RESÍDUOS DE MANDIOCA PARA OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE BIOGÁS A PARTIR DA VINHAÇA

Capítulo de livro publicado no livro: Ciência e tecnologia de alimentos: Pesquisas e avanços. Para acessa-lo  clique aqui.

DOI: https://doi.org/10.53934/9786585062060-27

Este trabalho foi escrito por:

Ana Maria Silva Costa ^*; Nayara Pereira Lima  ; Ana Cristina Silva da Natividade  ; José Matheus santos Oliveira ; Osmar Luis Silva Vasconcelos ; Jennifer da Cruz Arouche Silva ; Francisco Albuquerque Bastos

*Autor correspondente (Corresponding author) – Email: [email protected]

Resumo: No processo da cadeia produtiva do etanol, a vinhaça surge como um efluente de elevado poder poluente, cerca de cem vezes maior que o do esgoto doméstico. Seu potencial poluidor decorre da sua riqueza em matéria orgânica, baixo pH e elevada corrosividade. O presente trabalho teve como objetivo analisar e quantificar o potencial de geração de biogás a partir da biodegradação da vinhaça de cana-de-açúcar (Tratamento I) e vinhaça com adição de rejeitos de mandioca (Tratamento II) em um biodigestor anaeróbio em regime de batelada. A produção de biogás foi avaliada durante 15 dias, sob condições mesofílicas. A geração do biogás foi monitorada, observando-se diariamente a temperatura e pressão manométrica. Parâmetros como pH, demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e umidade foram medidos nos dois  tratamentos e avaliados  de modo a relacioná-los com a produção de biogás observada no período de incubação. A biodigestão resultante nos tratamentos apresentou volume de biogás acumulado diferenciados. O tratamento II produziu 2,1 Kg/Cm², enquanto o Tratamento I, somente 0,5 Kg/Cm².  Portanto, pelas condições dos experimentos adotadas neste estudo, o substrato com adição rejeitos de mandioca, mostrou potencial de geração de biogás satisfatório.

Abstract: The sugar and alcohol industries are characterized by high demand for water, and generate proportional volumes of waste to be discarded. In the process of the ethanol production chain, vinasse emerges as an effluent of high pollutant power, about one hundred times greater than that of domestic sewage. Its polluting potential stems from its richness in organic matter, low pH and high corrosivity. The present work aimed to analyze and quantify the potential of biogas generation from the biodegradation of sugarcane vinasse (Treatment I) and the addition of cassava tailings (Treatment II) in a batch anaerobic biodigester. Biogas production was evaluated during 15 days of digestion under mesophilic conditions. Biogas generation was constantly monitored, observing the temperature and gauge pressure daily. Parameters such as pH, biochemical oxygen demand (BOD) and humidity were measured in both treatments and evaluated in order to relate them to the biogas production observed during the incubation period. The resulting digestion in the treatments presented differentiated accumulated biogas volume. Treatment II produced 2.1 Kg/Cm2, while Treatment I only 0.5 Kg/Cm2. Therefore, due to the conditions of the experiments adopted in this study, the substrate with cassava tailings addition showed satisfactory biogas generation potential.

INTRODUÇÃO

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar e também o primeiro país do mundo na produção e exportação de açúcar e etanol (1). As usinas sucroalcooleiras representam para o país um dos maiores ramos do agronegócio nacional, contribuindo para a economia e gerando milhões de empregos. Com o aumento da produção de etanol e açúcar, houve também o aumento da produção de subprodutos e resíduos gerados pelo processo, com isso maneiras de descarte e novas tecnologias estão sendo estudadas pensando nos impactos ambientais e na geração de energia. Desse processo surge a vinhaça (2).

A vinhaça é o principal subproduto da produção sucroalcoleira, apresenta elevado teor de matéria orgânica rica em nutrientes minerais. É um resíduo presente em destilarias autônomas e usinas de açúcar e etanol e com custo relativamente baixo, vem sendo amplamente utilizada na fertirrigação de áreas cultivadas com cana. No entanto, deve-se utilizá-la com cautela, uma vez que pode contaminar águas subterrâneas e mananciais superficiais, devido à percolação ou arraste de altas concentrações de manganês, ferro, potássio, alumínio, cloreto, matéria orgânica, dentre outros (3,4).

A vinhaça é caracterizada como efluente de destilarias com alto poder poluente e alto valor fertilizante; o poder poluente, cerca de cem vezes maior que o do esgoto doméstico, decorre da sua riqueza em matéria orgânica, baixo pH, elevada corrosividade e altos índices de demanda bioquímica de oxigênio (DBO), além de elevada temperatura na saída dos destiladores; é considerada altamente nociva à fauna, flora, microfauna e microflora das águas doces, além de afugentar a fauna marinha que vem às costas brasileiras para procriação (3).

