O documento discute a produção de biogás através da biodigestão anaeróbia. Apresenta conceitos sobre biodigestores e seus tipos, princípios de funcionamento da biodigestão, características dos resíduos utilizados e fatores que afetam a produção de biogás. Também aborda o histórico do desenvolvimento de biodigestores na Índia, China e Brasil.

1. MÓDULO I
 Introdução ao Biodigestor
 Caracterização dos Resíduos

2. A pesquisa sobre
fontes alternativas de
energias tem se
intensificado em todo
planeta, visando
diminuir a poluição
ambiental.

3. Os dejetos de animais
têm se tornado um
norte para as
pesquisas no intuito de
proteger o meio
ambiente da poluição e
melhorar a qualidade
de vida com os
benefícios obtidos do
tratamento dos dejetos.

4. 1. INTRODUÇÃO AO BIODIGESTOR
 Conceitos
Estrutura destinada a conter a
biomassa e seu produto: o
BIOGÁS.
BIODIGESTOR
O biodigestor não produz o biogás, mas
proporciona condições adequadas para que as
bactérias metanogênicas atuem sobre a
biomassa para produção desse combustível.

6. HÁ DOIS TIPOS DE SISTEMAS:
• Contínuo
• Descontínuo

7. Contínuo
• Mais difundido;
• Se adapta à maioria das biomassas;
• Cargas diárias ou periódicas;
• Descarrega o biofertilizante de forma contínua.

8. Descontínuo
• Específico para biomassas de decomposição
lenta;
• Recebe a carga total, retendo-a até terminar o
processo de biodigestão;
• Ao término do processo, o biodigestor é totalmente
esvaziado.
• Para novo processo, o biodigestor deve ser
recarregado.

9. O sistema mais
difundido é o sistema
contínuo, cujos
modelos mais
conhecidos são o
chinês e o indiano, que
são muito utilizados no
Brasil.
(Coldebella, 2006)

10.  Princípios de Funcionamento
BIODIGESTÃO AERÓBIA
O processo envolve a oxidação direta de matéria
orgânica e de matéria celular biodegradável.
 É realizada por diferentes grupos de micro-organismos.

11. Nos estágios iniciais, os micro-organismos se
reproduzem a uma taxa de crescimento
populacional logarítmica.
Progride a oxidação da matéria orgânica e a taxa de
crescimento começa a diminuir.
Fontes de carbono orgânico disponível se tornam
limitantes, reduzindo a taxa de consumo de oxigênio.

12. BIODIGESTÃO ANAERÓBIA
Biogás e
Biofertilizante
Matéria
Orgânica
Bactérias anaeróbias
estritas e facultativas
decomposição
complexa
Pode-se converter uma grande quantidade de
resíduos, em subprodutos úteis.
Mais de 90% da energia disponível por
oxidação direta se transforma em metano.

13. • Promove a geração do biogás;
• Permite a reciclagem do efluente;
• Alternativa para o tratamento de resíduos;
• Permite a redução do potencial poluidor e dos
riscos sanitários dos dejetos.

15. Modelo Indiano

16. Modelo Chinês

17. Modelo Canadense
• Modelo tipo horizontal;
• Caixa de carga em alvenaria e com a largura maior
que a profundidade;
Grande producã̧o
de biogás
Área maior de
exposicã̧o ao sol
• Amplamente difundido: é hoje a tecnologia mais
utilizada;
• O biogás pode ser enviado para um gasômetro
separado.

18. • Embora apresente a vantagem de ser de fácil
construção, possui menor durabilidade.

19. A localização do biodigestor é de grande
importância, uma vez que irá afetar o sucesso
ou a falha da operação do sistema.
• Deve estar pelo menos de 30 a 50 metros de
qualquer fonte de água para evitar a possibilidade
de contaminação;
• Deve estar localizado preferencialmente em área
protegida de ventos frios e onde a temperatura
permanece relativamente estável, tentando receber
o máximo de energia solar.

