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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Biocombustível. Composição das matérias-primas e parâmetros do seu processamento. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Microbiologia A produção de biogás e biofertilizantes a partir de resíduos orgânicos baseia-se na propriedade dos resíduos de liberar biogás durante a decomposição em condições anaeróbicas, ou seja, condições livres de oxigênio. Esse processo é denominado fermentação do metano e ocorre em três etapas como resultado da decomposição de substâncias orgânicas por dois grupos principais de microrganismos - ácido e metano. Três etapas de produção de biogás O processo de produção de biogás pode ser dividido em três etapas: hidrólise, oxidação e formação de metano. Este complexo conjunto de transformações envolve muitos microrganismos, sendo os principais bactérias produtoras de metano, três tipos dos quais são mostrados na Fig. 8.
Hidrólise Na primeira etapa, (hidrólise), a matéria orgânica é fermentada externamente por enzimas extracelulares (fibra, amilase, protease e lipase) dos microrganismos. As bactérias decompõem longas cadeias de hidrocarbonetos complexos, proteínas e lipídios em cadeias mais curtas. Fermentação As bactérias produtoras de ácido, que participam da segunda etapa da formação do biogás, decompõem compostos orgânicos complexos (fibras, proteínas, gorduras, etc.) em compostos mais simples. Ao mesmo tempo, produtos de fermentação primária aparecem no meio de fermentação - ácidos graxos voláteis, álcoois inferiores, hidrogênio, monóxido de carbono, ácidos acético e fórmico, etc. ácidos em biogás. Formação de metano As bactérias produtoras de metano envolvidas no terceiro estágio decompõem espécies de baixo peso molecular. Eles utilizam hidrogênio, dióxido de carbono e ácido acético. Em condições naturais, as bactérias produtoras de metano existem em condições anaeróbicas, por exemplo, debaixo d'água, em pântanos. São muito sensíveis às mudanças ambientais, portanto a intensidade da emissão de gases depende das condições criadas para a vida das bactérias produtoras de metano. Simbiose de bactérias Bactérias formadoras de metano e ácido interagem em simbiose. Por um lado, as bactérias formadoras de ácido criam uma atmosfera com parâmetros ideais para bactérias produtoras de metano (condições anaeróbicas, estruturas químicas com baixo peso molecular). Por outro lado, os microrganismos produtores de metano utilizam compostos intermediários de bactérias produtoras de ácido. Caso esta interação não ocorresse, o reator desenvolveria condições inadequadas para a atividade de ambos os tipos de microrganismos. Parâmetros e otimização do processo de fermentação Bactérias formadoras de ácido e metano são encontradas em toda a natureza, especialmente em excrementos de animais. Por exemplo, o sistema digestivo do gado contém uma gama completa de microrganismos necessários para a fermentação do esterco, e o próprio processo de fermentação do metano começa nos intestinos. Portanto, o esterco bovino é frequentemente utilizado como matéria-prima carregada em um novo reator, onde para iniciar o processo de fermentação basta fornecer as seguintes condições:
Cada um dos diferentes tipos de bactérias envolvidas nas três fases da formação de metano é afetado de forma diferente por estes parâmetros. Existe também uma estreita interdependência entre os parâmetros (por exemplo, o tempo de fermentação depende da temperatura), pelo que é difícil determinar a influência exacta de cada factor na quantidade de biogás produzido. Manutenção de condições anaeróbicas no reator A atividade vital das bactérias produtoras de metano só é possível na ausência de oxigênio no reator de uma planta de biogás, portanto é necessário garantir que o reator esteja vedado e que o oxigênio não entre no reator. Conformidade de temperatura Faixa de temperatura do processo de fermentação Manter a temperatura ideal é um dos fatores mais importantes no processo de fermentação. Em condições naturais, a formação de biogás ocorre em temperaturas de 0°C a 97°C, mas levando em consideração a otimização do processo de processamento de resíduos orgânicos para produção de biogás e biofertilizantes, distinguem-se 3 regimes de temperatura:
Temperatura média mínima A extensão da produção bacteriológica de metano aumenta com o aumento da temperatura. Mas, como a quantidade de amônia livre também aumenta com a temperatura, o processo de fermentação pode ficar mais lento. Em média, as usinas de biogás sem aquecimento do reator só apresentam desempenho satisfatório quando a temperatura média anual está em torno de 20°C ou superior, ou quando a temperatura média diurna atinge pelo menos 18°C. A temperaturas médias de 20-28°C, a produção de gás aumenta desproporcionalmente. Se a temperatura da biomassa for inferior a 15°C, a produção de gás será tão baixa que uma central de biogás sem isolamento térmico e aquecimento deixará de ser economicamente rentável8. Temperatura ideal da matéria-prima As informações sobre o regime de temperatura ideal são diferentes para diferentes tipos de matérias-primas, mas com base em dados empíricos das instalações da planta "Fluid" operando no Quirguistão com esterco misto de bovinos, suínos e aves, a temperatura ideal para o regime de temperatura mesofílica é 36 - 38°C, e para termofílicos 52 - 55 C. Condições de temperatura psicofílicas são observadas em instalações não aquecidas nas quais não há controle de temperatura. A liberação mais intensa de biogás no modo psicofílico ocorre a 23°C. Mudanças na temperatura de alimentação O processo de biometanação é muito sensível às mudanças de temperatura. O grau dessa sensibilidade, por sua vez, depende da faixa de temperatura em que as matérias-primas são processadas. Durante o processo de fermentação, a temperatura muda dentro dos limites de:
Modo termofílico ou mesófilo? As vantagens do processo de fermentação termofílica incluem: aumento da taxa de decomposição das matérias-primas e, consequentemente, maior rendimento de biogás, bem como a destruição quase completa das bactérias patogênicas contidas nas matérias-primas. As desvantagens da decomposição termofílica são: a grande quantidade de energia necessária para aquecer as matérias-primas no reator, a sensibilidade do processo de fermentação a mudanças mínimas de temperatura e a qualidade ligeiramente inferior dos biofertilizantes resultantes. No modo de fermentação mesofílica, a alta composição de aminoácidos dos biofertilizantes é preservada, mas a desinfecção das matérias-primas não é tão completa quanto no modo termofílico. Nutrientes Para o crescimento e funcionamento das bactérias metano, é necessária a presença de nutrientes orgânicos e minerais nas matérias-primas. Além de carbono e hidrogênio, a criação de biofertilizantes requer quantidades suficientes de nitrogênio, enxofre, fósforo, potássio, cálcio e magnésio e alguns oligoelementos - ferro, manganês, molibdênio, zinco, cobalto, selênio, tungstênio, níquel e outros. As matérias-primas orgânicas comuns - estrume animal - contêm uma quantidade suficiente dos elementos acima mencionados. Tempo de fermentação O tempo ideal de fermentação depende da dose de carga do reator e da temperatura do processo de fermentação. Se o tempo de fermentação for escolhido muito curto, ao descarregar a biomassa fermentada, as bactérias são eliminadas do reator mais rápido do que podem se multiplicar e o processo de fermentação praticamente para. Manter a matéria-prima em um reator por muito tempo não atende aos objetivos de obtenção da maior quantidade de biogás e biofertilizantes em um determinado período de tempo. Tempo de resposta do reator Ao determinar a duração ideal da fermentação, o termo “tempo de resposta do reator” é usado. O tempo de resposta do reator é o tempo durante o qual a matéria-prima fresca carregada no reator é processada e descarregada do reator. Para sistemas com carregamento contínuo, o tempo médio de fermentação é determinado pela relação entre o volume do reator e o volume diário da matéria-prima. Na prática, o tempo de rotação do reator é selecionado em função da temperatura de fermentação e da composição da matéria-prima nos seguintes intervalos:
Dose diária de carregamento de matéria-prima A dose diária de carga de matéria-prima é determinada pelo tempo de rotação do reator e aumenta com o aumento da temperatura no reator. Se o tempo de resposta do reator for de 10 dias, a fração de carregamento diário será 1/10 do volume total de matéria-prima carregada. Se o tempo de resposta do reator for de 20 dias, a fração diária de carregamento será 1/20 do volume total de matéria-prima carregada. Para instalações operando em modo termofílico, a fração de carga pode ser de até 1/S do volume total de carga do reator. Tempo de processamento de matéria-prima A escolha do tempo de fermentação também depende do tipo de matéria-prima a ser processada. Para os seguintes tipos de matérias-primas processadas em condições de temperatura mesofílica, o tempo durante o qual a maior parte do biogás é liberada é aproximadamente:
Equilíbrio ácido-base pH As bactérias produtoras de metano são mais adequadas para viver em condições neutras ou ligeiramente alcalinas. No processo de fermentação do metano, a segunda etapa da produção de biogás é a fase ativa das bactérias ácidas. Nesse momento, o nível de pH diminui, ou seja, o ambiente fica mais ácido. No entanto, durante o curso normal do processo, a atividade vital de diferentes grupos de bactérias no reator é igualmente eficaz e os ácidos são processados por bactérias metano. O valor ideal de pH varia dependendo da matéria-prima de 6,5 a 8,5. Você pode medir o nível de equilíbrio ácido-base usando papel tornassol. Os valores do equilíbrio ácido-base corresponderão à cor adquirida pelo papel quando imerso na matéria-prima fermentável. A proporção do teor de carbono e nitrogênio Um dos fatores mais importantes que influenciam a fermentação do metano é a proporção de carbono e nitrogênio nas matérias-primas processadas. Se a relação C/N for excessivamente alta, então a falta de nitrogênio atuará como um fator limitante para o processo de fermentação do metano. Se esta proporção for muito baixa, forma-se uma quantidade tão grande de amônia que se torna tóxica para as bactérias. Os microrganismos necessitam de nitrogênio e carbono para serem assimilados em sua estrutura celular. Vários experimentos mostraram que o rendimento do biogás é maior em uma proporção de carbono para nitrogênio de 10 a 20, onde o ótimo varia dependendo do tipo de matéria-prima. Para alcançar uma alta produção de biogás, a mistura de matérias-primas é praticada para atingir uma relação C/N ideal. Tabela 2. Razão de nitrogênio e razão carbono/nitrogênio para matéria orgânica.
Selecionando o teor correto de umidade das matérias-primas O metabolismo desimpedido das matérias-primas é um pré-requisito para uma alta atividade bacteriana. Isto só é possível se a viscosidade da matéria-prima permitir a livre circulação de bactérias e bolhas de gás entre o líquido e os sólidos que contém. Os resíduos agrícolas contêm várias partículas sólidas. Substâncias sólidas e secas em matérias-primas Partículas sólidas, por exemplo: areia, argila, etc., provocam a formação de sedimentos. Materiais mais leves sobem à superfície da matéria-prima e formam uma crosta em sua superfície. Isto leva a uma redução na formação de gás. Portanto, recomenda-se cortar completamente os resíduos vegetais: palha, sobras, etc. antes de carregá-los no reator, e esforçar-se para garantir que não haja sólidos nas matérias-primas. O teor de matéria seca é determinado pelo teor de umidade do esterco. Com umidade de 70%, a matéria-prima contém 30% de matéria seca. O teor aproximado de umidade do esterco e excrementos (estrume e urina) para várias espécies animais é apresentado na Tabela 4. Tabela 3. Quantidade e teor de umidade de esterco e excrementos por animal
