BRPI1102153A2 - processo e sistema de produÇço de biogÁs a partir de biomassa vegetal - Google Patents

Abstract

PROCESSO E SISTEMA DE PRODUÇçO DE BIOGÁS A PARTIR DA BIOMASSA VEGETAL . A presente invenção refere-se a um processo de produção de biogás a partir de materiais lignocelulósicos, compreendendo as etapas de: (a) tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor; e (b) hidrólise, e digestão anaerôbia do material tratado na etapa (a) por bactérias anaeróbias; em que as etapas (a) e (b) são realizadas em reatores separados, a etapa (b) é realizada em um único reator e os produtos da etapa (b) são o biogás e a biomassa digerida. Alternativamente, a hidrólise e a digestão podem ser realizadas em reatores separados. A presente invenção refere-se ainda a um sistema para a realização do processo de produção de biogás também objeto da invenção, o qual compreende: (i) um primeiro reator para o tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor; e (ii) um segundo reator para a hidrólise e a digestão anaeróbia do material tratado na etapa (i) por bactérias anaeróbias. Em uma concretização preferencial, ambos os processos e sistemas da invenção podem adicionalmente compreender, no reator de hidrólise e digestão anaeróbia, enzimas celulases com ou sem adição de xilanases. Em uma configuração alternativa, a hidrólise pode ocorrer em reatores separados.

Description

Relatorio Descritivo da Patente de Invengao para "PROCESSO E SISTEMA DE PRODUgAO DE BIOGAS A PARTIR DE BIOMASSA VE- GETAL".

CAMPO DA INVENCAO A presente irivengao insere-se no campo da tecnologia verde,

por meio da produgao de biogas, a partir de biomassa vegetal, em reatores operados em processo semicontinuo ou continuo.

FUNDAMENTOS DA INVENCAO

As preocupag5es referentes ao aumento da demanda energeti- ca, ao aciimulo de CO2 atmosferico devido a queima dos combustiveis fos- se is, a seguranga energetica nacional aliada ao fim dos combustiveis fosseis e ao desenvolvimento da economia rural sao os principals motivos para a busca de fontes energeticas sustentaveis e provenientes de materials reno- vaveis. Metodos, materials e tecnicas de geragao de novos produtos e pro- cessos que causem menos impacto ambiental e/ou que auxiiiem na redugao da poluigao e dos danos ao meio ambiente sao englobados no campo da tecnologia verde ou tecnologia ambiental.

Como um dos principals produtos agricolas do Brasil, cultivada desde a epoca da sua colonizagao, a cana-de-agiicar constitui um potencial gerador de energia, com a vantagem de ser completamente renovavel. O Brasil encontra-se em uma situagao bastante favoravel quanto a produgao da cana-de-agiicar, sendo que ate a segunda quinzena de novembro de 2008，aproximadamente 460 milhoes de toneladas de cana foram processa- das na safra 2008/2009. Em 2010, aproximadamente 654 milh5es de tonela- das de cana foram processadas na safra de 2009/2010.

Como consequencia do aumento da produgao de etanol nos ύΙ- timos anos, tem-se ο aumento dos residuos agroindustriais deste processo, tais como a palha e ο baga?o da cana-de-agiicar. O potencial de produgao de residuos da cana-de-agiicar (materia-seca) representa em media 14% da massa da cana. Dessa forma, para cada tonelada de cana produzida, tem-se 140kg de bagago e 140kg de palha, e segundo dados da safra 2008/2009, ο Brasil esta acumulando aproximadamente 130 milhoes de toneladas de resi- duos (palha e bagago de cana) (Seabra. Analise de opgoes tecnologicas pa- ra uso integral da biomassa no setor de cana-de-agdcar e suas implicagdes. Tese de doutorado. Unicamp, 298p.’ 2008). Segundo dados da safra de 2009/2010, ο aciimulo e de aproximadamente 183 milhdes de toneladas de residuos (palha e baga?o de cana).

A composigao do bagago e da palha de cana e variavel; ο maior componente e a celulose (40-50%), seguido de hemicelulose (20-30%) e Iignina (25-35%). Cinzas, compostos fenolicos, acidos graxos e outros cons- tituintes, denominados extrativos, compoem a fragao remanescente destas biomassas vegetais (Reddy, N.; Yang, Y. Biofibers from agricultural bypro- ducts for industrial applications. Trends in Biotechnology, v.23, p.22-27, 2005). As fragoes celulosica e hemicelulosica podem ser hidrolisadas e con- vertidas em agiicares fermeritesciveis, por metodos fisicos (por exemplo ex- plosao a vapor), quimicos (por exemplo alcalis, acidos, solventes, gases) e biologicos (por exemplo enzimas ou fungos).

Como alternativas economicas para a utilizagao do bagago e da palha residual de cana, podem ser citados como exemplos: uso como com- bustivel nas caldeiras de indiistrias/fazendas, uso na indiistria de papel e papelao, uso na produgao de biomassa microbiana e uso na alimentagao de animais.

O potencial energ6tico observado para ο volume de residuos de cana-de-agiicar tambem pode ser verificado em outras culturas, como, por exemplo, arroz (casca de arroz), milho (palha de milho), cevada (palha de cevada), trigo (palha de trigo), madeira (cavacos de eucalipto) e banana (pseudocaule de bananeira). Toda esta biomassa vegetal tern sido objeto de uma serie de estudos para aplicagdes em tecnologias verdes para obtenpao de produtos de interesse industrial, como alcoois (por exemplo, etanol, buta- nol), acidos organicos (por exemplo, acido lactico, acetico, citrico) e biogas.