20. 2. CARACTERIZAÇÃO DOS RESÍDUOS
Natureza e Bioquímica da Composição da Biomassa
Fermentação
metanogênica
Resíduos orgânicos de
origem vegetal, animal,
agroindustrial e doméstico.
• As características bioquímicas devem permitir o
desenvolvimento e a atividade microbiana
anaeróbica.

21. Processo Microbiológico
Requer não apenas fontes de carbono e
nitrogênio, mas também devem estar
presentes um certo equilíbrio de minerais.
Substâncias
com alto teor
de lignina
Não são diretamente utilizáveis;
devem ser submetidos a
tratamentos prévios.

22. Esterco animal
A degradação dependerá
principalmente do tipo de animal e
do alimento que tenham recebido.

23. • As fontes de carbono mais utilizadas pelos micro-organismos
são os carboidratos e compostos
orgânicos, especialmente hexoses, que são
degradadas por uma única via.
CARBONO: Fonte de energia para as bactérias;
NITROGÊNIO: Componente essencial para a formação
de novas células bacterianas.

25. MÓDULO II
Histórico da Produção de Biogás
Fundamentos Bioquímicos Para
Produção de Biogás

26. 3. HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DE BIOGÁS
• Há relatos que o biogás já era conhecido há muito
tempo, pois a producã̧o do mesmo a partir de
resíduos organ̂icos é um processo extremamente
antigo;
• Comprovacõ̧es históricas mostram que a primeira
instalaca̧õ de biodigestores surgiu na segunda
metade do século XIX;
• Alessandro Volta: pesquisador italiano descobre o
gás metano, resultado da decomposicã̧o de restos
vegetais em ambientes confinados;

27. • Em 1939 foi criado na cidade de Kampur, na Índia,
o Institute Gobár Gás: criação da primeira usina
de gás de esterco.
• Esse trabalho pioneiro permitiu a construcã̧o de
quase meio milhão de biodigestores na Índia.
• A utilizacã̧o do biogás na Índia, como fonte de
energia, motivou a China a adotar tal tecnologia a
partir de 1958.
• Em 1972, a China já possuía aproximadamente 7,2
milhões de biodigestores em atividade.

28. • Crise energética em 1973: a implantação de
biodigestores passou a ser interessante para países
ricos e de terceiro mundo.
• Guerra fria: Devido a questões militares, surgiu
interesse pelo uso de biodigestores. A China temeu
que um ataque nuclear impedisse toda e qualquer
atividade econom̂ica;
• Foram desenvolvidos na época dois modelos
diferentes de biodigestor: o modelo chineŝ e o
modelo indiano.

29. • NOS DIAS ATUAIS…
• O governo chineŝ considerou viável aperfeico̧ar as
técnicas rudimentares de cultivo do solo, com os
biodigestores ocupando papel de destaque;
• No caso da Índia, a fome e a falta de combustíveis
fósseis é que motivaram o desenvolvimento da
tecnologia dos biodigestores.
• Logo, os chineses priorizam o biofertilizante para
producã̧o dos alimentos necessários a sua naca̧õ
populosa e indianos focam no biogás para cobrir o
imenso déficit de energia.

30. NO BRASIL…
Estudos envolvendo o uso de biodigestores têm sido
utilizados em duas principais vertentes:
• Tratamento de efluentes;
• Uso energético do biogás.
Existe uma terceira vertente importante relacionada
ao uso do efluente para melhorar a fertilidade de solo
e, com isso, aumentar a sustentabilidade do sistema
produtivo.

31. 4. FUNDAMENTOS BIOQUÍMICOS PARA
PRODUÇÃO DE BIOGÁS
Hidrólise
• As enzimas produzidas pelas bactérias
transformam polímeros, como amido e proteínas,
em monômeros, como açúcares e aminoácidos.