A umidade das matérias-primas carregadas no reator da instalação deve ser de no mínimo 85% no inverno e 92% no verão. Para atingir o teor correto de umidade das matérias-primas, o esterco geralmente é diluído com água quente em quantidade determinada pela fórmula: RH = NP((B2 - B1):(100 - B2)), onde H é a quantidade de esterco carregado , B1 é o teor de umidade inicial do esterco, B2 é a umidade necessária da matéria-prima, RH é a quantidade de água em litros. A tabela mostra a quantidade de água necessária para diluir 100 kg de esterco a 85% e 92% de umidade. Tabela 4. Quantidade de água para atingir o teor de humidade necessário por 100 kg de estrume
Mexa regularmente Para o funcionamento eficiente da planta de biogás e manutenção da estabilidade do processo de fermentação das matérias-primas no interior do reator, é necessária mistura periódica. Os principais objetivos da mixagem são:
Ao escolher um método e método de mistura adequados, é preciso levar em consideração que o processo de fermentação é uma simbiose entre diferentes cepas de bactérias, ou seja, bactérias de uma espécie podem alimentar outra espécie. Quando a comunidade se desintegra, o processo de fermentação será improdutivo até que uma nova comunidade de bactérias seja formada. Portanto, agitação muito frequente ou prolongada e intensa é prejudicial. Recomenda-se mexer lentamente as matérias-primas a cada 4 a 6 horas. Inibidores de processo A massa orgânica fermentada não deve conter substâncias (antibióticos, solventes, etc.) que afetem negativamente a atividade vital dos microrganismos. Algumas substâncias inorgânicas também não contribuem para o “trabalho” dos microrganismos, por isso não se pode, por exemplo, utilizar a água que sobra da lavagem da roupa com detergentes sintéticos para diluir o esterco. Mesmo que não sejam utilizados materiais tóxicos para produzir biogás, uma concentração demasiado elevada de substâncias individuais ou de sal de cozinha pode inibir o crescimento de bactérias e, portanto, a produção de biogás. O limite superior de algumas das substâncias inorgânicas mais comuns é apresentado na Tabela 5. Tabela 5. Limites de Atraso para Inibidores Inorgânicos Comuns
Tipos de matérias-primas Estrume de gado O esterco bovino é a matéria-prima mais adequada para processamento em usinas de biogás, uma vez que as bactérias produtoras de metano já estão contidas no estômago do gado. A homogeneidade do esterco bovino permite recomendá-lo para uso em plantas de digestão contínua. Normalmente, o esterco fresco é misturado com água e palha não digerida é selecionada para evitar sedimentos e crostas. A urina do gado aumenta significativamente a quantidade de biogás produzido, por isso é recomendável construir fazendas com piso de concreto e drenagem direta dos excrementos para um recipiente para mistura da matéria-prima. Estrume de porco Ao manter suínos em currais e baias sem superfície pavimentada (concreto, madeira, etc.), apenas esterco pode ser usado. Deve ser diluído em água para obter a consistência correta para o processamento. O esterco diluído em água deve ser depositado em um recipiente para que a areia e pequenas pedras presentes no esterco se assentem e não entrem no reator. Caso contrário, a areia e o solo que entram no reator irão acumular-se no fundo do reator e exigir limpeza frequente. Tal como acontece com o esterco bovino, recomenda-se a construção de fazendas com piso de concreto e descarga direta dos excrementos em um recipiente de mistura. Estrume de ovelha e cabra Para ovinos e caprinos criados sem pavimento, a situação é semelhante à descrita para o estrume de suínos. Dado que uma exploração de cabras é praticamente o único local onde se recolhem quantidades suficientes de estrume, e mesmo assim apenas com cama de palha, a matéria-prima para uma central de biogás é principalmente uma mistura de estrume e palha. A maioria dos sistemas que processam essas matérias-primas operam em modo de carregamento em lote, no qual uma mistura de esterco, palha e água é alimentada sem preparação prévia e permanece no reator por um período mais longo do que o esterco puro.