A digestao anaerobia e um processo realizado por um consorcio de micro-organismos sob condig5es anaerobias (ausencia de oxigenio) con- vertendo ο material organico complexo em compostos mais simples e mate-

rial celular. O biogas gerado e composto de metano, dioxido de carbono, agua, gas sulfidrico, amonia entre outros, dependendo da composigao da biomassa empregada. O processo e desenvolvido em estagios sequenciais envolvendo processos metabolicos complexos, que dependem da atividade de, no minimo, quatro grupos de micro-organismos, sendo: bacterias hidroli- ticas, responsaveis pela Iiberagao de exoenzimas que catalisam a hidrolise de polimeros organicos complexos como a pectina, a hemicelulose e a celu- Iose a agCicares, acidos carboxilicos de cadeia Ionga e glicerol; bacterias acidogenicas, que metabolizam os produtos hidrolisados em outros ainda mais simples como acidos carboxilicos de cadeia curta, alcoois, acido Iacti- co, CO2, H2, NH3 e H2S em fungao das condig5es do meio; bacterias aceto- genicas, que convertem os produtos resultantes do metabolismo das acido- genicas em acetato, hidrogenio e dioxido de carbono e, por fim, estes sao convertidos a metano e dioxido de carbono, pelas bacterias metanogenicas (Chernicharo, C.A.L.. Reatores anaerobios. Departamento de Engenharia Sanitaria e Ambiental-UFMG, 246p.，1997).

Alguns parametros possuem uma significancia maior no monito- ramento de reatores anaerobios por serem um indicativo da eficiencia, do estagio operacional e de alterag5es externas ou intemas dos processos que ocorrem no reator. Podemos destacar a alcalinidade, ο pH, os acidos graxos volateis (AGV) e a temperatura como os fatores mais preponderantes

A temperatura no processo de digestao anaerobia exerce influ- encia forte sobre a taxa de conversao do material organico e sobre as espe- cies predominantes em determinada faixa de temperatura. Ha tres faixas de temperatura que possuem alguma relagao com ο crescimento microbiano na maioria dos processos biologicos, a saber: a faixa psicrofila compreendida entre 4 e 15 0C; a faixa mesofila de 20 a 40 0C e a faixa termofila entre 45 e 70 0C (Lettinga, G. Sustainable integrated biological wastewater treatment. Water Science and Technology, v. 33, n. 3. p. 85-98，1996).

Alcalinidade de um sistema e a capacidade que este tern de neutralizar acidos, resultado da presenga de especies quimicas de natureza alcalina. A alcalinidade e um indicativo da capacidade tamponante de um

determinado sistema e sendo assim, para uma alcalinidade alta, nao deve ser entendida que ο pH esteja necessariamente alto. Os acidos graxos vola- teis mantem uma relagao estreita com a alcalinidade. Os acidos formados no processo tendem a reduzir ο pH tornando-o acido e inadequado aos proces- sos anaerobios. Neste sentido ο efeito tamponante da solugao evita quedas bruscas e oscilagdes frequentes do pH (Chernicharo, C.A丄■■ Reatores anae- robios. Departamento de Engenharia Sanitaria e Ambiental-UFMG, 246p.,1997).

Um tipo de digestor anaerobio muito utilizado e ο tipo UASB (Up- flow Anaerobic Sludge Bed), que proporciona mecanismos de contato inten- sivo entre ο substrato afluente e as bacterias, com eficiencias que variam de 70 a 85%. Devido a capacidade de aplicagao de elevadas cargas organicas, articulada a alta capacidade de retengao celular, os reatores UASB sao con- siderados um dos sistemas anaerobios com maior aplicagao pratica no tra- tamento de aguas residuarias domesticas e industrials. Um exemplo de sistema de hidrolise e digestao de solidos para a

produpao de biogas e descrito no documento de patente U.S. 2008/193994 (publicado em 14.08.2008, em nome de Chris E. Choate e James H. Lord), no qual a materia-prima e composta por uma mistura de residuo solido mu- nicipal e esgoto domestico, e compreende: 1) um sistema de produgao de biomassa corifigurado para a conversao de residuos organicos solidos em biomassa uniforme; 2) um reator de hidrolise configurado para converter a biomassa em solidos residuais e um Iiquido contendo compostos soluveis, por meio de hidrolise e fermentagao acida volatil; e 3) um digestor anaerobio configurado para receber rejeitos Iiquidos contendo os compostos soliiveis em conjunto com esgoto sanitario para produzir biogas a partir dos mesmos.

Na presente invengao poderao ser utilizados materials Iignocelu- Iosicos de diversas fontes para a produgao de biogas, em que a etapa 1 e um pre-tratamento realizado em reator hidrolitico, atraves do processo de explosao a vapor e a etapa de hidrolise da biomassa e realizada com bacte- rias hidroliticas, podendo ter a adigao de catalisador biologico (enzimas in- dustrials) combinado com estas bacterias hidroliticas. Na etapa 3, apenas ο

Iiquido removido apos a etapa de hidrolise e adicionado ao reator de diges- tao anaerobia, sem a utilizagao de nenhum substrato adicional como esgoto sanitario para produgao de biogas.

