processo de fermentação anaeróbia

5/21/2018 Processo de Fermentao Anaerbia

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1 Processo de digesto anaerbiaEm 1776 Alessandro Volta, fsico Italiano, descobriu o ar combustvel,

formado em sedimentos no fundo de lagos e rios. Oitenta anos mais tarde Reisetdetectou a formao de metano em estrumeiras e props o estudo desse tipo de manejode resduos para explicar o processo de decomposio anaerbia. Bechamp, em 1868,concluiu que o gs metano formado por microrganismos, sendo que em 1875, Popoff,investigou a formao de metano a partir de vrios substratos. Em 1890, Van Senusverificou que a decomposio anaerbia era feita por vrios microrganismos eOmeliansui isolou organismos que produziam hidrognio, cido actico e butrico, a

partir da celulose. Deduziu tambm que o metano seria produzido a partir da reduo dogs carbnico por hidrognio (EEA, 2005). Em 1910, Sohngen verificou que afermentao de materiais orgnicos produz compostos reduzidos como hidrognio,cido actico e gs carbnico. Demonstrou tambm que ocorre a reduo de CO2 para a

formao de metano e assumiu que o cido actico descarbonizado para formao demetano. Essa hiptese, hoje considerada correta, permaneceu em controvrsia por vriasdcadas. Em 1914, Thum e Reichle concluram que o processo se dava em duas fases:cida e metnica. Em 1916, Imhoff, denominou de digesto cida e digesto metnica asfases do processo. Em 1940, Barker isolou aMethano Bacterium Omelianski que oxidao etanol, o acetato e o metano. Em 1948, Buswell e Sollo, utilizando 14C provaram queo metano vindo do acetato no ocorre atravs de reduo de CO2. Em 1956 Jerrisverificou que 70% do metano produzido eram provenientes do acetato. Em 1967 Briant

publicou que existem 2 grupos de bactrias que convertem a metano. Uma pela via doacetato e outra pelo hidrognio (EEA, 2005).

Segundo SANCHEZ et al (2005), o processo de digesto anaerbia umprocesso na qual microrganismos atuam na ausncia de oxignio para reduzirem asestruturas complexas de materiais orgnicos em estruturas mais simples como metano(CH4) e dixido de carbono (CO2). Tal processo de digesto ocorre em quatro fases, ahidrlise, acidognese, acetognese e metanognse.

Hidrlise

O processo de degradao da matria orgnica inicia-se com a hidrlise domaterial presente no efluente, gerando-se compostos mais simples, que possam serassimilados pelos microrganismos, esta etapa tambm chamada de depolimerizao

(PALMISANO, 2003). Normalmente os compostos orgnicos complexos (polmerosorgnicos) so transformados em monmeros ou dmeros, como acares, cidosorgnicos, aminocidos, etc. Esta converso executada por enzimas extracelulares queso excretadas pelas bactrias fermentativas hidroflicas, chamadas hidrolasas. Deacordo com LEMA (1997), na degradao de muitos compostos polimricos h

possibilidade da etapa hidroltica ser mais lenta que as demais etapas, sendo esta a quelimita o processo global de digesto anaerbia. Os principais fatores que influenciam nahidrlise, segundo LETTINGA (1985), so: pH, temperatura, tempo de reteno,tamanho e distribuio das partculas.

A aplicabilidade da digesto anaerbia ficou por algum tempo restrita degradao de compostos mais simples como acares, carboidratos e cidos graxos

volteis, no sendo tratados por este processo efluentes que continham gorduras(lipdeos), devido principalmente a problemas de arraste de biomassa (massa de


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microrganismos) e as substncias intermedirias formadas durante a hidrlise, quepodem ser txicas aos micro-organismos. Este mesmo fenmeno foi observado porALONSO et al. (1995) ao estudar a aplicabilidade da digesto anaerbia para efluentescom celulose, verificando uma baixa biodegradabilidade, devido ao acmulo desubstncias inibidoras do metabolismo anaerbio, como lignina e compostos fenlicos

provenientes da etapa de hidrlise (RINZEMA et al., 1993).

Acidognese

Esta etapa acontece quando a matria orgnica dissolvida biodegradada atcidos graxos volteis (cido actico, propinico, butrico), hidrognio, dixido decarbono e alcois por uma populao de bactrias heterogneas. Dentre osmicrorganismos presentes nesta etapa esto s bactrias acidognicas que so as

predominantes e ainda fungos e protozorios. Estas bactrias so consideradas decrescimento rpido, com tempo de duplicao mnimo de 30 minutos (MUSSATI,1998), e seu principal processo a produo de cido actico. As demais reaes so

respostas das bactrias ao acmulo de hidrognio durante as perturbaes de carga dosistema.

Acetognese

Nesta etapa os produtos formados anteriormente so oxidados para acetato,hidrognio e gs carbnico, com o objetivo de fornecer substrato apropriado aosmicrorganismos metanognicos. Em geral isto acontece a partir de dois mecanismos: o

primeiro a acetognese de hidrogenao que produz cido actico como um s produtofinal de fermentao de hexoses ou de CO2e H2,e o segundo chamado de acetognesede desidrogenao que converte os cidos graxos de cadeia curta e longa em cidoactico por um grupo de bactrias acetognicas. O grupo bacteriano desta etapa tem umcrescimento relativamente lento, tempo de duplicao mnimo de 1,5 a 4 dias(MUSSATI, 1998). As reaes que produzem so muito mais complexasenergeticamente e so interrompidas facilmente por acumulo de gs hidrogniodissolvido no meio. De todos os produtos produzidos por estes micro-organismossomente o acetato e o hidrognio podem ser assimilados pelas bactrias metanognicas.

De acordo com as pesquisas realizadas por BREURE et al. (1984), a distribuiodos cidos orgnicos volteis depender principalmente da natureza do substrato e dascondies s quais os microrganismos esto sendo expostos. Com isto a etapa deacetognese pode ser mais ou menos intensa no processo de degradao do substrato.

Segundo SPEECE (1995), na degradao de efluentes complexos, como oscarboidratos, a maior frao do metano formado resulta do acetato como precursordireto. Cerca de 20% da produo de metano do sistema tem como precursor o

propionato, que durante o metabolismo convertido a acetato e hidrognio e gscarbnico.

Metanognese

O processo de degradao do substrato finalizado por esta etapa, que consiste natransformao dos produtos formados (com um ou dois tomos) anteriormente emmetano e dixido de carbono. A formao do metano executada por dos mecanismos

distintos, conforme descreve SPEECE (1995). O primeiro consiste da formao dometano a partir do CO2e H2, pelos microrganismos arqueas hidrogenotrpicas. Estes se


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desenvolvem rapidamente com um tempo de duplicao mnimo de 6 horas e controla opotencial de oxi-reduo do processo, os traos de hidrognio que ficam no meioregulam a velocidade total de produo de cidos pelas bactrias acidognicas, e acomposio da mistura formada. O hidrognio tambm controla a velocidade da qual oscidos propinico e butrico so convertidos a cido actico, ou seja, regulam a

formao de cidos volteis. O segundo mecanismo consiste da produo do metano apartir do acetato, realizada pelos microrganismos do grupo de arqueas acetoclsticas,que se desenvolvem muito lentamente com um tempo de duplicao mnimo de 2 a 3dias, e influenciam no pH do sistema pela eliminao do cido actico e formao dedixido de carbono, alm do mais, so responsveis pela maioria do metano produzido.Segundo LEMA (1997), os microrganismos metanognicos possuem uma velocidade decrescimento e um fator de produo de biomassa inferior ao dos grupos acidognicos esulfato redutores, o que muitas vezes gera desequilbrio no processo de degradao dosubstrato.

Reduo de sulfato

Na presena de sulfato, sulfito ou outros compostos a base de enxofre a oxidaoda matria orgnica realizada utilizando estes compostos como aceptores de eltrons.Como produtos finais deste processo sero formados o gs sulfdrico e gs carbnico(CHERNICHARO, 1997). Segundo LETTINGA et al. (1985), os microrganismosresponsveis pela reduo dos compostos de enxofre so chamados de bactriasredutoras de sulfato. Estes microrganismos so capazes de utilizar vrios tipos desubstrato para o seu crescimento e manuteno. A habilidade de utilizar os cidosorgnicos volteis torna este grupo importante para o equilbrio da digesto anaerbia.

Pela existncia da possibilidade de ambos os grupos de bactrias, redutoras desulfato e metanognicas, poderem utilizar o acetato como fonte de carbono e energia

para o seu crescimento, em sistemas onde estes dois grupos estejam presentes, acompetio entre eles pode afetar o desempenho do sistema de (BHATTACHARYA etal., 1996).

O aumento desta competio torna-se mais importante quando a relao daDemanda Qumica Orgnica (DQO)/

pequena. Segundo LETTINGA et al.(1985), a digesto anaerbia pode ser realizada sem problemas quando esta relao superior a 10. Teoricamente a reduo completa do sulfato possvel para relaes deDQO /

acima de 0,67. Porm, a literatura cita que em relaes abaixo de 10, osistema anaerbio tem dificuldades para proceder a degradao da matria orgnica em

taxas satisfatrias. O modelo matemtico desenvolvido por LETTINGA et al. (1985)explica que com a diminuio da relao DQO /, a concentrao do H2S aumenta

no reator, e a capacidade de arraste do biogs formado no reator decai rapidamente como declnio da relao, aumentando a quantidade de H2S solvel no efluente. LETTINGAet al. (1985) citam alguns dos microrganismos envolvidos neste processo de reduo dosulfato, tais como: Desulfobacter postgatei, Desulfobulbus propionicus, Desulfovibrio

sp, entre outros.A reduo do sulfato pode ser executada por outros metabolismos. POLANCO

et al.(2001) propem um novo processo de remoo de sulfato e nitrognio em meioanaerbio. Neste novo processo estaria envolvida a oxidao da amnia e a reduo dosulfato, com a formao de enxofre elementar e nitrognio molecular.