Excrementos de frango Para processar excrementos de frango, recomenda-se manter as aves em gaiolas ou instalar um poleiro em uma área limitada adequada para a coleta de excrementos. Se as aves forem mantidas no chão, a proporção de areia, serradura e palha nos excrementos será demasiado elevada. É necessário levar em consideração possíveis problemas e limpar o reator com mais frequência do que quando se trabalha com outros tipos de matérias-primas. O esterco de galinha combina bem com o esterco de gado e pode ser processado junto com ele. Ao usar esterco puro de aves como matéria-prima, existe o perigo de altas concentrações de amônia. Isso pode resultar em baixa eficiência de instalação. Fezes Se as fezes forem processadas em instalações de biogás, os sanitários devem ser concebidos de modo a que as fezes sejam lavadas com uma pequena quantidade de água. É necessário garantir que nenhuma água de outras fontes entre no vaso sanitário, e a quantidade de água de descarga deve ser limitada a 0,S - 1 litro de água para evitar diluição excessiva da matéria-prima.
Produção de gás e teor de metano A produção de gás é geralmente calculada em litros ou metros cúbicos por quilograma de matéria seca contida no esterco. A tabela mostra os valores do rendimento de biogás por quilograma de matéria seca para diferentes tipos de matérias-primas após 10-20 dias de fermentação quando a unidade está operando em modo mesófilo. Para determinar o rendimento de biogás a partir de matérias-primas frescas usando uma tabela, primeiro você precisa determinar o teor de umidade das matérias-primas frescas. Para fazer isso, você pode secar um quilo de esterco fresco e pesar o resíduo seco. O teor percentual de umidade do esterco pode ser calculado usando a fórmula: (1 - peso do esterco seco) × 100%. Tabela 6. Rendimento de biogás e teor de metano ao utilizar diferentes tipos de matérias-primas
Você pode calcular quanto estrume fresco com um determinado teor de umidade corresponderá a 1 kg de matéria seca da seguinte forma: de 100, subtraia o teor de umidade do esterco como uma porcentagem e depois divida 100 por este valor: 100: (100% - teor de umidade). Exemplo 1: se você determinar que o teor de umidade do esterco bovino utilizado como matéria-prima é de 85%, então 1 quilograma de matéria seca corresponderá a 100:(100 - 85) = cerca de 6,6 quilogramas de esterco fresco. Isso significa que de 6,6 quilogramas de esterco fresco obtemos 0,2S0 - 0,320 m3 de biogás, e de 1 quilograma de esterco fresco de gado obtemos 6,6 vezes menos: 0,037 - 0,048 m3 de biogás. Exemplo 2: Você determinou que o teor de umidade do esterco de suíno é de 80%, o que significa que 1 quilograma de matéria seca será igual a 5 quilogramas de esterco de suíno fresco. Pela tabela sabemos que 1 quilograma de matéria seca (ou 5 kg de esterco fresco de suínos) libera 0,340 - 0,S80 m1 de biogás. Isso significa que 0,068 quilograma de esterco fresco de suínos emite 0,116 - 3 mXNUMX de biogás. Valores aproximados Se o peso do estrume fresco diário for conhecido, então o rendimento diário de biogás nas condições do Quirguistão será aproximadamente o seguinte:
Deve-se lembrar que valores aproximados são fornecidos para matérias-primas acabadas com teor de umidade de 85% a 92%. Peso do biogás O peso volumétrico do biogás é de 1,2 kg por 1 m3, portanto, no cálculo da quantidade de fertilizante produzido é necessário subtraí-lo da quantidade de matéria-prima processada. Para uma carga média diária de 55 kg de matéria-prima por cabeça de gado e uma produção diária de biogás de 1,5 - 2,0 m3 por cabeça de gado, a massa de matéria-prima diminuirá em 4 - 5% durante o processamento em uma planta de biogás. Problema de crosta Se for observado um grande volume de gás, mas não for suficientemente inflamável, isso geralmente significa que se formou espuma ou crosta na superfície da alimentação do reator. Se a pressão do gás for muito baixa, isso também pode significar que se formou uma crosta que está