O document。de patente U.S. 2010/0173354 (publicado em 08.07.2010, em nome de Bjoern Schwarz et al.) descreve um processo para a fermentagao de materia-prima renovavel de silagem, ο qual compreende: 1) Iavagem e esmagamento da materia-prima renovavel de silagem; 2) re- mogao de pelo menos parte da agua do material; 3) hidrolise do material uti- Iizando Iodo ativado de esta?ao de tratamento de esgoto e opcionalmente, esterco e 4) produgao de biogas a partir do material hidrolisado, em fermen- tadores. As etapas de tratamento da materia-prima renovavel de silagem, hidrolise e fermentasao podem ser realizadas separadamente.

A presente invengao diferencia-se pela etapa de pre-tratamento empregado (explosao a vapor), materia-prima e tambem pela possibilidade de adigao de catalisador biologico na etapa de hidrolise. A biomassa e hidro- Iisada na etapa 2 e ο Iiquido provenierite da separagao solido/liquido e utili- zado na etapa 3 para a produgao de biogas, diferentemente do que ocorre na patente U.S. 2010/0173354，na qual ambas as fragdes solida e Iiquida do material hidrolisado sao utilizadas nos digestores para a produgao de biogas.

As celulases sao usualmente uma mistura de diversas enzimas que catalisam a hidrolise da celulose, convertendo-a em agiicares redutores (principalmente glicose) que podem ser utilizados por micro-organismos para a produgao de insumos de interesse industrial. Admite-se a existencia de tres tipos de celulases, responsaveis pela hidrolise da celulose: (1) endoce- Iulase - responsavel pelo rompimento de liga?oes polimericas que conferem estrutura cristalina a celulose; (2) exocelulase - cliva segmentos das cadeias expostas pela endocelulase, gerando celobiose (dissacaridio); e (3) beta- glicosidase - hidrolisa celobiose, gerando monomeros de glicose. As xilana- ses catalisam a hidrolise da fragao hemicelulosica da biomassa, produzindo hidrolisado com cerca de 90% de pentoses (principalmente xilose e arabino- se) (Sun, Y.; Cheng, J. Hydrolysis of Iignocellulosic materials for ethanol pro- duction: a review. Bioresource Technology, v. 83, p. 1 — 11, 2002).

sumArio da invencAo A presente irivengao refere-se a um processo de produ^ao de biogas compreendendo as etapas de:

(a) pre-tratamento de biomassa vegetal atraves de explosao a

vapor;

(b) hidrolise do material tratado na etapa (a) por bacterias hidroli-

ticas, com ou sem a adigao de enzimas celulases em conjunto ou nao com enzimas xilanases; e

(c) digestao anaerobia do material hidrolisado na etapa (b); em que as etapas (a), (b) e (c) sao realizadas em reatores separados e ο produto da etapa (c) e ο biogas.

A presente invengao refere-se ainda a um sistema para a reali- zagao do processo de produpao de biogas tambem objeto da invengao, ο qual compreende:

(i) um primeiro reator para ο pre-tratamento de biomassa vegetal atraves de explosao a vapor;

(ii) um segundo reator para a hidrblise do material tratado na e- tapa (i) por bacterias hidroliticas, com ou sem a adigao de enzimas celulases em conjunto ou nao com enzimas xilanases; e

(iii) um terceiro reator para a digestao anaerobia do material hi- drolisado na etapa (ii).

BREVE DESCRICAQ DOS DESENHOS

Figura 1 - A figura 1 corresponde a representagao esquematica do sistema e do processo de produgao de biogas a partir de biomassa vege- tal, com um reator de pre-tratamento por explosao a vapor (10), um reator de hidrolise (20) e um reator de digestao anaerobia (30), sem adigao de enzi- mas industrials de acordo com a presente invengao.

Figura 2 - A figura 2 corresponde a representagao esquematica do sistema e do processo de produgao de biogas a partir de biomassa vege- tal, com um reator de pre-tratamento por explosao a vapor (10), um reator de hidrolise (20) e um reator de digestao anaerobia (30), com adigao de enzi- mas industrials de acordo com a presente invengao.

DESCRICAQ DETALHADA DA INVENCAO A presente inveng§o refere-se a um processo de produgao de biogas compreendendo as etapas de:

(a) pre-tratamento de biomassa vegetal atraves de explosao a

vapor;

(b) hidrolise do material tratado na etapa (a) por bacterias hidroli- ticas, com ou sem adigao de enzimas eeluIases, em conjunto ou nao com enzimas xilanases; e

(c) digestao anaerobia do material hidrolisado na etapa (b);

em que as referidas etapas (a), (b) e (c) sao realizadas em reatores separa- dos e ο produto da etapa (c) e ο biogas.

A produgao de biogas de acordo com a invengao e realizada a partir de biomassa vegetal, que pode ser selecionada a partir do grupo con- sistindo em: bagago de cana-de-agijcar, palha de cana-de-agOcar, casca de arroz, palha de milho, palha de cevada, palha de trigo, cavacos de eucalipto, pseudocaule de bananeira e misturas dos mesmos.