A mandioca é uma cultura versátil e de grande apelo econômico e social. Cultivada nas diversas regiões do País, serve de fonte de alimento e renda para as populações rurais, que consomem e comercializam o produto tanto em forma de farinha como in natura. Como toda atividade produtiva, o processamento da mandioca gera grande quantidade de resíduos, que geralmente se perdem nas áreas de produção por desconhecimento do produtor sobre as alternativas de uso. No processamento das raízes de mandioca para o preparo de farinhas, as cascas representam de 10-15% do peso das raízes, dependendo do processo de descascamento. As cascas de mandioca ricas em carboidratos se constituem em excelente matéria prima. Aproveitar os resíduos gerados na produção de mandioca é uma forma de tornar a cultura mais competitiva e resolver problemas ambientais (4,5).

Segundo o levantamento da Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura (6), a mandioca (Manihot esculenta Crantz) é um dos tubérculos mais importantes cultivados no Brasil (7). A mandioca é uma planta nativa do Brasil classificada como uma cultura perene de alta produtividade, baixo custo de produção, resistente a pragas, de fácil adaptação às condições climáticas e elevado valor energético.

Como toda atividade produtiva, o processamento da mandioca gera grande quantidade de resíduos, que geralmente se perdem nas áreas de produção por desconhecimento do produtor sobre as alternativas de uso. No processamento das raízes de mandioca para o preparo de farinhas, as cascas representam de 10-15% do peso das raízes, dependendo do processo de descascamento. As cascas de mandioca ricas em carboidratos se constituem em excelente matéria prima. Aproveitar os resíduos gerados na produção de mandioca é uma forma de tornar a cultura mais competitiva e resolver problemas ambientais (4).

A composição do substrato é importante para a quantificação e a qualidade do biogás, o que está diretamente ligado à quantidade de nutrientes e contaminantes potenciais (metais, patógenos, contaminantes orgânicos contidos na matéria orgânica). A escolha do material certo influencia no resultado do processo, na maximização da produção de energia e na boa qualidade de biogás.

A biodigestão anaeróbia apresenta-se como uma das melhores soluções para o aproveitamento da biomassa existente tanto na vinhaça como nos rejeitos de mandioca, não somente no sentido ambiental como também no econômico (8). Trata-se de uma tecnologia madura e atualmente é aplicada em milhares de plantas em escala real em todo o mundo (9).

As aplicações dos subprodutos da biodigestão, tem como resultado a vinhaça biodigerida e o biogás. O digestado pode ainda ser utilizado na fertilização, uma vez que este tratamento não reduz o potencial fertilizante do efluente. Com relação ao biogás, devido à elevada concentração de metano em sua composição, as principais aplicações referem-se à geração de energia (pelo seu potencial combustível).

Este trabalho visa avaliar e quantificar a produção de biogás obtido por mistura de vinhaça com rejeitos de mandioca como inoculante, em proporções definidas utilizando biodigestor anaeróbio e verificar a diminuição de sua carga orgânica através de análises físico-químicas de DBO e assim, contribuir para um manejo correto dos resíduos gerados em agroindústria de produção de açúcar, etanol e/ou de cachaça, agregando valor ao efluente gerado do processo da biodigestão na forma de biofertilizantes.

MATERIAL E MÉTODOS

A vinhaça e os rejeitos de mandioca utilizados neste estudo foram coletados na Fazenda Egito, oriundos da cidade de Vargem Grande – MA. A vinhaça foi coletada na saída da panela do alambique de destilação e armazenada em uma bombona plástica de 20 litros, enquanto os resíduos de mandioca foram coletados em uma casa de farinha da mesma propriedade e acondicionados em sacos plásticos devidamente vedados.

As amostras foram encaminhadas ao laboratório de Química do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia do Maranhão – IFMA, Campus São Luís – Maracanã para a realização das análises: pH, umidade, temperatura, sólidos sedimentáveis, sólidos totais, sólidos totais fixos, sólidos totais voláteis, carbono, nitrogênio kjeldahl, alcalinidade total, turbidez, cor, acidez total: Instituto Adolfo Lutz (10); Demanda Bioquímica de Oxigênio – DBO: método de Winkler modificado pela ázida de sódio, que compreende diversas fases.

O monitoramento foi realizado no início e final do processo por um período de 15 dias, visto que os ensaios foram concretizados em batelada.

