. In: SIMPÓSIO INTERNACIONAL SOBRE GERENCIAMENTO DE RESÍDUOS AGROPECUÁRIOS E AGROINDUSTRIAIS, 2., 2011, Foz do Iguaçu. Anais... Foz do Iguaçu: SBERA, 2011. TAWFIK, A.; SOBHEY, M.; BADAWY, M. Treatment of a combined dairy and domestic wastewater in na up-flow anaerobic sludge blanket (Uasb) reactor followed by activated sludge (AS system). Desalination, v. 227, p.167-177, 2008.VIANA, M. B.; FREITAS, A. V.; LEITÃO, R. C.; SANTAELLA, S. T. Biodegradability and methane production potential of glycerol generated by biodiesel industry. Water Science and Technology, v. 66, n.10, p. 2217-2222, 2012.Exemplares desta edição podem ser adquiridos na:Embrapa Agroindústria TropicalEndereço: Rua Dra. Sara Mesquita 2270, Pici,  CEP 60511-110 Fortaleza, CEFone: (0xx85) 3391-7100Fax: (0xx85) 3391-7109 / 3391-7141E-mail: vendas@cnpat.embrapa.br1a edição (2012): on-line Comitê de PublicaçõesExpedienteComunicadoTécnico, 187Presidente: Marlon Vagner Valentim Martins Secretário-Executivo: Marcos Antonio Nakayama Membros: José de Arimatéia Duarte de Freitas, Celli Rodrigues Muniz, Renato Manzini Bonfim, Rita de Cassia Costa Cid, Rubens Sonsol Gondim, Fábio Rodrigues de Miranda.Revisão de texto: Marcos Antonio Nakayama  Editoração eletrônica: Arilo Nobre de OliveiraNormalização bibliográfica: Rita de Cassia Costa Cid

Produção de biogás a partir do líquido do pseudocaule da bananeira.

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Produção de biogás a partir do líquido do pseudocaule da bananeira.

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