A primeira etapa do processo da invengao, a etapa (a), compre- ende ο pre-tratamento do material Iignocelulosico em um primeiro reator, atraves de explosao a vapor, como apresentado esquematicamente nas figu- res 1 e 2 (reator 10). A hemicelulose, por apresentar estrutura amorfa e me- nor grau de polimerizagao que a celulose, e hidrolisada parcialmente ou completamente nesta etapa de pre-tratamento, dependendo das condig5es de rea9§o empregadas. O referido pre-tratamento tambem visa a desestrutu- ragao da fibra da biomassa vegetal, reduzindo a cristalinidade e aumentando a porosidade, de modo a facilitar a hidrolise da fragao celulosica.

O pre- tratamento da etapa (a) do processo da invengao com- preende explosao a vapor pela aplicagao de vapor d'agua na biomassa ve- getal, no referido primeiro reator, com temperatures que variam de 160- 260°C, ο que corresponde a pressSes de 0,62- 4,7MPa e tempo de reagao variando de alguns segundos a poucos minutos antes da descompressao. Preferencialmente1 a reagao deve ser realizada a temperaturas na faixa de 180-220°C e tempos de reagao de 3-15 minutos.

O processo de explosao a vapor consiste na descompressao sCibita de um sistema pressurizado contendo ο vapor d'agua saturado a ele- vada pressao e a biomassa vegetal. A agua, sob elevada pressao, penetra na estrutura celular da biomassa, hid rata a celulose e hidrolisa a hemicelulo- se. As pentoses da fragao hemicelulosica podem ser separadas e ο acesso das enzimas a celulose e facilitado. Antes da etapa de hidrolise (b), os agij- cares provenientes da fragao hemicelulosica podem ser transferidos para fase Iiquida por uma etapa de Iavagem da biomassa, e este Iiquido rico em material organico pode ser enviado diretamente para a etapa c (digestao anaerobia). A biomassa pre-tratada apresenta umidade em torno de 55-60%. A segunda etapa do processo da invengao, a etapa (b), compre-

ende a hidrolise do material tratado na referida etapa (a) em um segundo reator. O material tratado na etapa (a) sofre hidrolise no referido segundo reator (reator 20’ conforme apresentado nas figuras 1 e 2) ο qual pode ope- rar com temperatura na faixa mesofilica ou termofilica, preferencialmente na faixa de 45-55°C. Bacterias hidroliticas sao adicionadas ao reator, ο qual deve ser operado com pH entre 5,0-8,0, preferivelmente 5,0-6,0. A concen- tragao de solidos totais no reator de hidrolise esta compreendida na faixa de 5-50%, sendo preferivelmente 5-15% para este processo. Enzimas industri- als (celulases em conjunto ou nao com enzimas xilanases) podem ser adi- cionadas ao reator nesta etapa, em conjunto com as bacterias hidroliticas para elevar a eficiencia da hidrolise.

O pH pode ser controlado pela adi?ao de agentes alcalinizantes (bases fortes ou fracas), preferivelmente hidroxido de sodio ou ureia. Alter- nativamente, ο controle do pH pode ser obtido recirculando ο material conti- do no reator, com ou sem a adigao dos alcalinizantes.

No reator de hidrolise, as fragdes celulosica e hemicelulosica podem ser convertidas em compostos de menor massa molecular por bacte- rias hidroliticas. A adigao das enzimas industrials, celulases e xilanases, tern ο objetivo de aumentar a eficiencia e produtividade da reagao de hidrolise, uma vez que ο produto da hidrolise pode ser prontamente convertido pelas bacterias acidogenicas e acetogenicas a acidos organicos volateis.

O fungo Trichoderma reesei e ο micro-organismo mais utilizado industrialmente para a produgao de eeluIases e xilanases, mas algumas bac- terias tambem sao capazes de produzir tais enzimas, como, por exemplo, Clostridium thermocellum, Ruminococcus albus e Streptomyces sp. (Corre- dor et al. Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Sorghum Bran. Cereal Chemistry, v.84, p.61-66, 2007). As bacterias hidroliticas podem ser selecio- nadas a partir de Iodos anaerobios provenientes de esta?oes de tratamentos de efluentes domesticos ou industrials. Os micro-organismos devem ser a- daptados ao meio contendo a biomassa empregada, durante um periodo que pode variar de 20-60 dias. A carga organica volumetrica mais adequada aplicada no reator esta na faixa de 5-30 g DQO/L.dia, mais preferivelmente de 10-20 g DQO/L.dia. Esta carga organica deve ser aumentada Ientamente, garantindo condigoes que propiciem ο desenvolvimento de bacterias hidroli- ticas.

O reator de hidrolise que sera componente deste processo dife- rencia-se dos restores comumente empregados para hidrolise de biomassa, como por exemplo, do sistema utilizado para produgao de etanol de segunda geragao. Para ο etanol de segunda geragao, se utiliza apenas enzimas e os produtos da hidrolise sao carboidratos. Na presente invengao, estes carboi- dratos sao convertidos a acidos organicos volateis pelas bacterias acidoge- nicas e acetogenicas presentes no reator.

