Pesquisa analisa produção de hidrogênio a partir da vinhaça

Para encontrar uma utilidade ecologicamente correta a esta sobra, o doutorando Djalma Ferraz, do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Hidráulica e Saneamento da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP, pesquisou um método que aborda a vinhaça como matéria-prima e não como resíduo de um processo.

Intitulada “Desempenho da Digestão Anaeróbia da Vinhaça da Cana-de-açúcar em Condição Termofílica – Sistema Único vs. Sistema Combinado”, a tese foi orientada pelo professor da EESC Marcelo Zaiat e teve como objetivo avaliar a eficiência energética da vinhaça com base na produção de hidrogênio e metano em sistemas de digestão anaeróbia a 55ºC.

Segundo o doutorando, a iniciativa de pesquisar o assunto surgiu da necessidade de uma disposição final adequada desse resíduo. “A vinhaça possui potencial para produção biológica de hidrogênio e metano devido à sua alta concentração de matéria orgânica e conteúdo nutricional, favorável ao crescimento microbiano”, declarou Ferraz.

Atualmente a vinhaça é disposta no solo, na própria cultura da cana, e tem o objetivo de "devolver" principalmente o potássio ao solo. Além disso, a vinhaça tem nitrogênio e fósforo, o que a torna um bom fertilizante composto, ainda que não nas proporções ideias. O problema, entretanto, está no grande volume de vinhaça: para cada litro de etanol produzido são gerados de 12 a 15 de resíduos.

“Dispor uma imensa quantidade em toda a área plantada torna-se inviável economicamente e, em geral, a disposição se dá em áreas próximas da Usina, podendo levar à saturação do solo e até chegar a atingir as águas subterrâneas. E não é só isso; o elevado teor de matéria orgânica da vinhaça pode levar a grandes impactos ambientais”, explicou o orientador Marcelo Zaiat.

Além da disposição no solo, outros métodos são utilizados para destinação dada vinhaça: a incineração do efluente concentrado, o tratamento físico-químico e o tratamento biológico (anaeróbio e/ou aeróbio). Contudo, os dois primeiros métodos promovem a transferência da poluição do meio líquido para os meios atmosférico e sólido, além de serem muito dispendiosos e não permitirem a recuperação de materiais e energia.

O tratamento anaeróbio apresenta vantagens sobre o aeróbio por integrar menores custos operacionais, economia com aeração e baixa produção de lodo, além de possibilitar a obtenção de subprodutos de valor comercial (ácido acético, butírico, propiônico) e a recuperação de energia na forma de biogás (hidrogênio e metano).

A ideia de pesquisar uma finalidade para a vinhaça surgiu durante o mestrado de Djalma, concluído na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), onde ele já trabalhava com reatores biológicos aplicados ao tratamento de efluentes industriais. “O professor Zaiat foi consultor do meu projeto de mestrado e conversando com ele surgiu a ideia de trabalharmos com a produção de hidrogênio e metano a partir da vinhaça, fazendo uma análise para a região sudeste, onde há um maior volume de cana-de-açúcar. Estou trabalhando neste projeto desde o segundo semestre de 2010”, contou o Djalma.

A pesquisa foi divida em três etapas: na primeira e na segunda foram avaliadas condições ótimas de operação do reator acidogênico, a fim de conseguir valores máximos de produção de hidrogênio, e na terceira foram avaliadas a produção de metano em um sistema único e a produção simultânea de hidrogênio e metano no sistema combinado, a fim de comparar as tecnologias.

Segundo o orientador da pesquisa, a aplicação da biodigestão anaeróbia para a vinhaça não é novidade, com trabalhos científicos gerados na década de 1980 e 1990 que resultaram, inclusive, em aplicação em unidades em escala piloto e industrial. “O novo nesse projeto é a integração da biodigestão ao processo produtivo, tanto do ponto de vista ambiental quanto energético. Outra novidade do processo é a possibilidade de aproveitamento do hidrogênio, já que os trabalhos até então publicados visavam à redução da carga orgânica da vinhaça com produção de metano”, destacou Zaiat.

“A digestão anaeróbia da vinhaça permite o seu enquadramento ambiental por meio da redução da matéria orgânica e do aumento da degradabilidade dos compostos recalcitrantes presentes na água residuária em questão, paralelamente, ela pode também promover a recuperação da energia na forma de biogás (hidrogênio e metano), fato que pode ser integrado no conceito de biorrefinaria”, acrescentou o doutorando.

Basicamente, esse tipo de digestão ocorre em quatro etapas: Hidrólise (transformação de moléculas orgânicas complexas em simples), Acidogênese (continuação de quebra em moléculas menores ocorrendo formação de ácidos graxos voláteis - acético, propiônico, butírico, valérico), Acetogênese (moléculas da fase anterior são convertidas em dióxido de carbono, hidrogênio e ácido acético) e a Metanogênese (conversão do hidrogênio e ácido acético emmetano, dióxido de carbono e água). 

O tratamento anaeróbio pode ocorrer em sistema único, tendo o biogás enriquecido em metano como produto gasoso, ou seja, todo hidrogênio produzido vai para o enriquecimento do metano; ou em sistema combinado, com duas fases, uma acidogênica seguida por uma metanogênica. Nesse caso, o biogás gerado na primeira fase é rico em hidrogênio e o gerado na segunda, em metano. “O sistema combinado representa apenas uma separação física dos microrganismos acidogênicos e metanogênicos”, lembrou Djalma.

A partir dos resultados desses dois sistemas, o pesquisador concluiu que o sistema combinado consegue uma recuperação de energia de 25,7% maior do que o sistema único. “Observamos uma maior degradabilidade da vinhaça no sistema combinado, o que permitiu uma extração maior de energia”, concluiu o pesquisador.

Todos os experimentos foram realizados no Laboratório de Processos Biológicos do Departamento de Hidráulica e Saneamento da EESC que forneceu ao doutorando todas as ferramentas necessárias para sua pesquisa.

Por Nathália Nicola, da Assessoria de Comunicação da EESC