32. Acidogênese
• Na acidogênese, esses monômeros são
transformados em ácidos graxos voláteis (AGV),
como ácido butírico e ácido propiônico.
Material
orgânico
simples
Ácidos
orgânicos
simples

33. Acetogênese
• Na acetogênese, esses ácidos graxos voláteis
são transformados em ácido acético, gás
carbônico e hidrogênio gasoso.
Ácidos graxos
voláteis
CO2
H2
Ácido acético

34. Metanogênese
O Ácido acético é transformado em metano e gás
carbônico pelas bactérias metanogênicas
acetoclásticas e o gás carbônico e o hidrogênio são
combinados, formando metano, pelas bactérias
metanogênicas hidrogenotróficas.
Acetato
CO2
H2
METANO

36.  Micro-organismos envolvidos em cada
etapa de digestão anaeróbia
• Os micro-organismos envolvidos no processo
variará dependendo dos materiais a serem
degradados.
• Álcoois, ácidos graxos, e os anéis aromáticos
podem ser degradados pela respiração
anaeróbica.
E. coli

37. Bactérias envolvidas na hidrólise
• Bacteroides
• Lactobacillus
• Propionibacterium
• Sphingomonas
• Sporobacterium
• Megasphaera
• Bifidobacterium
Lactobacillus sp
Gêneros:

38. Bactérias envolvidas na acidogênese:
Paenibacillus
Ruminococcus
Presentes em todas as fases,
Archaeas
mas são dominantes na acidogênica.

39. Bactérias envolvidas na acetogênese:
• Estas bactérias só podem sobreviver em simbiose
com o gênero que consome hidrogênio;
• As bactérias acetogênicas redutoras de sulfato são
capazes de degradar o lactato e o etanol, mas não
são capazes de degradar os ácidos graxos e
compostos aromáticos.

40. Bactérias envolvidas em metanogênese:
As bactérias metanogênicas aparecem na segunda
fase da fermentação, porém, a quantidade aumenta
fase metanogênica.
Principais espécies:
• Methanosarcina
• Methanobacterium
• Methanospirillum hungatii

41. Fatores que Afetam a Produção de
Biogás
• Temperatura
• Tempo de Retenção Hidráulica
• Teor de Sólidos
• Concentração de nutrientes
• Concentrações de sólidos voláteis
• Substâncias tóxicas
• pH

42. Temperatura
• A temperatura de operação do digestor, é
considerado um dos principais parâmetros, devido
à grande influência deste fator na taxa de digestão
anaeróbia.
• A velocidade da reação depende da velocidade de
crescimento dos micro-organismos envolvidos, que
por sua vez dependem da temperatura.
Aumento da
temperatura
Velocidade de
crescimento de
micro-organismos
é acelerada
Aumento da
produção
de biogás

43. • As variações bruscas de temperatura no digestor
pode desencadear a desestabilização do processo.
• Existem três intervalos de temperatura em que se
pode trabalhar com micro-organismos anaeróbicos:
Psicrófilos (abaixo de 25 oC)
Mesófilos (25 a 45 oC)
Termófilos (entre 45 e 65 oC)

44.  Tempo de Retenção Hidráulica (TRH)
• É o tempo necessário para a mistura ser
digerida no digestor.
• Ocorre quando a produção de gás é máxima,
definindo o ponto de melhor qualidade do biogás
no processo de biodigestão anaeróbia.

45. • O tempo de retenção é determinado, num processo
contínuo, pela relação entre volume do biodigestor
e o volume diário de carga introduzida.
• Usualmente, o TRH dura de 30 a 45 dias.
• Em algumas situações é possível a existência do
biogás logo na primeira semana.

46.  Teor de Sólido Total
• Material residual que fica em uma cápsula após
secagem até peso constante em estufa em
temperatura elevada (105oC);
• Falta de água: pode provocar entupimento na
tubulação;
• Excesso de água: pode atrapalhar o processo da
hidrólise, pois é exigida uma elevada carga de
biomassa para que a mesma se processe
adequadamente.

47.  Concentração de Nutrientes
• São necessários macro e micronutrientes do
processo anaeróbio para a síntese de nova de
biomassa;
• Deve existir uma relação carbono/nitrogênio mantida
entre 20:1 e 30:1.
EXCESSO DE NITROGÊNIO: pode levar a redução da
produção de biogás, podendo ter como produto final
compostos nitrogenados como a amônia ( NH3).