O tipo e a dosagem das enzimas empregadas no processo de hidrolise sao dependentes de fatores como: composigao da biomassa, grau de cristalinidade da cadeia polimerica, tipo de pre-tratamento empregado e condigdes de processo, principalmente temperatura e pH. A hidrolise da fragao celulosica da biomassa vegetal para produ-

Qao de biogas pode ser realizada com adigao de celulases, em quantidades de cerca de 0,05-5% em massa de solidos totais (ST), mais preferivelmente de 0,5-4% em massa de ST. A xilanase e adicionada em uma quantidade suficiente para hidrolisar a hemicelulose em xilose, em concentragoes de 0,001-1% em massa de ST, mais preferivelmente de 0,05-0,2%. No entanto, ο tratamento da hemicelulose com a adipao de xilanase nao e obrigatorio de

acordo com a presente invengao, apos ο pre-tratamento com explosao a va- por.

As bacterias hidroliticas do referido segundo reator (etapa (b)) sao obtidas pela inoculagao do mesmo com 5-40% v/v de Iodo anaerobio, preferivelmente de 10-20% v/v. Tal inocuIagao visa a conversao da biomas- sa em carboidratos, com subsequente produgao de acidos organicos, os quais poderao ser convertidos a metano e dioxido de carbono no terceiro reator de digestao anaerobia da etapa (c) detalhada a seguir.

Na etapa (b), ο referido segundo reator pode compreender adi- cionalmente uma solugao de nutrientes organicos, com objetivo de estimular a produgao de enzimas pelas bacterias hidroliticas. A solugao de nutrientes ideal, deve conter macro (N-NH4+, P-PO43", Mg, Ca) e micro-nutrientes (Fe, Ni, Zn, Co, etc.), bem como alcalinidade (NaHCO3 ou KH2PO4 e K2HPO4) (Aquino et al. Eng. San. Amb. vol.12 - n0 2 (2007), p. 192-201). Uma fragao da solugao de nutrientes pode ser composta por vinhaga (5-20%), subprodu- to do processo de destilagao para produgao de etanol de usinas de alcool e a^Licar. A quantidade de nutrientes adicionada deve ser suficiente para ο desenvolvimento de bacterias hidroliticas.

Finalizada a hidrolise da etapa (b), realiza-se a separapao soli- do/liquido do material hidrolisado, ο que pode ser feito por filtragao, prensa- gem ou centrifugagao. O Iiquido obtido e encaminhado para a etapa (c) pos- terior.

Os parametros monitorados no reator de hidrolise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho dos reatores, sao pH, temperatura, alcalinidade, acidos graxos volateis, DQO (Demanda Qui- mica de Oxigenio), solidos totais, solidos suspensos, solidos volateis, densi- dade e umidade da biomassa.

A terceira etapa do processo da invengao, a etapa (c), compre- ende a digestao anaerobia do material hidrolisado na referida etapa (b), em um terceiro reator (reator 30, conforme apresentado nas figuras 1 e 2). O material hidrolisado na referida etapa (b) e submetido a digestao anaerobia no referido terceiro reator, ο qual opera com temperatura na faixa mesofilica, mais preferencialmente de 30-40°C. O pH pode ser controlado pela adigao de agentes alcalinizantes, tais como ureia ou hidroxido de sodio, e deve ser mantido na faixa de 6,0- 8,0, mais preferivelmente de 6,0-7,0. Alternativamente, ο controle do pH po- de ser obtido recirculando ο material contido no reator, com ou sem a adigao de alcalinizantes.

Na presente invenpao, pode-se utilizar um reator tipo UASB, ali- mentado com a fragao Iiquida obtida apos a hidrolise do bagago por bacte- rias, com ou sem a adigao de enzimas. A velocidade ascensional utilizada esta compreendida na faixa de 0,3-1,5 m/h, mais preferencialmente de 0,5- 1,0 m/h, tempo de retengao de 4-15 horas, preferencialmente de 7-10 horas, e carga organica volumetrica de 3-30 gDQO/L.dia, preferencialmente de 10- gDQO/L.dia.

A presente invengao refere-se ainda a um sistema para a reali- zagao do processo de produgao de biogas tambem objeto da invengao, ο qual compreende:

(i) um primeiro reator para ο pre-tratamento de material organico ou biomassa vegetal atraves de expIosao a vapor;

(ii) um segundo reator para a hidrolise do material tratado na e- tapa (i) por bacterias hidroliticas, com ou sem adigao de enzimas celulases, em conjunto ou nao com enzimas xilanases; e

(iii) um terceiro reator para a digestao anaerobia do material hi- drolisado na etapa (ii).

EXEMPLOS:

EXEMPLQ 1:

Utilizou-se bagago de cana-de-agiicar como material de biomas- sa, ο qual foi submetido a um pre-tratamento, em um primeiro reator de ex- plosao a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressao de 1,6 MPa (16 bar) e tempo de reagao de 7 minutos. A umidade do bagago explodido situou-se em torno de 50%.

O bagago pre-tratado foi transferido para ο segundo reator (rea- tor de hidrolise) e sua hidrolise foi conduzida. O reator hidrolitico operou em condigao mesofilica (37 土 0,5oC), pH em torno de 5,5 e concentragao de so- lidos em torno de 15%, com alimentagao semicontinua. A cada dois dias, ο segundo reator foi alimentado com bagago explodido e foi retirada uma parte do baga^o hidrolisado (torta para descarte), sendo que ο tempo de retengao de solidos foi em torno de 20 dias.

