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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2020.tde-16092020-110935
Document
Auteur
Nom complet
André do Vale Borges
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2020
Directeur
Jury
Damianovic, Marcia Helena Rissato Zamariolli (Président)
Fuess, Lucas Tadeu
Ribeiro, Rogers
Titre en portugais
Codigestão mesofílica de vinhaça de cana-de-açúcar e glicerol destilado em reator de leito fixo estruturado
Mots-clés en portugais
AnSTBR
Biocombustíveis
Codigestão de resíduos
Recuperação energética
Resumé en portugais
Os combustíveis fósseis constituem a principal fonte de energia nos dias atuais, ocupando 81% da demanda mundial de energia, segundo dados da Agência Internacional de Energia para 2016. Apesar de sua notável influência no crescimento socioeconômico das nações, os combustíveis fósseis apresentam inconvenientes, como a disponibilidade limitada na natureza e implicações ambientais inerentes ao seu uso, como a geração de resíduos tóxicos, sobretudo a emissão de gases de efeito estufa (GEE) nocivos ao ser humano e à natureza. Diante destas limitações, são fundamentais os estudos acerca da viabilidade de fontes alternativas e sustentáveis de energia a fim de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. A compreensão das tecnologias de codigestão a partir dos resíduos de biocombustíveis, como a vinhaça e o glicerol, constitui um passo importante na busca por melhorias nas condições operacionais dos sistemas anaeróbios, potencializando a recuperação energética na forma de biogás. Nesse sentido, o uso de glicerol em codigestão mesofílica com a vinhaça com vistas à produção de bioenergia se apresenta como uma alternativa interessante para incrementar o conteúdo orgânico do sistema, dado o seu volume de produção excedente e saturação no mercado quanto às suas aplicações. Ante o exposto, o presente estudo propôs avaliar as condições operacionais e a produção de metano a partir da codigestão mesofílica da vinhaça de cana-de-açúcar e glicerol destilado em reator de leito fixo estruturado (AnSTBR). O estudo experimental foi conduzido em duas etapas principais. A primeira etapa iniciou com a operação de reatores em regime de batelada, com enfoque na determinação da produção de metano a partir de variações na DQO afluente. A segunda etapa propôs o sistema de codigestão mesofílica da vinhaça e glicerol em reator AnSTBR, adotando-se a estratégia de aumento progressivo de carga orgânica até 5 kg.m-3.d-1 associada à eficiência de conversão de matéria orgânica da ordem de 70%, com vistas à produção de metano. Nos reatores em batelada, a proporção 70% glicerol e 30% vinhaça contribuiu para o aumento da velocidade de produção de metano em 95% em relação à monodigestão da vinhaça. O maior rendimento de metano foi observado na proporção 50% vinhaça e 50% glicerol, com valor médio de 352 ± 17 mLCH4.g-1DQOr e eficiência de remoção de DQO de 97%, o que motivou a manutenção da referida proporção na operação do reator contínuo. A operação do reator AnSTBR registrou maior rendimento médio e produção volumétrica de metano na COVa de 3,5 kgDQO.m-3.d-1, com valores de 210 ± 31 mL.g-1DQOr e 668 ± 73 mL.L-1.d-1, respectivamente. As eficiências médias para a remoção de DQO, carboidratos totais e glicerol ao longo dos 105 dias de operação foram de 77,1 ± 5,4%, 81,9 ± 7,7% e 99,7 ± 0,6%, corroborando o desempenho satisfatório do sistema de codigestão anaeróbia a partir dos cossubstratos testados. A partida lenta do reator foi necessária frente à elevada taxa de acidificação dos cossubstratos utilizados, em especial do glicerol. O aumento na concentração de propionato com o incremento de COVa reforça a necessidade de alterações lentas de carga orgânica, buscando-se a manutenção da codigestão anaeróbia.
Titre en anglais
Mesophilic codigestion of sugarcane vinasse and distilled glycerol in a structured-bed reactor
Mots-clés en anglais
AnSTBR
Biofuels
Energy recovery
Waste codigestion
Resumé en anglais
Fossil fuels are the main source of energy in today's society, accounting for 81% of the total energy demand worldwide, according to 2016 International Energy Agency data. Despite its notable influence on the socioeconomic growth of nations, fossil fuels still present drawbacks, such as limited availability in nature and environmental implications concerning their use, such as the generation of toxic waste, especially the emission of greenhouse gases, harmful to humans and nature. Faced with these limitations, studies on the feasibility of alternative and sustainable sources of energy are essential to reduce reliance on fossil fuels. The understanding of codigestion technologies from residues of biofuels, such as vinasse and glycerol, is an important step in the search for improvements in the operational conditions of anaerobic systems, potentializing the energy recovery in the form of biogas. Given the above, the use of glycerol in mesophilic codigestion with vinasse, aiming at producing bioenergy, presents itself as an interesting alternative to increase the organic content of the system, given its surplus production volume and saturation in the market. Thus, the present study proposed to evaluate the operational conditions and production of methane from the mesophilic codigestion of sugarcane vinasse and distilled glycerol in a structured-bed reactor. The experimental study was conducted in two main stages. The first stage started with the operation of batch reactors, with a main focus on determining methane production from variations in COD proportions. The second stage includes the mesophilic codigestion of vinasse and glycerol itself in an AnSTBR reactor, applying the strategy of increasing organic load from 0,5 up to 5 kg.m-3.d-1, associated with the conversion efficiency of organic matter up to 70%. In batch reactors, the flasks fed with 70% glycerol and 30% vinasse contributed to an increase in the speed of methane production by 95% compared to the monodigestion of vinasse. The highest methane yield was observed in the flasks fed with 50% vinasse and 50% glycerol, with an average value of 352 ± 17 mLCH4.g-1CODr and COD removal efficiency of 97%, which motivated the use of this proportion for the AnSTBR operation. The operation of the AnSTBR showed higher average yield and volumetric methane production during OLR of 3.5 kgCOD.m-3.d-1, with average values of 210 ± 31 mL.g-1CODr and 668 ± 73 mL.L-1.d-1, respectively. The average efficiencies for the removal of COD, total carbohydrates, and glycerol over the 105 days of operation were 77.1 ± 5.4%, 81,9 ± 7.7% and 99.7 ± 0.6%, corroborating the satisfactory performance of the anaerobic codigestion system based on the applied co-substrates. The slow start up of the reactor was necessary based on the high acidification rate of both co-substrates used, especially glycerol. The increase in the concentration of propionate with the increase in OLRs reinforces the need for slow changes in organic load, seeking to maintain the anaerobic codigestion working properly.
 
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Date de Publication
2021-06-15
 
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