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Fatores que influenciam a atividade anaerbia

Influncia da Temperatura

De acordo com SNCHEZ et al.. (2001), pesquisas tm registrado a aplicao

do processo anaerbio em diferentes faixas de temperatura. Segundo LEMA (1997),estas faixas de temperatura associadas com o crescimento microbiano podem serclassificadas como:

- faixa psicroflica: entre 0 e aproximadamente 20 C;- faixa mesoflica: entre 20 e aproximadamente 45 C;- faixa termoflica: entre 45 e aproximadamente 70 C.

Na faixa mesoflica (20-45C), a temperatura tima se situa em torno de 35C ena faixa termoflica (45-65C), em torno de 55C (SOARES & HIRATA, 1997).Segundo SOARES (1990), o processo apresenta uma maior instabilidade nos seus

parmetros de controle, quando operado na faixa termoflica, e quando ocorre variaoda temperatura, esse problema se agrava podendo afetar mais seriamente o processo. Ogrupo de bactrias metanognicas so os que mais sofrem com a influncia datemperatura, pois apresentam um intervalo de temperatura muito restrito de operao,

podendo causar o aumento de cidos volteis atravs de baixas temperaturas, econsequentemente uma queda de pH.

A digesto anaerbia possvel temperatura baixa (10C), mas a eficincia e acarga orgnica diminuem muito com a diminuio da temperatura. (VAN HAANDEL& LETTINGA, 1994). Segundo SPEECE (1996) para cada 5C de queda de temperaturah um declnio de 34% da atividade dos microrganismos, o mesmo autor considera atemperatura tima na faixa de 25 a 30 C para processos mesoflicos.

Influncia do pH

O pH se manifesta sob diferentes formas alterando as cargas dos stios ativos dasenzimas, modificando suas estruturas e consequentemente perdendo suas caractersticas,aumentando ou diminuindo a toxicidade destes. Segundo LEMA (1997) o pH timodepende do consrcio de microrganismos envolvidos no processo. Normalmente osmicrorganismos tm o seu pH timo perto da neutralidade como o caso das arqueasmetanognicas, com uma faixa tima de 6,5 a 8,2. Em condies acima ou abaixo destafaixa decresce a taxa de produo de metano.

As bactrias produtoras de cidos tm um crescimento timo na faixa de pHentre 5 e 6, tendo uma tolerncia maior a valores mais baixos de pH que as arqueasmetanognicas. Em sistemas onde existe uma srie de microrganismos atuando emforma de consrcios, deve-se buscar a faixa de pH onde se propicia o crescimentomximo da maior parte dos microrganismos envolvidos (SOARES, 1990). SOARES(1990) relata ainda que, o pH est intimamente ligado a concentraes de cidosorgnicos volteis no meio, resultante do equilbrio entre populaes de microrganismose a alcalinidade total do sistema. Portanto, qualquer desequilbrio no sistema provoca oacmulo de cidos orgnicos no meio e consequentemente queda do pH. Segundo oautor os valores de pH abaixo de 6 e acima de 8, praticamente fazem cessar a produode metano.

Os dois principais compostos que afetam o pH nos processos anaerbios so ocido carbnico e os cidos volteis. Na faixa de pH entre 6 e 7,5 a capacidade de


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tamponamento (capacidade de uma determinada amostra em resistir a mudana do pH)do sistema quase completa, dependendo da relao gs carbnico / alcalinidade, queem equilbrio com a dissociao do cido carbnico, tende a regular a concentrao doon H+.

As Equaes 2.1 e 2.2 expressam a gerao de alcalinidade resultante dadegradao de uma protena. Segundo Speece (1995), o resultado do aumento dealcalinidade durante a digesto anaerbia o resultado do metabolismo da matriaorgnica realizada pelos microorganismos com a liberao de um ction e um anion. Na

biodegradao de compostos orgnicos nitrogenados, o aumento da alcalinidade proporcional quantidade de amnia liberada.

RCHNH2COOH + 2 H2O RCOOH + NH3 +CO2 + 2 H2 (2. 1)NH3 + H2O + CO2 NH4++ HCO3

- (2. 2)Segundo Anderson e Yang (1992) apud Speece (1995) a concentrao de cidosorgnicos, sulfatos, compostos nitrogenados, e DQO tm um profundo efeito nademanda de alcalinidade para o controle do pH no tratamento anaerbio. As equaes2.3, 2.4 e 2.5 a seguir apresentam a alcalinidade gerada a partir do sulfato e sulfito.4 H2 +SO4--+ CO2 HS-+ HCO3-+ 3 H2O (2. 3)CH3COO-+ SO4-- 2 HCO3-+ HS- (2. 4)3 CH3COOH-

+ 4 HSO3- 3 HCO3-+ 4 HS-+ 3 H2O + 3 CO2 (2. 5)

C. Necessidades nutricionais

Segundo LEMA et al.. (1997), uma das principais vantagens do processo anaerbio a

sua baixa necessidade de nutrientes, devida logicamente a baixa produo celular.


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As necessidades nutricionais dos microrganismos presentes no sistema anaerbio soestabelecidas de acordo com a composio qumica das clulas microbianas. Este dadoexato raramente conhecido, sendo esta informao determinada com base nacomposio emprica das clulas.Os elementos qumicos em maior quantidade na composio dos microrganismos so:

carbono, oxignio, nitrognio, hidrognio, fsforo e enxofre. Outros nutrientes sonecessrios para a biossntese dos componentes celulares, como ctions (Mg+2, Ca+2,Na+1,K+1, Fe+2), nions (Cl-,

), e traos de elementos considerados comomicronutrientes (Co, Cu, Mn, Mo, Zn, Ni, Se,) servindo como elementos auxiliares paravrias enzimas. Os microrganismos precisam de uma fonte de carbono para o seucrescimento, muitos utilizam CO2 outros, carbono orgnico. A classificao dosmicrorganismos em seres autotrficos e heterotrficos est relacionada fonte decarbono utilizada pelos mesmos, onde os autotrficos sintetizam suas molculascarbnicas a partir do CO2, e os heterotrficos utilizam como fonte de carbonocompostos orgnicos (CHERNICHARO, 1997).De acordo com CHERNICHARO (1997), assumindo-se que os nutrientes estejam numa

forma disponvel, uma relao de nutrientes representada pela Equao 2.6 geralmenteutilizada nos processos de tratamento de efluente.DQO:N:P = 350:5:1 (2. 6)

D. Toxicidade a digesto anaerbia

Segundo CHERNICHARO (1997), a adequada degradao dos efluentes por qualquerprocesso biolgico depende da manuteno de um ambiente favorvel para osmicrorganismos, incluindo o controle e a eliminao de constituintes txicos. Atoxicidade tem sido considerada uma das principais razes para a no aplicao de

processos anaerbios, pois as bactrias metanognicas so facilmente inibidas portoxinas, devido a sua pequena frao de substratos sintetizado em clulas e ao elevadotempo de gerao dessas bactrias. Os microrganismos possuem um grau de adaptao aconcentraes inibitrias, desde que certas condies de projeto sejam favorecidascomo elevados tempos de residncia de slidos e minimizao do tempo de residnciadas toxinas no sistema.Grupos de substncias qumicas como metais pesados e substncias organoclorados tmuma influncia txica, mesmo em concentraes muito baixas. (POL et al.1998).Os microrganismos podem ser capazes de biotransformar compostos como clorofrmioe tricloroetano, desde que seja usada uma metodologia apropriada, na qual o aumento daconcentrao do composto txico seja feito vagarosamente, e com a preveno de perda

de biomassa do sistema. (SPEECE, 1995).

E. Toxidade por compostos orgnicos

HWU et al.. (1998) estudaram a biosoro dos cidos graxos de cadeia longa (LCFA)em reatores UASB, concluindo que a adsoro destes compostos na matriz dos grnulosde microrganismo rpida e que, com o aumento da concentrao destes compostos noefluente, maior ser a sua adsoro aos grnulos, gerando uma maior inibio na suadegradao.A degradao de corantes do tipo azo, produto normalmente utilizado na indstria txtile de curtume, foi estudada por MANU et al. (2001), onde o efeito txico, destes

corantes e dos sais presentes neste tipo de efluente, nos micro-organismosmetanognicos foi avaliado atravs dos indicadores de produo mxima de metano e


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mxima atividade metanognica. Os resultados mostraram no haver inibio quanto amxima produo de metano, porm os resultados da atividade metanognica indicaramque concentraes acima de 400 mg/l do azocorante preto (Reativo 5B) podem serinibitrias para estes microorganismos.