No segundo reator de hidrolise, as fragdes celulosica e hemice-

Iulosica do substrato utilizado (bagago pre-tratado) foram convertidas em agiicares de menor massa molecular, por bacterias hidroliticas. Para isso，ο segundo reator hidrolitico foi inoculado com 20% v/v de Iodo anaerobio, com concentragao de solidos volateis totais de 32gSTV.L"1 e atividade metanoge- nica especifica (AME) de 0,3gDQO.gSTV"1 .dia"1 utilizando substrato padrao. O Iodo foi adquirido de uma unidade de digestao anaerobia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagago pre-tratado) por cer- ca de 30 dias.

Os parametros monitorados no segundo reator de hidrolise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, acidos graxos volateis, DQO1 solidos totais, solidos volateis suspensos, solidos volateis totais, solidos fixos totais, densidade e umidade do bagago e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido ο tempo de hidrolise (48h), ο bagago hidrolisado foi submetido a separa?ao solido/liquido, e ο Iiquido obtido por filtragao contendo compostos soldveis (lixiviado), rico em agCicares, foi envi- ado para ο terceiro reator de digestao anaerobia.

Nao foi empregado nenhum tipo de cataiisador no processo, como enzimas industrials ou acidos inorganicos. O terceiro reator de digestao anaerobia utilizado foi um reator di-

gestor do tipo UASB1 alimentado com a fragao Iiquida obtida apos a hidrolise do bagago por bacterias. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retengao em torno de 3h e carga organica volumetrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi operado em condigao mesofi- Iica (37 ±0,5oC) e pH em torno de 6.

EXEMPLO 2:

Utilizou-se bagago de cana-de-agiicar como material de biomas- sa, ο qual foi submetido a um pre-tratamento, em um primeiro reator de ex- plosao a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressao de 1,6 MPa (16 bar) e tempo de reagao de 7 minutos. A umidade do bagago explodido situou-se em torno de 50%.

O baga?o pre-tratado foi transferido para ο segundo reator (rea-

tor de hidrolise) e sua hidrolise foi conduzida. O reator hidrolitico operou em condigao mesofilica (37 土 0,5oC)，pH em torno de 5,5 e concentraQao de so- Iidos em torno de 15%, com alimentagao semicontinua. A cada dois dias, ο segundo reator foi alimentado com bagago explodido e foi retirada uma parte do bagago hidrolisado (torta para descarte), sendo que ο tempo de retengao de solidos foi em torno de 20 dias.

No segundo reator de hidrolise, as fragoes celulosica e hemice- Iulosica do substrato utilizado (bagago pre-tratado) foram convertidas em agiicares de menor massa molecular, por bacterias hidroliticas e enzimas comerciais dos tipos celulase e xilanase, cujo objetivo foi aumentar a eficien- cia e a produtividade da hidrolise no segundo reator. Para isso, ο segundo reator hidrolitico foi inoculado com 20% v/v de Iodo anaerobio, com concen- tragao de solidos volateis totais de 32gSTV.L"1 e atividade metanogenica especifica (AME) de 0,3gDQO.gSTV"1 .dia"1 utilizando substrato padrao, e com um coquetel de enzima comercial compost。por celulases e xilanases. As enzimas eram diluidas em agua e aplicadas diretamente ao bagago du- rante cada alimentagao. O Iodo foi adquirido de uma unidade de digestao anaerobia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagago pre-tratado) por cerca de 30 dias. Os parametros monitorados no segundo reator de hidrolise, para

auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, acidos graxos volateis, DQO, solidos totais, solidos volateis suspensos, solidos volateis totais, solidos fixos totais, densidade e umidade do bagago e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido ο tempo de hidrolise (48h), ο bagago hidrolisado foi submetido a separagao solido/liquido, e ο Iiquido obtido por

filtragao contendo compostos soliiveis (Iixiviado)1 rico em agiicares, foi envi- ado para ο terceiro reator de digestao anaerobia. A eficiencia de hidrolise da biomassa foi calculada considerando ο valor de DQO do bagago que entra no reator, DQO do bagago que sai do reator e da DQO do lixiviado, obtido pela analise do liquid。extraido do bagago hidrolisado. A eficiencia do se- gundo reator hidrolitico aumentou em torno de 150% com relagao ao Exem- plo 1.

O terceiro reator de digestao anaerobia utilizado foi um reator di- gestor do tipo UASB, alimentado com a fragao Iiquida obtida apos a hidrolise do bagago por bacterias e enzimas comerciais. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retengao em torno de 3h e carga organica volumetrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi ope- rado em condigao mesofilica (37 ±0’5。C) e pH em torno de 6.

EXEMPLO 3:

Utilizou-se bagago de cana-de-agiicar como material de biomas- sa, ο qual foi submetido a um pre-tratamento, em um primeiro reator de ex- plosao a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200。C, pressao de 1,6 MPa (16 bar) e tempo de reagao de 7 minutos. A umidade do bagago explodido situou-se em torno de 50%.

O bagago pre-tratado foi transferido para ο segundo reator (rea- tor de hidrolise) e sua hidrolise foi conduzida. O reator hidrolitico operou em condi?ao termofilica (55 土 0,5。C), pH em torno de 5,5 e concentragao de so- Iidos em torno de 15%, com alimentagao semicontinua. A cada dois dias, ο segundo reator foi alimentado com bagago explodido e foi retirada uma parte do bagago hidrolisado (torta para descarte), sendo que ο tempo de retengao de solidos foi em torno de 20 dias.