Procedimentos para o processamento de biogás

Inicialmente os resíduos de vinhaça e rejeitos de mandioca, passaram por alguns procedimentos prévios visando melhorar a cinética das reações e a eficiência da produção de biogás. Os rejeitos de mandioca foram triturados e a vinhaça passou por um processo de decantação para se obter um resíduo mais concentrado.

Dois tratamentos foram avaliados: Vinhaça (Tratamento I) e Vinhaça + rejeitos de mandioca triturados (Tratamento II). Após a separação e preparo dos substratos, os resíduos foram secos em estufa a 110 °C durante 48 horas para que posteriormente todos recebessem a quantidade necessária de água, de modo que a umidade final em todos os tratamentos fossem a mesma, 80%.

As bateladas foram realizadas colocando 12 litros de matéria orgânica na urna do biodigestor, vinhaça (I) e vinhaça + rejeitos (II). Em seguida, selou-se o biodigestor, ligou-se a resistência elétrica e ajustou-se o termostato para o controle da temperatura desejada, 37°C. Os tratamentos I e II permaneceram incubados até que não se observasse mais geração de biogás, o que ocorreu após o 15º dia de incubação.

A geração do biogás foi monitorada constantemente, observando-se diariamente a temperatura e pressão manométrica.

Construção do biodigestor

O biodigestor foi equipado com uma urna, com capacidade para 30 litros, resistência elétrica, termostato, manômetro e registro de gaveta para descarga de resíduos. A estimativa da produção de gás foi feita através de um manômetro com aferição de 0 a 5 Kgf/cm2. O escoamento do gás produzido no biodigestor foi drenado por um registro de gaveta instalado na parte inferior da urna do biodigestor.

O biodigestor foi equipado com uma urna, com capacidade para 30 litros, resistência elétrica, termostato, manômetro e registro de gaveta para descarga de resíduos, conforme Figura 1.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Caracterização físico-química

A Tabela 1 apresenta os parâmetros físico-químicos analisados dos substratos de vinhaça (tratamento I) e vinhaça + rejeitos de mandioca (tratamento II), antes do processo de biodigestão. Pode-se observar que somente os parâmetros temperatura, pH e DBO foram analisados nos dois tratamentos, tendo em vista que se alteram pela adição dos rejeitos de mandioca. Contudo, os demais paramentos não foram analisados no tratamento II, pois são relevantes, neste trabalho, apenas para o substrato principal, vinhaça.

Tabela 1 – Composição química dos substratos: vinhaça e vinhaça + rejeitos de mandioca

PARÂMETROS	TRATAMENTO I	TRATAMENTO II
Temperatura (°C)	31,0	37,0
pH	3,7	7,5
DBO (mg/l)	420	210
Sólidos totais (mg/l)	1.4657	–
Sólidos voláteis (mg/l)	1.360,30	–
Sólidos fixos (mg/l)	997,27	–
Sólidos Sedimentáveis (mg/l)	0,5	–
Nitrogênio (mg/l.N)	2,1	–
Carbono (mg/l.C)	58	–
C/N	29	–
Alcalinidade (mg/l CaCO3)	48,1	–
Turbidez (NTU)	1.314	–
Cor (UC)	161,4	–

Fonte – Autoria própria (2019).

Processamento de biogás

A Tabela 2 apresenta os parâmetros que foram monitorados no ensaio, como pH, temperatura, umidade e demanda bioquímica de oxigênio (DBO), todos controlados antes e depois do período de biodigestão.

PARÂMETROS	TRATAMENTO I			TRATAMENTO II
	Início	Fim	Redução	Início	Fim	Redução
pH	8,0	7.2	0,8	8,0	7,5	0,5
Temperatura (°C)	37	37	–	37	37	–
Umidade (%)	80	80	–	80	80	–
DBO (mg.L-1)	7,60	4,2	44,74	7,60	2,1	72,37 %

A temperatura é um fator muito importante a ser considerado na digestão anaeróbia. A maior parte da energia liberada pela respiração celular está diretamente ligada ao produto final, o metano. Para que os microrganismos se desenvolvam da melhor maneira possível e gerem quantidades satisfatórias de biogás, é necessário que o calor seja fornecido externamente. A temperatura é a variável que apresenta maior influência sobre o metabolismo dos microrganismos responsáveis pela geração de metano (11,12).

Baseado no que determina a literatura, a temperatura foi mantida constante em 37°C durante os tratamentos I e II. Resíduos que contém teor de umidade entre 60 e 90% corroboram para um maior potencial de geração de biogás. A produção de biogás pode ser afetada diretamente pela umidade que o resíduo apresenta (13).