48.  Concentrações de Sólidos Voláteis (SV)
• É a porção de sólidos totais que é liberada de uma
amostra, volatilizando-se quando aquecida até
peso constante a 600oC.
• Os SV contêm
componentes
orgânicos, que,
teoricamente,
deveriam ser
convertidos em
metano.

49. Substâncias Tóxicas
Uso de desinfetantes,
antibióticos e bactericidas
Podem “contaminar” o esterco,
afetando as bactérias envolvidas
no processo.

50. Características do Biogás
• O metano é altamente combustível e inflamável,
produzindo chama azul-clara e queimando em CO2
e H2O.
• Possui alto poder calorífero.
Composição do biogás:
Fonte: LA FARGE (1979), APPUD COLDEBELLA (2006)

51. • A qualidade do biogás depende da quantidade de
metano na mistura, ou seja, quanto maior for a
quantidade de metano, melhor será o biogás em
termos energéticos.
• O Biogás com um teor de metano entre 50 e 80%,
terá um poder calorífico entre 4,95 e 7,92 kWh/m .
• A produção inicial do biodigestor contém muito
dióxido de carbono (CO2), sendo totalmente inviável
sua imediata utilização.

52.  Capacidade de Geração de Biogás em
Função de Diferentes Resíduos
• A geração de biogás depende da característica do
resíduo, que é o substrato para o crescimento dos
micro-organismos.
• A dieta dos animais e sistema digestório,
interferem na distinção dos resíduos quanto à
potencialidade de produção de biogás.

54. MÓDULO III
Viabilidade Econômica dos
Biodigestores

55. 5. VIABILIDADE ECONÔMICA SEGUNDO
COLDEBELLA, 2006.
Propriedade 1:
• 130 bovinos em regime de confinamento;
• Biodigestor com 7 x 40 x 3 m de largura,
comprimento e profundidade, respectivamente;
• O sistema aproveita toda água de lavagem da sala de
ordenha e do barracão de confinamento;
• O biofertilizante é utilizado para fertirrigacã̧o;
• O biogaś é utilizado para producã̧o de energia
elétrica, por meio de um conjunto motor-gerador
instalado na propriedade.

56. Propriedade 2:
• 1.000 matrizes;
• Os dejetos são conduzidos a um biodigestor com
10,5 x 55 x 4,5m de largura, comprimento e
profundidade, respectivamente;
• Biofertilizante é utilizado para fertirrigação;
• Para a produção de energia elétrica, é usado o
biogás.

57. Produção de biogás a partir de resíduos pecuários
SV – sólidos voláteis; 1 – chorume diluído com águas de lavagem; 2 – chorume
não diluído e sem material constituinte das camas dos animais, diluições podem
variar entre 1:0,5 e 1:7, palha para cama entre 1 a 3 kg/animal/dia.
(Fonte: Coldebella, 2006)

58. O sistema de cultivo e a quantidade de
animais determinam a capacidade de
produção de biogás.
127,4 m3/biogás/dia
• Propriedade 1:
130
Vacas
0,980 m3/animal/dia
de biogás
• Propriedade 2:
933 m3/biogás/dia
1000
Porcas
0,933 m3/animal/dia
de biogás

59. 1 m3 de biogás equivale a 6,5 kWh
Eficiência (%) = (energia produzida kWh/m3 / 6,5 kWh/m3) * 100
• A energia produzida kWh/m3 é obtida convertendo-se
a potência gerada em HP para kWh. Com essa
conversão calcula-se a produção de energia em
kWh/m3.
1HP equivale a 0,746 kW

61. O gasômetro é conectado ao motor-gerador
ou motor-bomba, que permanece
em funcionamento até que o biogás seja
totalmente consumido.
A implantação do biodigestor equivale a,
aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do
conjunto motor-gerador cerca de R$
A implantação do biodigestor equivale a,
aproximadamente, R$ 200,00/suíno e do
conjunto motor-gerador cerca de R$
440,00/kW.
440,00/kW.