F. Toxidade por amnia

Segundo CHERNICHARO (1997), a presena do bicarbonato de amnia, resultante dadegradao de efluentes ricos em compostos proticos ou uria, benfica ao sistema dedigesto, como fonte de nitrognio e como tampo para alteraes de pH. Tanto o onamnia (

) quanto a amnia livre (NH3) podem ser txicas aos microrganismos.Estas duas formas apresentam-se relacionadas pela Equao 2.7.

NH3+ H2O + OH - (2.7)

STERLING et al. (2001) estudaram o efeito da amnia na produo de hidrognio e

metano, empregando diferentes concentraes de uria como fonte de nitrognioamoniacal. Os autores verificaram que a concentrao de H2aumentou nos digestoresque continham de 600 a 1500 mg N/l, e no digestor com 3000 mg N/l a produo de H2foi inibida. As produes de metano e de biogs decaram com o aumento da adio deuria.Segundo SPEECE (1995) quando 10.000 mg/l de N-

foram adicionados a umabiomassa metanognica em pH neutro, a taxa de produo de biogs gradativamentecaiu a zero, indicando forte inibio celular. Entretanto aps 10 dias de produoinsignificante de biogs, a atividade da biomassa rapidamente retornou para 70% daatividade inicial nos primeiros 5 dias, mostrando que a amnia no tem um efeito

bactericida.

G. Toxidade por sulfato e sulfeto

Segundo LETTING et al. (1985) o tratamento anaerbio de efluentes que contenhamcompostos sulfonados podem gerar grandes problemas de inibio em concentraesacima de 145 mg S/l de H2S no dissociado, apesar do sulfeto de hidrognio (H2S) serum nutriente essencial para as arqueas metanognicas. Conforme LETTINGA et al.,(1985), a inibio pelo sulfeto est relacionada com o pH do meio, pois o H2S formadodurante a digesto anaerbia dissocia-se na gua, gerando HS e S 2. A forma nodissocivel de H2S o principal componente dissolvido para valores de pH inferiores a

7. A formaHS2

predomina na faixa de Ph entre 7 e 14. A concentrao de sulfeto livre considerada desprezvel na faixa de pH em que atua os processos de tratamento deefluentes.

H. Toxicidade por metais pesados

Elementos e compostos qumicos como cromo, cromatos, nquel, zinco, cobre, arsnico,cianetos, dentre outros, so classificados como altamente txicos. As concentraes dosmetais pesados mais txicos que podem ser toleradas no tratamento anaerbio estorelacionadas com a concentrao de sulfeto disponvel no meio para combinar com estesmetais pesados e formar sais de sulfeto que so bastante insolveis, sem efeito adverso

ao tratamento anaerbio. Cerca de 1,8 a 2 mg/l de metais pesados so precipitados como


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sulfetos metlicos, quando este est presente na quantidade de 1 mg/l de sulfeto ( S )(CHERNICHARO,1997).Segundo SCAVINO et al. (1997), o cromo presente nos efluentes de curtumes umimportante agente txico aos microrganismos encontrados no sistema anaerbio. Umacompleta inibio em um ecossistema metanognico atingida quando este est exposto

a concentraes acima de 100 mg/l de Cr total. A toxicidade do cromo pode serreduzida pela adio de quelatos, porm no pela adio de outros metais. Segundo osautores, possvel reverter a atividade dos microorganismos metanognicos aps umaexposio de 500 mg/l, retornando a 66% da atividade inicial. O grupo das bactriasredutoras de sulfato mais resistente ao cromo que as metanognicas, este grupo capaz de suportar contraes superiores a 250 mg/l de cromo total.

I. Tempo de Reteno

o tempo necessrio para a mistura ser totalmente digerida no digestor e ocorre quandoa produo de gs mxima, definindo a melhor qualidade digestora. Seu valor depende

do substrato, tipo de digestor, alm de outros fatores, e pode variar de 50 dias, emalguns tipos de digestores rurais, em apenas algumas horas, em certos digestoresindustriais.O tempo de reteno combinado com a taxa de decomposio dos slidos volteis responsvel pela eficincia do digestor. O menor tempo de reteno e o maior dedecomposio so resultados dos melhores digestores. O tempo de reteno definido

pela relao entre o volume do digestor e o volume da carga diria, e pode variar emfuno da adio de nutrientes, ou pela agitao e variao da temperatura da mistura nodigestor.

J. Impermeabilidade ao Ar

Nenhuma das atividades biolgicas dos microrganismos, inclusive, seudesenvolvimento, reproduo e metabolismo, exige oxignio, que em cuja presena soeles, de fato, muito sensveis. A decomposio de matria orgnica na presena deoxignio produz dixido de carbono (CO2); na ausncia de oxignio produz metano. Seo biodigestor no estiver perfeitamente vedado a produo de biogs inibida.

O BIOGS

O biogs era simplesmente encarado como um sub-produto, obtido a partir da

decomposio anaerbia (sem presena de oxignio) de resduos orgnicos. No entanto,a crise ambiental, a ratificao do Protocolo de Kyoto, a implementao do MDL e orpido desenvolvimento econmico dos ltimos anos, bem como a crescente elevaodo preo dos combustveis convencionais, vm aumentando as pesquisas einvestimentos na produo de energia a partir de novas fontes alternativas eeconmicamente atrativas que possibilitem a preservao dos recursos naturaisesgotveis.O biogs proveniente da digesto anaerbia de resduos slidos ou lquidos constituiuma fonte de energia alternativa, bem como contribui em muito na soluo dos

problemas ambientais, pois, reduz potencialmente os impactos da fonte poluidora. Suacomposio uma mistura de gases onde o metano e o dixido de carbono esto em

maiores propores. O potencial energtico do biogs est em funo da quantidade demetano contida no gs que determina o seu poder calorfico. O teor de metano varia de


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40 a 75% dependendo da fonte geradora. A quantidade de biogs produto dabiodigesto corresponde somente a 2,0 a 4,0% do peso da matria orgnica utilizada noprocesso (CASTANN, 2002). Sua composio mdia a seguinte segundo Tabela 2.7.

O poder calorfico do biogs varivel estando na faixa de 22.500 a 25.000 kJ/m 3,admitindo o metano com cerca de 35.800 kJ/m3. Isto significa um aproveitamento de6,25 a 10 kWh/m3(JORDO et al., 1995). Sua potencialidade demonstrada quandotratado, pois o seu poder calorfico pode chegar a 60% do poder calorfico do gsnatural. A Tabela 2. 8 apresenta uma comparao entre os PCIs de diferentes gases.O

biogs um gs corrosivo, exigindo cuidados especiais com os materiais empregadosnos equipamentos utilizados. Esta caracterstica consequncia da presena de sulfetode hidrognio (cido sulfdrico H2S). No Brasil o limite de emisso para os sulfetos,

segundo o CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente, no pode ultrapassar 1,0mg/l S. As substncias que contem enxofre, usualmente consideradas poluentes do arpodem ser classificadas da seguinte forma: SO2, SO3, H2S, sulfatos.Segundo os padres nacionais de qualidade do ar fixados na Resoluo CONAMA n 3,de 28/06/90, no Brasil existem limites somente para o dixido de enxofre (SO2) (Padro

primrio 365 g/m3 e Padro secundrio 100 g/m3 em 24 horas), tambmconsiderado como produto da combusto do biogs e nocivos a sade. A amniatambm em baixas concentraes corrosiva para o cobre, podendo emitir como

produto da combusto os xidos de nitrognio tambm nocivos sade e ao ambiente.

Tabela 2. 8: PCI de diferentes gases. (Castanon, 2002).

Gs PCI (kcal/m3) PCI (kJ/m3)Metano 8.500 35.558Propano 22.000 92.109Butano 28.000 117.230Gs Natural 7.600 31.819Biometano 5.500 23.027

Ao contrrio do propano e butano, o metano um gs leve e de densidade mais fraca,isto faz com que ele ocupe um volume significativo e dificulte sua liquefao, tornandodifcil seu transporte e armazenamento. A Tabela 2.9 mostra a equivalncia energticade 1 m3 de biogs com outras fontes.

Tabela 2.9: Equivalncia energtica entre 1 m3 de Biogs e outras fontes energticas.(Adaptado de Pompermayer, 2000).


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Fonte Faixa Fonte FaixaGasolina (l) 0,61 - 0,70 lcool (l) 0,80Querosene (l) 0,58 - 0,62 Carvo Mineral (kg) 0,74leo Diesel (l) 0,55 Lenha (kg) 3,50GLP (kg) 0,40 - 1,43 Eletricidade (kWh) 1,251,43

Segundo o CENBIO, 2001, de uma forma geral, a produo de energia eltrica a partirde biogs apresenta as seguintes vantagens:

Para a sociedade:

Gerao de empregos e eliminao ou reduo de subempregos; Gerao descentralizada e prxima aos pontos de carga, a partir de uma fonte

renovvel que vem sendo tratada como resduo; Colaborao para a viabilidade econmica do saneamento bsico.

Para as prefeituras:

Possibilidade de receita extra, proveniente da energia gerada com biogs evendida s concessionrias;

Contribuio para a viabilidade econmica do tratamento do lixo; Menor rejeio social das instalaes de saneamento, uma vez que elas passam a

ser gerenciadas de forma melhor, representando um exemplo a ser seguido.