bloqueando o tubo de gás. É necessário retirar a crosta da superfície da matéria-prima no reator. Removendo a crosta A peculiaridade da crosta que se forma na superfície da matéria-prima no reator de uma usina de biogás é que ela não é quebradiça, mas sim viscosa e pode tornar-se muito dura em pouco tempo. Para destruí-lo, é necessário mantê-lo úmido. Ou seja, a crosta pode ser despejada por cima com água ou mergulhada na matéria-prima. Classificação de matérias-primas Palha, grama, caules de grama e até mesmo esterco seco flutuam na superfície da matéria-prima, e substâncias secas e minerais se depositam no fundo do reator e com o tempo podem fechar o orifício de descarga ou reduzir a área de trabalho do reator . Com matérias-primas devidamente preparadas e com teor de água não muito alto, esse problema não surge. Matérias-primas acabadas Ao usar esterco bovino fresco, não há problemas de formação de crostas. Os problemas surgem quando a matéria-prima contém matéria orgânica sólida e não decomposta. Antes de construir a planta, é necessário verificar a alimentação animal e o esterco quanto à possibilidade de processamento no reator. Pode ser necessário moer bem a ração e, neste caso, é melhor calcular antecipadamente os custos adicionais. O problema dos sólidos nas matérias-primas é muito mais grave no caso dos excrementos de suínos e de aves. Areia, bicadas de galinhas e penas que entram nos excrementos fazem dos excrementos dos pássaros uma matéria-prima difícil. Composição das matérias-primas A pesquisa sobre a composição química das matérias-primas antes do processamento em usinas de biogás foi realizada por cientistas de países estrangeiros e do Quirguistão. Tabela 7. Composição das matérias-primas antes do processamento em uma planta de biogás
Viscosidade A viscosidade das matérias-primas durante o processamento diminui sensivelmente, uma vez que a quantidade de matéria sólida (palha, etc.) é reduzida em 50% pela fermentação em condições estáveis. Запах O biofertilizante tem um odor muito menos intenso que o odor das matérias-primas utilizadas (estrume, urina). Com tempo de fermentação suficiente, quase todas as substâncias odoríferas são completamente processadas. Nutrientes As propriedades nutricionais de um biofertilizante são determinadas pela quantidade de matéria orgânica e de elementos químicos que ele contém. Todos os nutrientes das plantas, como nitrogênio, fósforo, potássio e magnésio, bem como oligoelementos e vitaminas necessários ao crescimento das plantas são armazenados no biofertilizante. A proporção carbono/nitrogênio (cerca de 1:15) tem um efeito benéfico na qualidade do solo. A Tabela 8 mostra o teor aproximado de nutrientes do biofertilizante. Tabela 8. Conteúdo de elementos do biofertilizante (gramas por kg de matéria seca)
Fosfato e potássio O teor de fosfato (forma de fósforo diretamente absorvido pelas plantas) não se altera durante o processo de fermentação da matéria-prima. Nesta forma, as plantas podem absorver cerca de 50% do conteúdo total de fósforo. A fermentação não afeta o teor de potássio, do qual 75 a 100% pode ser absorvido pelas plantas. Nitrogênio Ao contrário do fosfato e do potássio, algum nitrogênio é alterado durante o processo de fermentação. Cerca de 75% do nitrogênio contido no esterco fresco passa a fazer parte de macromoléculas orgânicas, os 25% restantes estão na forma mineral. Após o processamento em uma planta de biogás, cerca de 50% do nitrogênio do biofertilizante está na forma orgânica e 50% na forma mineral. O nitrogênio mineral pode ser absorvido diretamente pelas plantas, mas o nitrogênio orgânico deve primeiro ser mineralizado pelos microrganismos do solo. Autores: Vedenev A.G., Vedeneva T.A.
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Comentários sobre o artigo: Anatoly Obrigado! Um artigo de alta qualidade com uma apresentação detalhada e aprofundada do material. convidado Ótimo, consegui!
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