62.  Conjunto Motor-gerador
Motor originalmente a gasolina/diesel
adaptado para o biogás
acoplado
Gerador de energia elétrica
Equipado com um quadro de comando para
monitorar o seu funcionamento.

63. Motor-gerador

64.  O Conjunto Motor-bomba
Motor originalmente a gasolina/diesel,
convertido para o biogás
acoplado
Bomba d’água acionada
por um motor elétrico
Utilizado para o bombeamento dos
efluentes líquidos (biofertilizante)

65. Motor-bomba

66. • O tempo de retorno do investimento está em
função do tempo de operação do
equipamento, quanto menor for o tempo de
operação, maior será o custo da energia
elétrica.
Propriedade 1 2,5h/dia
Propriedade 2 10h/dia

67. Propriedade 1
• Implantação do biodigestor: R$ 50.000,00
• Motor-gerador: R$ 20.000,00
• Produção de 44 kWh de energia elétrica
Propriedade 2
• Implantação do biodigestor: R$ 100.000,00
• Motor-gerador: R$ 20.000,00
• Produção de 36kWh de energia elétrica

68.  Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 1
(bovinocultura), de acordo com o tempo de
amortização e o tempo de operação do gerador:

69.  Custo da eletricidade (MWh) para a propriedade 2
(suinocultura), de acordo com o tempo de
amortização e tempo de operação do gerador:

70. • O tempo de retorno deste investimento está
relacionado com o valor pago pelo produtor por kWh
à concessionária de energia elétrica.
• Quanto maior for o tempo diário de operacã̧o do
sistema, menor será o tempo de retorno do
investimento.
• Para propriedades rurais o custo cobrado gira em
torno de R$ 300,00/MWh.

71.  Tempo de retorno do investimento para a
propriedade 1.

72.  Tempo de retorno do investimento para a
propriedade 2.

73. Somando-se a produção de
energia elétrica à economia
gerada pelo uso do biogás com o
sistema de bombeamento para
irrigação, reduz o tempo de
retorno do investimento.

74.  Cogeração de Energia Elétrica
• É a produção combinada de calor e eletricidade;
• Para o motor-gerador, a eficiência de conversão
em energia elétrica é relativamente reduzida;
• A eficiência varia entre 25% e 38%, em relação à
energia inicial presente no biogás;
• Geralmente, os motores a diesel apresentam
rendimentos de 3 a 5 pontos percentuais a mais
que os motores operados a gás.

75. CCaassoo ddee SSuucceessssoo

78. MÓDULO IV
Análises do Processo
Biofertilizante

79. 6. ANÁLISES DO PROCESSO
Teor de Sólido Total
Material
orgânico
Água
Sólidos totais
Secagem até
peso constante
A mobilidade das bactérias metanogênicas no substrato
é limitada à medida que aumenta o teor de sólidos e,
portanto, podem afetar a eficiência e produção de gás.

80. Teor de Sólidos Não Voláteis
• É o resíduo inorgânico que permanece após a queima
da matéria orgânica;
• Obtidos por calcinação.

81. Teor de Sólidos Voláteis
Sólidos
Totais
Sólidos
Voláteis - =
Sólidos
Totais
Fixos
• A dosagem é realizada para caracterização da
matéria biodegradável utilizando-se uma mufla.
• Quanto maior a quantidade
de matéria biodegradável,
maior é o potencial de
produção do biogás.

82. Sólidos Sedimentáveis
• Representam os sólidos presentes na amostra que
podem ser removidos por decantação.
• Teste volumétrico.

83. Análises Físico-químicas
• pH
• Alcalinidade
• Acidez
• Temperatura
• DBO
• DQO
• Amônia
• Amônio
• Nitrito
• Nitrato
• Cálcio
• Fósforo
• Magnésio
• Potássio

84. pH
• Processo anaeróbio é adversamente afetado por
pequenas mudanças nos níveis de pH;
• Organismos metanogênicos são mais susceptíveis.
Ideal entre 5,5 e 6,5
Bactérias
acidogênicas
Bactérias
metanogênicas Ideal entre 7,8 e 8,2

85.  Alcalinidade e Acidez
Método Titulométrico
 Temperatura do
Biogás
Medição de temperatura deve
ser realizada diariamente com
auxílio de um termômetro
diretamente do gasômetro.