Para as estaes de tratamento de esgotos, gerenciadoras de aterros e outras:

Reduo na quantidade de eletricidade comprada da concessionria; Possibilidade eventual de venda de eletricidade rede; Possibilidade de uso de processos de cogerao, ou seja, a gerao de

eletricidade tem como subproduto calor, a ser usado no tratamento do esgoto, oumesmo, ser vendido a terceiros.

Para o meio ambiente:

Reduo das emisses de metano para a atmosfera, pois este um importantegs de efeito estufa. O seu potencial de aquecimento global muito maior que ode CO2;

Reduo do consumo de combustveis fsseis, principais responsveis peloefeito estufa;

Reduo na gerao de odor para as vizinhanas, de chorume e de contaminaodo lenol fretico;

Melhoria nas condies dos lixes, que representam mais de 70% da condiode disposio nacional do lixo.

As principais barreiras existentes so as seguintes:

Tecnolgicas:

Limpeza do gs; Necessidade de planta de demonstrao no pas.


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Econmicas:

Investimento elevado dependendo da fonte de biogs; A anlise econmica convencional, desconsidera benefcios ambientais

(emisses de metanosaneamento).

LIMPEZA DO BIOGS

A presena de substncias no combustveis no biogs, como a gua e o dixido decarbono prejudica o processo de queima, tornado-o menos eficiente. Estas substnciasabsorvem parte de energia gerada. Alm destes, tambm h a presena de gs sulfdrico(H2S) que pode acarretar corroso, diminuindo tanto o rendimento, quanto vida til domotor trmico utilizado. A maioria dos digestores anaerbios produz um biogs quecontm entre 0,3 a 2% de H2S, observando-se tambm a presena de traos denitrognio e hidrognio (COELHO, 2004). Dependendo da aplicao recomendvel a

purificao do biogs removendo o H2S, CO2, e a umidade. As prticas mais utilizadas

so:

Remoo de umidade

Pode ser feita com glicis, com slica gel, etc, dependendo da utilizao final dogs ser estabelecido o grau de umidade aceitvel.

Remoo de Dixido de Carbono (CO2)

Existe uma variedade de processos de remoo do CO2presente no gs natural utilizadopelas indstrias petroqumicas. Diferentes mecanismos conseguem separar algunsconstituintes do gs, entre eles: absoro fsica e qumica, adsoro em uma superfciecontinua, separao por membranas, separao criognica e separao a partir deconverso qumica (reaes qumicas), como so apresentados a seguir:

Absoro Fsica

O mtodo de absoro fsico/qumica para lavagem do biogs comumente aplicado eefetivo at mesmo para baixas produes de biogs. A facilidade e o baixo custo destemtodo envolvem o uso da gua pressurizada como absorvente e pouca infraestrutura.O biogs comprimido e alimentado no sentido ascendente no leito de uma coluna de

absoro e gua pressurizada pulverizada em sentido contrrio ao biogs, do topo. Oprocesso de absoro contra corrente. Assim o CO2e o H2S so dissolvidos na guasendo coletados no fundo da torre de absoro. A gua pode ser recirculada para a

primeira lavagem do biogs na torre. Sendo este um dos mtodos mais simples delavagem do biogs.BHATTACHARYA et al., (1988), desenvolveram um sistema de lavagem de gs ondese obteve 100% de metano puro, mas depende de fatores como: dimenses da torre delavagem, presso de gs, composio de biogs, vazo e pureza da gua utilizada.KHAPRE (1989) projetou um tipo contnuo de lavador contra corrente com uma taxa defluxo do gs de 1,8 m3/h em 0,48 bar de presso e taxas de entrada de gua de 0,465m3/h. Reduziu-se continuamente CO2de 30% na entrada a 2% na sada em volume.

DUBEY (2000) fez um experimento com trs lavadores da gua com os seguintesdimetros: 150 milmetros (altura: 1.5 m), 100 milmetros (altura: 10 m) e 75 milmetros


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(altura: 10 m) para absorver o CO2(37-41%) no biogs. Encontrou que a absoro doCO2foi influenciada pelas taxas de fluxo do gs e da gua e pelos dimetros diferentesdos lavadores.

O mtodo de remoo de CO2a partir de lavadores com gua bastante conhecido em

plantas de biogs com na Sucia, Frana e EUA. Os resultados mostram que de 5-10%de CO2permanece aps a lavagem (WELLINGER et al., 1999).

Absoro Qumica

A absoro qumica envolve a formao de ligaes qumicas reversveis entre o solutoe o solvente. A regenerao do solvente envolve consequentemente a quebra destasligaes e corresponde a uma entrada de energia relativamente elevada. Solventesqumicos geralmente empregados so solues aquosas de aminas ou solues de saisalcalinos como hidrxidos de sdio, clcio ou potssio. BISWAS et al., (1977) relatouque ao atravessar uma soluo aquosa a 10% de mono-etanolamina (MEA), reduziu-se

o teor de CO2do biogs de 40 a 0,5-1,0% em volume. A soluo de MEA pode serregenerada completamente fervendo-a por 5 minutos assim podendo ser usada outravez.SAVARY & CRUZON (1972), sugeriu que trs reagentes (NaOH, o KOH e oCa(OH)2) podem ser usados em lavadores de biogs. A absoro de CO2na soluoalcalina feita por agitao. Isso cria uma turbulncia necessria para dar o tempo decontato entre o lquido e o gs. Outro fator importante para a eficincia de absoro concentrao da soluo.A remoo de CO2 utilizando carbonato de potssio (K2CO3) o processo maisutilizado para a remoo industrial de CO2. Tal processo consiste basicamente naintroduo do gs na base da coluna de absoro enquanto a soluo absorvedora, de 20a 30 % em peso de K2CO3 injetada no topo da coluna. A temperatura de operao em torno de 110 C tanto para absoro com para a regenerao. A reao inversa nacoluna de regenerao resulta na liberao de CO2para atmosfera. A simples reduo da

presso ao passar da coluna de absoro para a de regenerao libera parte do CO2, orestante retirado atravs da injeo de vapor no fundo da coluna de regenerao. Estasoluo apresenta efeitos corrosivos sendo, portanto necessrio selecionar inibidores decorroso para se poder construir as colunas de ao carbono.

Adsoro sobre uma superfcie slida

O processo de adsoro envolve transferncia do soluto do gs superfcie de ummaterial slido, onde concentram principalmente em conseqncia das foras Van derWalls. Os adsorventes comerciais so geralmente slidos granular com uma rea desuperfcie grande por a unidade de volume. Dependendo do adsorvente utilizado no

processo pode-se remover seletivamente ou simultaneamente o CO2, H2S, umidade eoutras impurezas do biogs. A purificao do biogs pode tambm ser realizada usandoalguns adsorventes como slica, alumina, carvo ativado ou silicatos (WISE, 1981). Este

processo ocorre em altas temperaturas e presses. Possui uma boa capacidade deremoo de umidade, projeto simples e fcil de operar. Mas um processo caro comrequerimentos de alta queda de presso.

Separao por membranas


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O princpio que alguns componentes do biogs podem ser transportados atravs deuma membrana fina (


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Processos de Oxidao a seco (Dry oxidation process)

Estes processos so usados para remover o H2S do biogs pela converso para enxofreou xidos de enxofre. utilizado quando o teor de enxofre no gs relativamente baixoe requer alta pureza. Alguns destes mtodos so descritos abaixo:

Introduo de oxignio /ar no sistema de biogs

Uma pequena quantidade de oxignio (2-6%) introduzida no sistema de biogs usandocompressor. Em consequncia, o sulfeto no biogs oxidado em enxofre reduzindo aconcentrao do H2S. A reao que ocorre a apresentada na seguinte equao:

2 H2S + O2= 2S + 2 H2O

Este processo tem um baixo custo de investimento e operao e relativamente simples.No so necessrios produtos qumicos nem equipamentos especiais. Dependendo da

temperatura, do tempo de reao e local onde o ar adicionado, a concentrao do H2S reduzida em at 95%, menos do que 50 ppm. Entretanto deve-se ficar atento aquantidade de ar no biogs, que pode ser explosivo em uma escala de 6 - 12%,dependendo da quantidade de metano no biogs (WELLINGER et al., 1999).

Adsoro utilizando xidos de ferro

O H2S reage com os hidrxidos e xidos de ferro para formar sulfeto de ferro. O biogspassa atravs de pellets de xidos de ferro e remove o H2S. Quando estes pellets socompletamente recobertos por enxofre eles so removidos para regenerao do enxofre. um mtodo simples, mas durante a regenerao ocorre perda de calor. Este processo sensvel presena de gua no biogs. Pequenos pedaos de madeira cobertos comxidos de ferro tambm so utilizados, pois possuem uma ampla superfcie de contato.Este processo tambm pode ser feito com carvo ativado. O carvo tambm age comoum catalisador (HAGEN et al., 2001). Um dos principais parmetros para remoo doodor a rea superficial do slido adsorvente. Outros slidos tambm so utilizadosmas com menor frequncia, so eles: alumina, bauxita, slica gel e o carvo vegetal.Esses materiais so menos utilizados devido a sua regenerao que problemtica etambm est ligada a absoro de gua que reduz a eficincia de adsoro. Podem serconstrudos leitos rasos com alta vazo de gs que podem ser utilizados at um ano emeio antes de ser trocados. So utilizadas velocidades superficiais de 0,13 a 0,18 m/s

para se controlar o odor. A temperatura do efluente no pode ultrapassar 52 C e aumidade relativa deve ser abaixo de 50%, porque nas faixas superiores a estas os gasesno so facilmente absorvidos. O carvo aps sua vida til pode ser reativado, pelo

prprio fornecedor, em processos em processos termoqumicos a temperaturas na faixade 600C.