 A umidade final nos tratamentos I e II foi de 80%, conforme análises de material seco (umidade), valor que se encontra dentro da faixa apresentada na literatura como ótima para geração de biogás.

 A geração de biogás obtém maior rendimento em pH neutros ou ligeiramente superior (pH entre 7,0 e 8,5). A fim de manter um pH neutro e estável é necessário que a alcalinidade do meio seja relativamente elevada e constante. Quanto maior for a alcalinidade, maior será a capacidade tampão do processo, que, por sua vez, promove um pH estável (14). O pH inicial foi aferido por meio de um pHmetro digital, o qual indicou pH 3,7 na amostra de vinhaça (I) e 5,6 na amostra de vinhaça + rejeito (II), apontando a necessidade de adição de uma base para aumentar o pH do meio. Para correção do pH para 8,0 adicionou-se  solução de NaOH a 50%). Conforme determina a literatura, esse valor está dentro da faixa favorável à geração de biogás. De acordo com a tabela 2 houve uma pequena redução de 0,8 em relação ao período de degradação para o tratamento I e 0,5 para o tratamento II.

A DBO é a quantidade de oxigênio necessária para oxidar a matéria orgânica por decomposição microbiana aeróbia para uma forma inorgânica estável.

Em termos de demanda bioquímica de oxigênio, temos uma redução significativa nos dois tratamentos, sendo, 44,74% para o tratamento I e 72,37% para o tratamento II. Assim os valores observados podem ser 2atribuídos à conversão da matéria orgânica em biogás.

Em relação ao monitoramento da geração de biogás, o tratamento I apresentou baixo pico de geração de biogás na biodigestão. O valor acumulado de biogás para esse tratamento ao final dos 15 dias de experimento foi de 0,5 Kg/Cm2. A baixa produção de biogás no referido ensaio, pode estar relacionada à falta de um inoculante no processo, visto que nas condições adotadas no presente estudo, a codigestão utilizando somente vinhaça não se mostrou eficiente no aumento da taxa de geração de biogás.

A ineficiência da codigestão pode estar relacionada à necessidade de determinar a proporção correta da mistura na codigestão para potencializar a produção de metano; além disso, deve-se evitar a formação de agentes inibidores do processo (15,16).

O ensaio de biodigestão no Tratamento II apresentou alto pico de geração de biogás na biodigestão. O valor acumulado de biogás para esse tratamento ao final do15º dia de experimento foi de 2,2 Kg/Cm². O rejeito de mandioca adicionado a vinhaça como inoculante neste tratamento possui componentes nutritivos que garantiram a sua alta biodigestão anaeróbia, por isso recomenda-se a adição de nutrientes que favoreçam o processo.

CONCLUSÕES

Os dois tratamentos realizados neste trabalho apresentaram características diferentes; a composição de cada um de seus componentes contribuiu para seus desempenhos. A produção de biogás apresentou padrões distintos nos tratamentos ao longo do período de incubação, principalmente na quantidade de biogás gerada. Quanto à remoção de carga orgânica, os dois mostraram-se uma boa alternativa para o tratamento e disposição da vinhaça, visto que a eficiente redução de carga orgânica na vinhaça biodigerida evidencia a transformação de matéria orgânica em biogás.

Quanto ao potencial de geração de biogás, o tratamento II que tem como substrato adicional os rejeitos de mandioca, apresentou um volume de biogás gerado de 2,1 Kg/Cm2, evidenciando um quantitativo de quatro vezes maior que o produzido no tratamento I, contendo apenas a vinhaça. Esse resultado mostra que nas condições adotadas no presente estudo, o substrato com adição de um suplemento apresenta um potencial de geração de biogás satisfatório guando codigerido.

Apesar do processo de digestão anaeróbia da vinhaça apresentar muitas vantagens, ainda restam diversos desafios e obstáculos para que este processo seja implementado. Como sugestões para melhoramento do processo, menciona-se o uso de um sistema de agitação, o aumento no tempo de biodigestão, purificação do biogás e mais estudos na adição de suplementação. Nesse cenário, o biogás se destaca principalmente por se tratar de uma fonte renovável e com alto potencial energético.

REFERÊNCIAS

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7. COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO – CONAB. Preços da mandioca em raiz, fécula e farinha. 2018.
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10. INSTITUTO ADOLFO LUTZ. IAL. Métodos físico-químicos para análise de alimentos. 4 ed. Brasília: ANVISA, 2008.
11. WESTERMANN, P.; AHRING, B. K. Dynamics of methane production, sulfate reduction, and denitrification in a permanently waterlogged alder swamp. Applied and environmental microbiology, v. 53, n. 37, p. 2554-2559, 1987.
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