86.  DBO e DQO
Demanda Bioquímica
de Oxigênio
Oxigênio consumido (mg L-1)
após oxidação biológica.
Demanda Química
de Oxigênio
Oxigênio consumido (mg L-1)
após oxidação química.

87.  Análise de Nutrientes
• Análises laboratoriais de amônia, amônio, nitrito,
nitrato, cálcio, fósforo, magnésio e potássio.
Fotômetro de Bancada Multiparâmetro

88. Análises Microbiológicas
• Avaliação quantitativa da recuperação bacteriana após cultura
seletiva das amostras do afluente (carga inicial) e efluentes do
biodigestor.

89. EMB

90. BE com Azida

91. Com a análise quantitativa, verificou-se
a diminuição das populações
bacterianas no decorrer da digestão
anaeróbia. Este resultado indica a
eliminação das bactérias patogênicas
dos resíduos, o que permite a redução
do potencial poluidor e dos riscos
sanitários dos dejetos.

92.  Análise de Biogás
• Composição média do biogás ao longo do tempo;
Análise em cromatografia gasosa do biogás produzido a
partir de dejetos bovinos.

93. 7. BIOFERTILIZANTES
 Conceito
Matéria orgânica rica em
elementos minerais.
Possui grande capacidade de recuperar os solos
degradados!

94. Composição Básica do Biofertilizante
Macro e Micronutrientes
Nitrogênio Enxofre Molibdênio
Fósforo Sódio Boro
Potássio Ferro Cobre
Cálcio Cloro Zinco
Magnésio Sílica Manganês
A composição varia de acordo com a
matéria-prima a ser fermentada.

95. Ação do Biofertilizante no Solo
Corretor de acidez (pH = 7,5)
Dificulta a multiplicacão de ̧ fungos não benéficos.
• Mantém os sais minerais em formas aproveitáveis
pelas plantas, evitando que esses sais sejam
levados pelas águas;
• Melhora a estrutura e a
textura, deixando-o mais
fácil de ser trabalhado e
facilitando a penetracã̧o
das raízes.

96. • Dá firmeza ao solo, de modo que resistam
à ação desagregadora da água;
• Deixa a terra com estrutura mais porosa, permitindo
maior penetração do ar;
• Favorece a multiplicação
das bactérias, fixando o
nitrogênio atmosférico;
• Aumenta a produtividade
e reduz o perigo de
infestações nas lavouras.

97. 8. VANTAGENS E DESVANTAGENS
 Vantagens da tecnologia da biodigestão:
• Requer menos espaço que aterros sanitários e
compostagem;
• Diminui o volume de resíduo a ser descartado;
• Reduz o problema de saneamento ambiental com
o aproveitamente de dejetos animais e vegetais;
• Produção de biofertilizante.

98. • Reduz significativamente a quantidade emitida de
metano na atmosfera;
• Constitui uma fonte de renda para propriedades
rurais;
• Geração de créditos de
carbono.

99. Produtividade
• Aumento de forragem
• Redução de custos
energéticos
Meio
Ambiente
Saúde
• Preservação da
vegetação local
• Melhoria da
qualidade do solo
• Melhoria da
qualidade do ar no
ambiente doméstico
• Melhoria das
condições sanitárias
Fonte: adaptado de Instituto WINROCK, (2008)

100.  Desvantagens da tecnologia da biodigestão:
• Variabilidade da produção de biogás em função do
clima.
• A quantidade de energia gerada pelo biogás não é
constante;
• Formação de gás sulfídrico, aumentando custos de
manutenção devido à corrosão.
• Custo de investimento inicial
e de manutenção;
• Período de retorno do investimento
varia com a tecnologia disponível.

103. Obrigado!
marcelo.otenio@embrapa.br
(32) 3311-7400