Processos de oxidao na fase lquida

Estes processos so geralmente utilizados em tratamento de gases onde a concentraode H2S relativamente baixa. So eles: processo de absoro fsica e processo deabsoro qumica.

Processo de absoro fsica


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Neste processo o H2S pode ser absorvido por um solvente, que pode ser a gua. Oconsumo de gua relativamente alto para a quantidade pequena de H2S absorvido.Para melhorar o processo algumas substncias qumicas podem ser adicionadas a guacomo o NaOH. Os subprodutos formados so sulfetos ou hidrossulfetos de sdio queno podem ser recuperados e devem ser tratados para sua disposio final.

Processo de absoro qumica

A absoro qumica do H2S pode ser feita com solues de sais de ferro, tais como ocloreto de ferro. Este mtodo altamente eficaz na reduo de altos nveis de H2S. Os

produtos formados so precipitados insolveis. FeCl3pode ser diretamente adicionadono digestor. Estes mtodos de remoo de H2S so mais apropriados digestoresanaerbio de pequeno porte, mas todos os outros processos so economicamente viveisem plantas de grande escala. Por este mtodo a concentrao final de H2S chega emtorno de 10 ppm.

Remoo de Partculas

Pelo fato da eficincia de reteno dos lavadores ser proporcional ao consumo deenergia utilizada na sua operao, algumas unidades que trabalham com baixa perda de

presso no fluxo de gases so menos eficientes do que unidades que operam com perdasde presso maiores. Os tipos mais comuns de lavadores so:

a) Lavadores Tipo Torre

Eficiente na coleta de particulados. As torres basicamente possuem uma grandesuperfcie de contato e so projetadas para absoro de gases. Funcionam com baixa

perda de presso. Seu funcionamento o seguinte: o efluente gasoso entra por umaabertura na parte inferior do equipamento e escoa na direo do topo do lavador. Asoluo atomizada sobre a superfcie de contato e drenada por gravidade para serrecirculada, purificada parcialmente pela separao por sedimentao que ocorre nofundo do lavador. Quanto mais profunda a superfcie de contato maior o tempo decontato entre o gs e o lquido aumentando sua eficincia. A velocidade do gs ideal geralmente entre 0,61,2 m/s e o tamanho das gotas abaixo de 1,0 mm.

b) Lavadores centrfugos

O aumento da velocidade relativa entre as gotculas de lquido e a corrente gasosa,chamada de centrifugao do gs pode elevar a eficincia dos lavadores. O gs podeentrar tangencialmente no lavador e possvel tambm colocar em seu interior uma sriede aletas que pomovam a movimetnao em rotao do gs, fazendo com que ocorraesse efeito de centrifugao. As gotculas so bem menores nos lavadores centrfugosdo que nas torres, podendo ocorrer a evaporao da gua dentro do lavador. Para queno ocorra este problema costuma-se saturar os gases de umidade antes da sua entradano lavador.

c) Lavadores Venturi

Empregado na absoro de gases e remoo de partculas. Caracteriza-se por umagrande perda de presso no gs aumentando assim o custo operacional do Venturi em


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relao aos outros lavadores. O gs a ser tratado entra pela seo convergente doVenturi, e passa pela garganta, onde o fluxo de gs recebe um jato de gua que sedesintegra formando gotculas muito pequenas. Se o gs nesta regio for saturado ousupersaturado de umidade, haver condensao sobre as partculas na regio de maior

presso do difusor aumentando a eficincia. A presso volta a subir aps a garganta, no

difusor, mas no atinge o valor inicial.

Compresso e Armazenamento de Biogs

O biogs contendo principalmente metano no pode ser facilmente armazenado e nemliquefeito a presso e temperatura ambiente (temperatura crtica de -82C e presso 47,5

bar). A compresso melhor no biogs limpo. Os sistemas de armazenamento maiscomumente utilizados so apresentados na Tabela 2.10.

Tabela 2.10: Sistemas de armazenamento de biogs.(Kapdi, 2004)

Presso Estocagem MaterialBaixa (0,1380,414 bar) Selo dgua AoBaixa Gs bag Plstico, vinil, lona(borracha)Mdia (1,051,97 bar) Tanques de propano e

butanoAoAlta (200 bar) Cilindros comercias de gs Ao

KHAPRE (1989) conduziu um estudo sobre lavagem e compresso do biogs esubseqentemente usado para coo de alimentos. Durante a limpeza e compresso do

biogs foi reduzido de 0,591 m3 para 0,353 m3 para o uso de uma famlia de seispessoas. Ele estocou o biogs limpo e comprimido a uma presso de 7 bar em umcilindro com capacidade de 0,1 m3.Um experimento na Blgica feito com dejetos de aves domsticas, onde o biogs limpoe comprimido foi estocado em um tanque de ao de 0,2m3 a uma presso de 4 bar(ANONYMOUS 1985 apud KAPDI, 2004).Segundo Alves, 2000 e CAPSTONE, 2001, para utilizao do biogs necessrio sefazer a purificao atravs das seguintes tcnicas (Tabela 2.11):

Tabela 2.11:Tcnicas de remoo de impurezas do biogs (Fonte: 1Alves, 2000,

2CAPSTONE, 2001).Impureza Descrio Geral DetalhesSlica GeralPeneira MolecularAdsoroAluminaEtileno glicol(temperatura -6,7C)AbsoroSelexolgua1

Refrigerao Resfriamento a 2CAdsoro Carvo Ativado


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leo leveEtileno glicolSelexolAbsoro(temperatura entre -6,7 e -33,9C)

Hidrocarbonetos1Combinao Refrigerao com etileno glicol eadsoro em carvo ativadoSolventes orgnicosSelexolFlorRectisolSolues de sais alcalinosPotssio a alta temperaturaAlcanolaminasMono, ditri etanol amina

DeglicolaminaAbsoroUcarsolCR (sovente)Adsoro Peneiras molecularesCarvo ativadoCO2 e H2S1Separao pormembranasMembrana de fibra ocaSiloxina2 Adsoro Carvo ativado

Medidas de Segurana para utilizao do biogs

O principal perigo na utilizao do biogs quanto a exploses, devido a seuscomponentes quando o metano se mistura com o ar. A literatura recomenda que aconcentrao de metano seja mantida fora da faixa de 5-15% (em volume) e a deoxignio inferior a 3-15%. A ateno maior deve se concentrar para no ocorrer aentrada de ar nas etapas de transporte, armazenamento ou tratamento. As principaismedidas de segurana para os sistemas com biogs so:

Evitar vazamentos utilizando materiais adequados para execuo dos reatores,armazenamentos e transporte dos gases; Instalao de pra-raios;

Treinamento regular do pessoal que opera no sistema de tratamento; Sinalizao adequada nas reas de maior perigo; Evitar aumento da temperatura do biogs nas etapas de armazenamento e

transporte; Instalao de equipamentos corta-chamas na suco de gases ou em setores em

que se prev a compresso dos gases; Os flares devem ser instalados longe de vias de circulao, cercados e equipados

com dispositivos corta-chamas; Devem se prever drenos para a extrao de vapores condensados da mistura de

gases. Deve se fazer um monitoramento da composio do biogs;


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Critrios de segurana e execuo feitas por empresas especializadas. Respeitar normas relativas a projeto de sistemas de gases combustveis.

Qualidade do biogs

A utilizao do biogs na gerao termeltrica requer ateno pelo contedo de cidosulfdrico (H2S) e pela umidade contida no biogs. Muitos pesquisadores recomendam olimite de H2S de 10 ppm ou 0,01% em volume (CUMMINS, 1985). Por este principalmotivo se recomenda a limpeza prvia do biogs antes de qualquer utilizao emmquinas trmicas. Se estes limites forem excedidos no se pode garantir um bomfuncionamento dos motores de combusto interna. J para tecnologias avanadas degerao deve-se fazer a remoo total destas substncias. Segundo a CAPSTONE, 2007,

para microturbinas com potncia eltrica de 65 kW, permite um contedo de H2S nobiogs de 5000 ppmv.Os principais contaminantes do gs dos digestores anaerbios para o uso em clulas acombustvel e microturbinas a gs so os compostos halogenados e o enxofre. Outros

potenciais contaminantes que necessitam serem eliminados so slidos, lquidos gua econdensado, e bactrias que podem estar presentes no biogs. Segundo SPIEGEL, 1999,os valores mximos permissveis para estes contaminantes em clulas o combustvel somostrados na Tabela 2.12.

Tabela 2.12: Qualidade do biogs, concentrao limite de contaminantes para aplicaesem clulas combustvel. (SPIEGEL, 1999).