No segundo reator de hidrolise, as frag5es celulosica e hemice- Iulosica do substrato utilizado (bagago pre-tratado) foram convertidas em agiicares de menor massa molecular, por bacterias hidroliticas. Para isso, ο segundo reator hidrolitico foi inoculado com 20% v/v de Iodo anaerobio, com concentragao de solidos volateis totais de 32gSTV.L"1 e atividade metanoge- nica especifica (AME) de 0,3gDQO.gSTV"1 .dia"1 com substrato padrao. O

Iodo foi adquirido de uma unidade de digestao anaerobia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (baga?o pre-tratado) por cer- ca de 30 dias.

Os parametros monitorados no segundo reator de hidrolise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, acidos graxos volateis, DQO1 solidos totais, solidos volateis suspensos, solidos volateis totais, solidos fixos totais, densidade e umidade do bagago e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido ο tempo de hidrolise (48h), ο bagago hidrolisado foi submetido a separagao solido/liquido, e ο Iiquido obtido por filtragao contendo compostos solCiveis (lixiviado), rico em agiicares, foi envi- ado para ο terceiro reator de digestao anaerobia. A eficiencia de hidrolise da biomassa foi calculada considerando ο valor de DQO do bagago que entra no reator, DQO do bagagio que sai do reator e da DQO do lixiviado, obtido pela analise do Iiquido extraido do bagago hidrolisado. Para aumentar a efi- ciencia da hidrolise, foi adicionada uma solugao contendo nutrientes especi- ficos para promover a sintese de enzimas celuloliticas pelas bacterias pre- sentes no Iodo anaerobico. A eficiencia do segundo reator hidrolitico foi em torno de 150% maior que ο Exemplo 1.

Nao foi empregado nenhum tipo de catalisador no processo, como enzimas industrials ou acidos inorganicos.

O terceiro reator de digestao anaerobia utilizado foi um reator di- gestor do tipo UASB alimentado com a fragao Iiquida obtida apos a hidrolise do bagago por bacterias. A velocidade ascensional utilizada foi de 0’5m/h, tempo de retengao em torno de 3h e carga organica volumetrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi operado em condigao mesofi- Iica (37 ±0,5°C) e pH em torno de 6.

EXEMPLO 4:

Utilizou-se bagago de cana-de-agiicar como material de biomas- sa, ο qual foi submetido a um pre-tratamerito, em um primeiro reator de ex- plosao a vapor, empregando-se temperaturas em torno de 200°C, pressao de 1,6 MPa (16 bar) e tempo de reagao de 7 minutos. A umidade do bagago

explodido situou-se em torno de 50%. O bagago pre-tratado foi transferido para ο segundo reator (rea- tor de hidrolise) e sua hidrolise foi conduzida. O reator hidrolitico operou em condigao termofilica (55 土 0，5oC), pH em torno de 5,5 e concentragao de so- Iidos em torno de 15%, com alimentagao semicontinua. A cada dois dias, ο segundo reator foi alimentado com bagago explodido e foi retirada uma parte do baga^o hidrolisado (torta para descarte), sendo que ο tempo de retengao de solidos foi em torno de 20 dias.

No segundo reator de hidrolise, as fragoes celulosica e hemice- Iulosica do substrato utilizado (bagago pre-tratado) foram convertidas em agiicares de menor massa molecular, por bacterias hidroliticas e enzimas comerciais dos tipos celulase e xilanase, cujo objetivo foi aumentar a eficien- cia e a produtividade da hidrolise no segundo reator. Para isso, ο segundo reator hidrolitico foi inoculado com 20% v/v de Iodo anaerobio, com concen- tragao de solidos volateis totais de 32gSTV.L"1 e atividade metanogenica especifica (AME) de 0,3gDQO.gSTV"1 .dia"1 utilizando substrato padrao, e com um coquetel de enzima comercial composto por celulase e xilanase. As enzimas eram diluidas em agua e aplicadas diretamente ao baga?o durante cada alimentagao. O Iodo foi adquirido de uma unidade de digestao anaero- bia de efluentes de cervejaria e foi adaptado ao substrato utilizado (bagago pre-tratado) por cerca de 30 dias.

Os parametros monitorados no segundo reator de hidrolise, para auxiliar no acompanhamento da estabilidade e do desempenho do reator utilizado no processo, foram: pH, temperatura, alcalinidade, acidos graxos volateis, DQO1 solidos totais, solidos volateis suspensos, solidos volateis totais, solidos fixos totais, densidade e umidade do bagago e densidade e umidade da torta. Depois de decorrido ο tempo de hidrolise (48h), ο bagago hidrolisado foi submetido a separagao solido/liquido, e ο Iiquido obtido por fiItragao contendo compostos soldveis (lixiviado), rico em agOcares, foi envi- ado para ο terceiro reator de digestao anaerobia. A eficiencia de hidrolise da biomassa foi calculada considerando ο valor de DQO do bagago que entra no reator, DQO do bagago que sai do reator e da DQO do lixiviado, obtido

pela analise do Iiquido extraido do bagago hidrolisado. Para aumentar a efi- ciencia da hidrolise, foi adicionada uma solugao contendo nutrientes especi- ficos para promover a sintese de enzimas celuloliticas pelas bacterias pre- sentes no Iodo anaerobico. A eficiencia do segundo reator hidrolitico foi em torno de 175% em relagao ao Exemplo 1.