Contaminantes do BiogsRequerimentos para o uso em clulas a combustvel

H2S


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A Tabela 2.13 apresenta os requerimentos de pr-tratamento do biogs para umaaplicao comercial em clulas combustveis. O sistema utiliza um leito de absoro deenxofre para remoo de H2S. Este leito dessulfurizador opera a temperatura e pressoambiente e converte o H2S em gua e enxofre elementar via reao de CLAUS (H2S + O2 H2O + S). O elemento enxofre produzido adsorvido por leito de carvo

ativado. Um sistema de injeo de ar requerido para controlar nveis de O2, entre 0,30,5% em volume. Um filtro contracorrente adicionado para remover os possveisslidos, bactrias e lquidos presentes no biogs. Os dados indicam uma alta capacidadede adsoro e alta eficincia de remoo de enxofre com 100% de remoo de H2S. Mas

para que ocorra o processo de remoo do H2S em enxofre, so requeridos baixos nveisde oxignio. Testes indicam que somente 0,1% de O2 suficiente para iniciar o processode absoro descrito anteriormente. O baixo tempo de residncia corresponde a umavelocidade do gs de 1518 m/min (metros por minutos).

Tabela 2.13: Requerimento do sistema de pr-tratamento para o uso comercial do biogsem clulas a combustveis. (Spiegel, 1999).

Contaminantes do biogsFaixa de concentrao dos contaminantesRequerimentos do pr-tratamento

Enxofre (H2S) > 200 ppmv Reduo do contedo de enxofre para < 4ppmv Halgenos(F, Cl, Br) > 4 ppmv No requer tratamento se for usado um leito protetor de halgenos.

NMOCsa Baixos ppm - O2 0,5% Requer ateno

NH3 - -N2 >4% -H2O Saturada 35-43C Remover condensadosBactrias/slidos Talvez presente no gs Remover slidos e umidade - CompostosOrgnicos No-Metano.Trs pontos importantes devem ser levados em considerao quando se utiliza biogsem clulas combustveis. O primeiro a adio de um sistema de pr-tratamento do

biogs para remoo do H2S e compostos halogenados, como visto anteriormente. Osegundo ponto a presena de componentes mecnicos para o suprimento do biogsdevido a um aumento no fluxo de gs resultante do aumento de CO2 (menor podercalorfico). E o terceiro a reduo da eficincia da central termeltrica emaproximadamente 5% em comparao com uma central a gs natural, devido tambm ao

menor poder calorfico. Uma consequncia disto a reduo da eficincia e umaumento da quantidade de calor que pode ser recupervel pela central. Um mdulo deuma central termeltrica com clula combustvel de 200 kW operando com biogs emsubstituio ao gs natural pode ser projetado sem a necessidade de mudanastecnolgicas. O projeto poderia requerer alguns componentes para acomodar umaumento do fluxo de gs com um mnimo de queda de presso. A Tabela 2. 14apresenta uma comparao do desempenho de uma central termeltrica com clulacombustvel operando com biogs e gs natural.

Tabela 2. 14: Comparao do desempenho da clula combustvel com potncia nominalde 200 kW (Spiegel, 1999).


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Paramtros CTE a Gs Natural CTE a Gs de DigestoAnaerbia (Biogs)

Eficincia Eltrica (LHV) (%) 40,0 38,0Heat Rate (HHV) (kcal/kWh) 2.395 2.495

Calor disponvel (kcal/h) 190.000 200.000Temperatura ambiente recuperao de gua (C) 35 35Combustvel Startup Gs natural Biogs

As emisses atmosfricas estimadas da utilizao de clulas combustveis operandocom biogs so apresentados na Tabela 2. 15.Tabela 2. 15: Emisses estimadas de clulas combustveis. (Spiegel, 1999).Poluentes Emisses kg/GJ (Biogs)

NOX 0,000703SOX No detectadoParticulados No detectado

CO 0,1032

Hidrocarbonetos (exceto metano) 0,0000165

Um exemplo de uma central termeltrica PC 25 foi projetado para operar com gsnatural e com uma potncia eltrica liquida de 200kW. A operao desta mesma centralcom biogs necessita de algumas alteraes devido ao menor poder calorfico do mesmoque possui de 35-40% de CO2 em seu volume. Isto significa um aumento de massa evolume no fluxo de gs sendo necessrias mudanas nas condies de operao. Algunsrequerimentos deste sistema modificado so:

Modificaes no software de controle (passar de gs natural para biogs comalta densidade e menor poder calorfico);

Modificao do orifcio de sada do catodo (aumento de queda de presso); Modificao do orifcio de recirculao do sistema de processamento de

combustvel (reduo de queda de presso); Aumento da faixa de controle de vazo de combustvel (reduo de queda de

presso); Substituio do ejetor por outro com maior capacidade de carga; Substituio do soprador por outro com maior capacidade de carga.

TECNOLOGIAS DE CONVERSO ENERGTICA DO BIOGS

Motor de Combusto Interna Alternativo

Os motores de combusto interna so extensamente usados por poderem operar comdiferentes tipos de combustveis tanto lquidos como gasosos. So mquinas trmicasnas quais a energia qumica do combustvel se transforma em trabalho mecnico, sendoque o fluido de trabalho consiste dos produtos da combusto da mistura ar-combustvel,e a cmara de combusto e o prprio processo de combusto e esto integrados aofuncionamento geral de motor. Representam a tecnologia mais difundida dentre asmquinas trmicas, devido a sua simplicidade, robustez e alta relao potncia/peso, o

que faz com que estes acionadores sejam empregados em larga escala como elementosde propulso para gerao de eletricidade contnua, de back-up ou de carga de pico e


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para acionamento de bombas, compressores ou qualquer outro tipo de cargaestacionria. So mquinas simples e robustas. So os equipamentos mais utilizados

para a queima do biogs por sua flexibilidade. Os MCI do tipo alternativo so divididosem motores de ignio por centelha ou Otto e de ignio por compresso ou Diesel.Podem ser de dois ou quatro tempos. Nos motores de ciclo Otto, a mistura

ar/combustvel admitida na cmara de combusto e inflamada por meio de uma velade ignio. J nos motores Diesel (ciclo Diesel), o ar admitido na cmara de combustoe comprimido at uma presso suficiente para que ocorra a combusto espontneaquando o combustvel for injetado. Para aplicaes de gerao de eletricidade osmotores so divididos em quatros grupos: motores Diesel, motores de ignio porcentelhas tradicionais ou a gs, motores duplo combustvel e motores gs-Diesel. Osmotores Diesel dominam o mercado para potncias at 5 MW e para sistemas deemergncia (back-up) e Standby pois possuem menor custo degerao, ou seja, osmotores de ignio por centelha possuem custos iniciais menores, mas um custo decombustvel maior (LISS, 1999).

As principais caractersticas desses sistemas so:

So utilizados para pequenas e mdias demandas eltricas, de centenas de kWat dezenas de MW.

Podem utilizar diversos tipos de combustveis lquidos ou gasosos tais comoleo diesel, leo pesado, gs natural, biogs ou ainda uma mistura deles. Isso

bastante vantajoso, pois o sistema torna-se muito flexvel. A relao energia trmica/energia mecnica menor que os outros acionadores

primrios, o que pode ser interessante para cogerao no setor tercirio. A eficincia dos motores de combusto interna no to sensitiva s condies

ambientes locais (temperatura, presso e umidade) quanto so as turbinas a gs. As instalaes so modulares e flexveis, com isto o tempo de construo de

uma central curto e a entrada em operao (start-up) rpida. Alm de seremapropriados para as condies de partidas e paradas dirias.

Possui alta relao potncia/peso. Requerem manutenes mais frequentes.

Um estudo realizado por LOMBARD et al. (2004), a eficincia do motor decrescedrasticamente quando o teor de CH4 menor que 50%. O custo de manuteno fixo(at mesmo quando utilizado com cargas parciais), ocorrem perdas auxiliares constantesquando em cargas parciais, o operador tem que reiniciar manualmente a mquina e o

start up muito sensvel ao contedo do metano.Atualmente os motores de combusto interna j veem preparados para queimar o biogscom diferentes teores de metano, dixido de carbono e cido sulfdrico. Os conjuntosmotogeradores de energia eltrica representam um importante avano na gerao deenergia eltrica limpa e renovvel, a partir do biogs. Cada container (12 metros decomprimento) vem equipado com os seguintes itens (BRASMETANO, 2007):

Motor a Biogs, turbo alimentado com intercooler, de fabricao nacional, Sistema de alimentao e ignio gerenciadas eletronicamente, Geradores sem escovas, Painel de comando manual, Unidade de auto-alimentao de biogs de acionamento direto pelo motor, Filtros desumidificadores,


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Unidade de aquecimento / controle de temperatura do Biogs, incorporado Unidade de auto-alimentao.

Unidade de resfriamento, controle da temperatura do motor, Unidade de segurana, composta de vlvulas de bloqueio automticas.

Caldeiras

Algumas consideraes devem ser feitas para a combusto direta do gs em caldeiras, afim de assegurar o funcionamento adequado do sistema. A adaptao dessesequipamentos para uso do biogs pode ser realizada com pequenas modificaes,

buscando a adequao s caractersticas do novo combustvel.Os nveis de umidade do gs devem ser controlados com a instalao de purgadores elinhas de condensado para impedir danos aos equipamentos e problemas na operaodas caldeiras. A vazo de biogs deve ser aumentada com a instalao de uma vlvulade controle do combustvel mais adequada, uma vez que o biogs possui menorquantidade de metano que o gs natural, sendo necessria uma maior quantidade do

mesmo. A instabilidade da chama, decorrente da menor concentrao de metano e dasflutuaes na composio do biogs podem ser controladas com a instalao de sensoresultravioletas que monitoram a chama da caldeira impedindo que esta apague ou com ouso de um sistema de combustvel auxiliar como backup em situaes de variao nachama (USEPA, 2001).A corroso devido umidade e o cido sulfdrico presentes no biogs outro problemanas caldeiras que usam este gs combustvel, uma vez que compostos de cloro nos gasesde exausto comprometem pr-aquecedores de ar, dutos e outros componentes doequipamento. O revestimento do pr-aquecedor e da chamin com materialanticorrosivo, o controle da temperatura dos gases de exausto acima do ponto deorvalho e a circulao adequada da gua podem reduzir os efeitos corrosivos. (USEPA,2001).

Motores Stirling

O motor Stirling consiste de um motor alternativo a pisto movido por uma fonteexterna de calor. De forma parecida s mquinas de vapor, o ciclo Stirling usa umsistema fechado, onde a expanso de um gs de trabalho aproveitada para obter

potncia mecnica. O gs de trabalho utilizado pode ser nitrognio, hidrognio, hlio ouar livre de oxignio. (PODESSER et al., 2000). As principais vantagens e desvantagensdo motor Stirling so:

Eficincia global boa, na faixa dos 30 %. A eficincia em cargas parciais tem mostrado ser boa. Baixo nvel de rudo e operao segura. Podem utilizar uma grade variedade de combustveis. Possibilidade de cogerao. Alguns fabricantes prevem uma vida til de 25000 horas.

Desvantagens:

Tm sido testadas poucas variedades de combustvel. At agora as experincias nos testes se concentram em motores de pequenaspotncias.


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Os dados de confiabilidade e vida til so escassos.Tecnologias Avanadas

O uso do biogs em tecnologias avanadas ainda vem sendo bastante discutido e

avaliado. Sabe-se que necessrio fazer uma limpeza nos gases provenientes dadecomposio do lixo, antes de serem queimados utilizando estas tecnologias. A formamais adequada depende da aplicao energtica pretendida, dos custos envolvidos e dacomposio do gs. As principais tecnologias so:

Microturbinas a gs

Refere-se a turbinas a gs com alta e varivel velocidade de rotao na faixa de potnciade 15 a 300 kW. A utilizao de um gs de baixo poder calorfico (gs de biomassa) emmicroturbinas requer duas consideraes: a remodelao da microturbina para queimade um gs pobre, especificamente a cmara de combusto, e uma limpeza do gs antes

desta queima. Facilidade de instalao e flexibilidade para trabalhar em diversos locaismelhorando o rendimento. A maioria destas unidades geradoras usa um recuperadorcom a finalidade de aproveitar o calor dos gases de exausto para aquecer o ar dacombusto. Sem o recuperador a eficincia global da MT est entre 15 e 17 % enquantoque, utilizando um recuperador eficiente (~85%), a eficincia pode se duplicar e atingirvalores de 33 % (WILLIS & SCOTT, 2000).

Dentre as principais vantagens da utilizao de microturbinas a biogs esto:

Capacidade para operar um gs utilizando baixo contedo de metano: CH4 >35%. Sem afetaes na sua eficincia.

Bom comportamento a temperaturas entre -10C a 45C. Boa eficincia 30 a 33 % (baseada no PCI). Baixas emisses (< 10 ppm de NOx). Possibilidade de cogerao. Excelente modularidade.

Desvantagens:

A eficincia a cargas parciais baixa. Limitada experincia de utilizao.

O uso de rolamentos a ar reduz os custos de manuteno mas, imprescindvel ouso de filtros de ar.

No Brasil est em execuo o projeto da ETE da SABESB, localizada em Barueri nagrande So Paulo, em parceria com o CENBIO (Centro Nacional de Referncia emBiomassa) uma planta piloto visando o aproveitamento do biogs como combustvel emmicroturbinas a gs para a gerao de energia eltrica. Os primeiros levantamentosindicaram uma produo mdia de 24.000 m3(tratamento secundrio) por dia de biogschegando a 28.000 m3 em alguns perodos, com um PCI de 5300 kcal/Nm3 (22,2MJ/Nm3) (COELHO, 2004).

Clulas a combustvel


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So dispositivos eletroqumicos que convertem diretamente a energia qumica damistura combustvel/agente oxidante em eletricidade permitindo elevadas eficincias.Processo semelhante ao de uma bateria que constantemente recarregada envolvendodois reagentes (hidrognio e ar). Atualmente existem quatro tipos de clulascaracterizadas pelo eletrlito utilizado, so elas: eletrlito polimrico ou membrana de

intercmbio protnico (PEMFC), cidofosfrico (PAFC), de carbonato fundido(MCFC) e de xido slido (SOFC).

As tecnologias esto em diferentes estgios de desenvolvimento ou comercializao. Asclulas a combustvel utilizam hidrognio e oxignio como reagentes primrios, porm,elas podem operar com uma variedade de combustveis que depende do tipo de

processamento do mesmo e do reformador usado. Nos estudos de casos foramconsideradas as seguintes tecnologias de converso energtica: motores de combustointerna, microturbinas a gs e caldeiras. Os motores de combusto interna foramconsiderados por apresentarem melhor flexibilidade s caractersticas do biogs e ser atecnologia mais utilizada para esta condio. Estuda-se tambm as microturbinas devido

ao seu crescimento no mercado com uso do biogs. E com relao as caldeiras, porserem tecnologias convencionais e j estarem instaladas nas usinas sucroalcooleiras,quando se pensa no biogs proveniente das vinhaas.

Dejetos de Bovinos

Segunda Embrapa, 2005, Confinamento" o sistema de criao de bovinos em que

lotes de animais so encerrados em piquetes ou currais com rea restrita, e onde osalimentos e gua necessrios so fornecidos em cochos. mais propriamente utilizado

para a terminao de bovinos, que a fase da produo que imediatamente antecede oabate do animal, ou seja, envolve o acabamento da carcaa que ser comercializada. Aqualidade da carcaa produzida no confinamento dependente de um bom desempenhoobtido na fase de cria e recria. Bons produtos de confinamento so obtidos a partir deanimais sadios, fortes, com ossatura robusta, bom desenvolvimento muscular(quantidade de carne) e gordura suficiente para dar sabor carne e proporcionar boacobertura da carcaa. Para VELLOSO (1984), citado por WEDEKIN et al.(1994), ao seconduzir a engorda de bovinos em confinamento as principais vantagens so: reduoda idade de abate, maior rendimento de carcaas, obteno de carne de tima qualidadeem perodos de maior escassez, mortalidade quase nula, possibilidade de exploraointensiva em pequenas propriedades, retorno mais rpido do capital de giro investido naengorda, entre outras. No Brasil, o confinamento conduzido durante a poca seca do

ano, de 90 a 120 dias, j que cerca de 70% a 80% da produo forrageira se d noperodo chuvoso e somente 20% a 30% ocorre no outono e inverno. Portanto, o objetivodo confinamento alcanar elevados ganhos de peso afim de que o animal sejaterminado e abatido o mais rpido possvel ainda na entressafra (AGROANALYSIS,2004).

No Brasil, os seis estados mais importantes no uso desta tcnica so: So Paulo, MinasGerais, Gois, Mato Grosso do Sul, Paran e Mato Grosso.Estes estados participam com mais de 70% do total de confinamentos do Brasil. O msde Junho marca, na pecuria de corte, o incio da grande maioria dos confinamentos. Nocentro-oeste h a possibilidade de se realizar dois ciclos de engorda no mesmo ano.(SOUZA, 2005)

Segundo, a AGROANALYSIS, 2004, o volume de animais confinados no Brasil vemaumentando: em 2003 foi de cerca de 7%, e para 2004 em torno de 14,5%.


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Quando o bovino explorado no regime extensivo (pastejo), as dejees produzidas sodispersas no solo e sofrem um processo completo de decomposio, sem maiores

problemas de poluio. Isto ocorre devido pequena concentrao de animais por reade pastejo (Garcia-Vaquero, 1981). Contudo, medida que o animal fica confinado,mesmo que em um curto espao de tempo, para ordenha, por exemplo, os dejetos

produzidos ficam concentrados e necessitam ser tratados para evitar poluio.

Tabela 3.19: Confinamento no Brasil1, perodo de 1993 a 2002 (mil cabeas)(Ferreira et al. 2004).Estado 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002So Paulo 225 270 345 435 510 370 435 580 530 506Minas Gerais 115 140 145 155 165 135 165 165 155 147Gois 80 120 130 145 155 165 185 225 218 255Mato Grosso do

Sul 90 105 130 140 145 155 145 210 211 227Paran 75 90 115 130 135 90 90 105 94 90Mato Grosso 55 75 95 105 120 140 165 210 192 202Outros 170 205 280 325 360 360 370 455 468 479Total 810 1005 1240 1435 1590 1415 1555 1950 1868 19061

No inclui semi-confinamento.