O terceiro reator de digestao anaerobia utilizado foi um reator digestor do tipo UASB alimentado com a fragao Iiquida obtida apos a hidroli- se do bagago por bacterias e enzimas comerciais. A velocidade ascensional utilizada foi de 0,5m/h, tempo de retengao em torno de 3h e carga organica volumetrica adequada a este tipo de reator. O terceiro reator UASB foi ope- rado em condigao mesofilica (37 土 0,5oC) e pH em torno de 6.

Claims (16)

1. Processo de produgao de biogas, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) pre-tratamento de biomassa vegetal atraves de explosao a vapor; (b) hidrolise do material tratado na etapa (a) por bacterias hidroli- ticas; e (c) digestao anaerobia do material hidrolisado na etapa (b); em que as etapas (a), (b) e (c) sao realizadas em reatores separados e ο produto da etapa (c) e ο biogas.

2. Processo de acordo com a reivindicagao 1, caracterizado pelo fato de que a biomassa vegetal da etapa (a) e selecionada a partir do grupo consistindo em bagago de cana-de-agiicar, palha de cana-de-agucar, casca de arroz, palha de milho, palha de cevada, palha de trigo, cavacos de euca- lipto, pseudocaule de bananeira e misturas dos mesmos.

3. Processo de acordo com a reivindica^ao 1 ou 2，caracterizado pelo fato de que a etapa (a) compreende ο processo de explosao a vapor para ο pre-tratamento da biomassa vegetal, em um reator com temperatura de 160 a 260 C e pressao de 0,62 a 4,7 MPa.

4. Processo de acordo com uma das reivindicagoes 1-3’ caracte- rizado pelo fato de a biomassa obtida na etapa (a) pode ser submetida a uma etapa de Iavagem para recuperagao de material organico provenierite da hidrolise da frapao hemicelulosica, send。que este Iiquido pode ser envi- ado diretamente para ο reator da etapa (c).

5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1- 4’ caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende a hidrolise do ma- terial tratado na etapa (a), em um reator que pode operar em condigoes me- sofilicas, com bacterias hidroliticas, pH de 5,0-8,0, preferencialmente de 5,0- 6,0, concentragao de solidos de 5-50%, sendo preferencialmente de 5-15%, alimentagao semicontinua ou continua e temperatura de 20-70°C, preferen- cialmente de 30-40°C.

6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1- -4, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende a hidrolise do ma- terial tratado na etapa (a), em um reator que pode operar em condigoes ter- mofilicas, com bacterias hidroliticas, pH de 5,0-8,0, preferencialmente de -5,0-6,0, concentragao de solidos de 5-50%, sendo preferencialmente de 5- -15%, alimentagao semicontinua ou continua e temperatura de 20-70°C, pre- ferencialmente de 45-55°C.

7. Processo de acordo com as reivindicagoes 5 e 6，caracteriza- do pelo fato de que ο pH e controlado pela adigao de agentes alcalinizantes como ureia e hidroxido de sodio, alternativamente com recirculagao do mate- rial contido no reator com ou sem a adigao de alcalinizantes.

8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1- -7, caracterizado pelo fato de que as bacterias hidroliticas do reator da etapa (b) sao obtidas pela inoculagao do referido reator com 5-40-% v/v de Iodo anaerobio, preferivelmente de 10-20 %v/v.

9. Process。de acordo com qualquer uma das reivindicagdes 1- -8，caracterizado pelo fato de que ο reator da etapa (b) compreende ainda adigao de uma solugao de nutrientes organicos.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1- -9’ caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende ainda adigao de enzimas celulases em conju门to ou nao com enzimas xilanases.

11. ■ Processo de acordo com qualquer uma das reivindicagoes 1- -10’ caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende ainda a separa- ?ao solido/liquido do material hidrolisado da etapa (b), em que ο Iiquido con- tendo material organico soliivel e obtido e encaminhado para a etapa (c).

12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicapdes 1- -11, caracterizado pelo fato de que a etapa (c) compreende a digestao anae- robia do material hidrolisado na etapa (b), em um reator apresentando con- digoes mesofilicas, com temperatura preferencialmente de 30-40°C, pH de 6,0-8,0, sendo preferencialmente de 6,0-7,0.

13. Processo de acordo com a reivindicagao 12，caracterizado pelo fato de que ο pH e controlado pela adigao de agentes alcalinizantes, como ureia e hidroxido de sodio, alternativamente com recirculagao do mate- rial contido no reator com ou sem a adição de alcalinizantes.

14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- 13, caracterizado pelo fato de o processo poder ser realizado sem adição de enzimas industriais.

15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1- 14, caracterizado pelo fato de o processo poder ser realizado com adição de enzimas industriais.

16. Sistema para a realização do processo de produção de bio- gás como definido em qualquer uma das reivindicações 1-15, caracterizado pelo fato de que compreende: (i) um primeiro reator para o pré-tratamento de biomassa vegetal através de explosão a vapor; (ii) um segundo reator para a hidrólise do material tratado na e- tapa (i) por bactérias hidrolíticas; e (iii) um terceiro reator para a digestão anaeróbia do material hi- drolisado na etapa (ii).