Com o objetivo de atender s exigncias prticas e legais, torna-se necessrio odesenvolvimento de tecnologia apropriada para o tratamento dos resduos a cada caso,tornando mais eficiente o tratamento e minimizando, deste modo, o impacto ambientalque estes podem provocar (LOURES, 1998).O desenvolvimento da tecnologia de utilizao da digesto anaerbia um dos mais

promissores no campo da biotecnologia, uma vez que fundamental para promover,com grande eficincia, a degradao de resduos orgnicos, que so gerados em grandesquantidades nas modernas atividades rurais e industriais. medida que, os sistemas de

produo animal se intensificam e se modernizam se intensificam, tambm, asnecessidades energticas e de tratamento dos resduos (LUCAS JNIOR, 1987).Os dejetos de bovinos tambm so frequentemente utilizados como fonte de adubaode forragens, entretanto, a simples asperso desse material nas pastagens ou capineiras,

possibilita a continuidade do ciclo biolgico dos nematdeos gastrintestinais,aumentando o potencial de contaminao e colocando em risco a sade dos animais(DOWNEY & MOORE, 1977). Assim, a adoo de prticas de manejo que visemminimizar a transferncia de contaminantes s pastagens, de fundamental importnciadentro de um sistema de produo, ainda que seja necessrio observar as tcnicas e ostempos de reteno recomendados (FURLONG, 1996).Esses dejetos so compostos orgnicos de alto teor energtico, com macro emicronutrientes que oferecem gua, abrigo e temperatura, sendo preferido por inmerosmicro e macrovetores de grande importncia sanitria, como nicho ecolgico. SegundoPEREIRA NETO (1992), esses vetores esto associados transmisso de inmeraszoonoses, alm de doenas respiratrias, epidmicas e intestinais. Fezes bovinas tm

sido identificadas como o principal reservatrio de Escherichia coli, sendo um potente


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veculo de transmisso para o ambiente, para o gado e para os alimentos (WANG et al.,1996).Portanto, a biodigesto anaerbia representa uma alternativa para o tratamento deresduos, pois alm de permitir a reduo do potencial poluidor e dos riscos sanitriosdos dejetos ao mnimo, promove a gerao do biogs, utilizado como fonte de energia

alternativa e permite a reciclagem do efluente, podendo ser utilizado comobiofertilizante. (AMARAL et al., 2004).Considerando os dados mencionados acima temos que a bovinocultura em regime deconfinamento ter um potencial de produo de biogs apresentado na Tabela 3.20.

Tabela 3.20: Potencial de produo de biogs na bovinocultura.

EstadoQuantidade de cabeasde gado em 2002Produo de Biogs

m3/diaProduo de Biogs/Ano (m3/ano)So Paulo 506.000 253.000 30.360.000Minas Gerais 147.000 73.500 8.820.000Gois 255.000 127.500 15.300.000Mato Grosso do Sul 227.000 113.500 13.620.000Paran 90.000 45.000 5.400.000Mato Grosso 202.000 101.000 12.120.000Outros 479.000 239.500 28.740.000Total 1.906.000 953.000 114.360.000Considerando a estimativa de crescimento do volume de bovinos (14,5%) realizada pelaAGROANALYSIS, 2004, a produo de biogs para o ano de 2004 seria de130.942.200 m3/ano, gerando em torno de 24 MW.

Dejetos de sunos

O lanamento direto do esterco de sunos sem o devido tratamento nos cursos de gua,acarreta um grande impacto ambiental nas propriedades rurais, devido reduo do teorde oxignio dissolvido na gua, disseminao de patgenos e contaminao das guas

potveis com amnia, nitratos e outros elementos txicos. Diagnsticos recentes tm

demonstrado um alto nvel de contaminao dos rios e lenis de gua superficiais queabastecem tanto o meio rural como o urbano. A capacidade poluente dos dejetos sunos,em termos comparativos, muito superior a de outras espcies. Utilizando-se o conceitode equivalente populacional um suno, em mdia, equivale a 3,5 pessoas. (LINDNER,1999 apud DIESEL 2002). De acordo com DIESEL, 2002 a quantidade total de esterco

produzida por um suno varia de acordo com o seu desenvolvimento ponderal, masapresenta valores decrescentes de 8,5 a 4,9% em relao a seu peso vivo/dia para a faixade 15 a 100 kg. Cada suno adulto produz em mdia 7-8 litros de dejetos lquidos/dia ou0,21 - 0,24m3 de dejetos por ms. A composio dos dejetos de sunos est apresentadana Tabela 3.21.

Segundo, PERDOMO, 1999; LUCAS et al., 1999, a produo de sunos acarreta,tambm, um outro tipo de poluio que aquela associada ao problema do odor


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desagradvel dos dejetos. Isto ocorre devido a evaporao dos compostos volteis, quecausam efeitos prejudiciais ao bem estar humano e animal. Os contaminantes do ar maiscomuns nos dejetos so: amnia, metano, cidos graxos volteis, H2S, N2O, etanol,

propanol, dimetil sulfidro e carbonosulfidro. A emisso de gases pode causar gravesprejuzos nas vias respiratrias do homem e animais, bem com, a formao de chuva

cida atravs de descargas de amnia na atmosfera, alm de contriburem para oaquecimento global da terra.

A Tabela 3.22, mostra o plantel e a produo de carne suna de cada pas da Amrica doSul.

O Brasil, stima potncia mundial do setor, possui 60% do plantel e 62% da carneproduzida. Em segundo lugar, destaca-se o Chile, com uma suinocultura eficiente etecnificada, que produz 8,8% do total da carne, com apenas 3,7% do plantel. Emterceiro lugar na produo, vem a Argentina, com 5,4% do total, e que se destaca pelofuturo promissor, em virtude de sua grande produo de gros (Milho e Soja).

Tabela 3.21: Caractersticas qumicas e fsicas dos dejetos (mg/l) produzidos em umaunidade de crescimento e terminao manejada em fossa de reteno, obtidos noSistema de Produo de Sunos da Embrapa Sunos e Aves. (SILVA, 1996).

Parmetro Mnimo Mximo MdiaDemanda Qumica deOxignio (DQO) 11530 38448 25543Slidos Totais 12697 49432 22399Slidos Volteis 8429 39024 16389Slidos Fixos 4268 10408 6010Slidos Sedimentares 220 850 429

Nitrognio Total 1660 3710 2374Fsforo Total 320 1180 578Potssio Total 260 1140 536

Segundo a ACSRSAssociao dos Criadores de Sunos do Rio Grande do Sul, no anode 2003 o RS contribuiu com 18,34% no abate nacional (SIF Servio de InspeoFederal/Brasil) de sunos. J o Estado de SC representou 26,03% e o PR somou 15,08%.

Na Regio Sul, em 2004, o abate de sunos/SIF foi de 14.234.913 animais, muitoimportante sob o ponto de vista econmico e social. No Brasil o dado estimado para o

ano de 2003 foi de 24.680.000 de cabeas abatidas. Os dados de abate SIF/Brasil/2004esto sendo levantados pela ABIPECS - Associao Brasileira dos Produtores eCriadores de Sunos e ABCS - Associao Brasileira dos criadores de sunos.Segundo ROSA (2005), superintendente do ACSRS no existe uma estatstica para aquantidade de cabeas de sunos em regime de confinamento no Brasil, mas como quem

produz sunos atualmente a tendncia em grande escala, alm da suinocultura familiarde subsistncia e projetos ao ar livre, estima-se que 75 a 80% sejam confinados e semiconfinados.Tabela 3.22: Sunos na Amrica do Sul: Planteis e Produo, 1999 (Roppa, com baseem dados FAOstat, 2000)

Pas N de Sunos(milhes de cabea)


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Produo(mil ton).Brasil 37,0 1.786,00Chile 2,2 249,00Argentina 3,2 155,61

Colmbia 2,7 135,00Paraguai 2,5 120,00Equador 2,7 113,85Venezuela 4,5 109,46Peru 2,8 93,00Bolvia 2,7 73,55Uruguai 0,3 27,00Total 60,6 2.862,47

O Brasil tem atualmente um plantel de 32,9 milhes de cabeas (2005) e estima-se que700 mil pessoas dependam diretamente da cadeia produtiva da suinocultura brasileira. O

rebanho brasileiro formado atualmente por 2,4 milhes de matrizes, sendo que soconsideradas tecnificadas 1,44 milhes. A previso da ABCS, que este plantel dematrizes era 12,48 % maior em 2002 e a diminuio foi causada pela forte crise queatravessou o setor. Em 2002, nosso plantel de matrizes era de 2,85 milhes de cabeas eem 2004 dever ter cado para 2,4 milhes. A regio que mais sofreu reduo oSudoeste, onde predomina o sistema de Produtor Independente. Os dados oficiais donmero de Matrizes so de 2003, apresentados na Tabela 3.23 (ROPPA, 2003).

Tabela 3.23: Brasil: Matrizes alojadas por Regio, 2002 a 2003 (Mil cabeas) (Fonte:ABCS e ICEPA, apud ROPPA, 2003)

REGIES TOTAL

2002 2003Variao (%)SUL 1168,43 1062,88 -9,03SUDESTE 514,89 386,65 -24,91CENTRO OESTE 366,43 332,68 -9,21NORDESTE 514,11 425,90 -17,16NORTE 286,80 286,80BRASIL 2850,66 2494,91 -12,48

Para o clculo do potencial de gerao de eletricidade a partir de resduos de sunostomam-se como dados o nmero de sunos abatidos e tambm o nmero de matrizes no

pas, devido a ausncia de um levantamento de dados nacionais da quantidade de sunoscriados em regime de confinamento. Sabe que o ciclo de vida de um suno varia de 140a 150 dias at atingir 100 kg para o abate.

processo de fermentação anaeróbia

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