Co-Digestão Anaeróbica de dejetos de animais e resíduos lignocelulósicos: Uma revisão do potencial de produção de metano / Anaerobic Co-Digestion of Animal Waste and Lignocellulosic Residues: A Review of Methane Production Potential

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71901-71909, sep. 2020. ISSN 2525-8761

Co-Digestão Anaeróbica de dejetos de animais e resíduos lignocelulósicos: Uma

revisão do potencial de produção de metano

Anaerobic Co-Digestion of Animal Waste and Lignocellulosic Residues: A

Review of Methane Production Potential

DOI:10.34117/bjdv6n9-584

Recebimento dos originais: 08/08/2020 Aceitação para publicação: 24/09/2020

Gabriele Kuhn Dupont

Mestranda no Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Tecnologias Sustentáveis (PPGATS) Universidade Federal da Fronteira Sul, UFFS, Cerro Largo, Brasil

E-mail: gabi-dupont@hotmail.com

Isabela Karina Della-Flora

Mestranda no Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Tecnologias Sustentáveis (PPGATS) Universidade Federal da Fronteira Sul, UFFS, Cerro Largo, Brasil

E-mail: isa_dellaflora@hotmail.com

Naiara Jacinta Clerici

Graduanda em Engenharia Ambiental e Sanitária

Universidade Federal da Fronteira Sul, UFFS, Cerro Largo, Brasil E-mail: naiaraj.clerici@gmail.com

Carolina Grings Serafini

Graduanda em Engenharia Ambiental e Sanitária

Universidade Federal da Fronteira Sul, UFFS, Cerro Largo, Brasil E-mail: carolinagrings_@hotmail.com

Júnior Isaías Hoffmann

Graduado em Engenharia Ambiental e Sanitária

Universidade Federal da Fronteira Sul, UFFS, Cerro Largo, Brasil E-mail: juniorhoffmann.hoffmann@gmail.com

Nicoly Welter

Mestranda no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental (PPGEAMB) Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, Santa Maria, Brasil

E-mail: nicolywelter@hotmail.com

Paula Gabriela Dalla Porta

Mestranda no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química (PPGEQ) Universidade Federal de Santa Maria, UFSM, Santa Maria, Brasil

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71901-71909, sep. 2020. ISSN 2525-8761 Paula Fernandes Weber

Graduação em Engenharia Química

Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, URI, Santo Ângelo, Brasil E-mail: paula.weeber@hotmail.com

RESUMO

Diante da alta demanda de resíduos de dejetos de animais e lignocelulósicos provenientes de atividades agropecuárias, torna-se necessário a destinação adequada por meio de biotecnologias, como a digestão anaeróbica, que ainda possibilita a produção de bioenergia. Com base em uma revisão de outros trabalhos avaliou-se que combinações de diferentes substratos possibilitam melhores resultados de produção de metano, a partir do processo de co-digestão anaeróbica em comparação com a mono-digestão.

Palavras-chave: Co-digestão anaeróbica, Dejetos de animais, Resíduos lignocelulósicos, Metano, Bioenergia.

ABSTRACT

Given the high demand for animal and lignocellulosic waste from agricultural activities, it is necessary to properly dispose of it through biotechnologies, such as anaerobic digestion, which still allows the production of bioenergy. Based on a review of other studies, it was evaluated that combinations of different substrates allow better results in the production of methane, from the process of anaerobic co-digestion compared to mono-digestion.

Keywords: Anaerobic co-digestion, Animal waste, Lignocellulosic residues, Methane, Bioenergy.

1 INTRODUÇÃO

Os dejetos de animais (DEA) são resíduos de grande geração e de alto conteúdo orgânico, provenientes da intensificação do consumo de carne animal e aumento do ramo pecuário. Desta forma, tendo em vista as problemáticas ambientais de disposição desse resíduo, torna-se necessário uma tecnologia de destinação adequada e sustentável (Tullo et al. 2019). Posto isso, uma alternativa promissora para direcionar os DEA, é aplicá-los como matéria-prima para digestão anaeróbica (DA) e produção de energia (biogás) antes de sua aplicação no solo para ciclagem de nutrientes. No entanto, a digestão de DEA como único substrato, pode dificultar o processo uma vez que apresenta alto teor de amônia, que causa inibição e desequilíbrio no processo da DA, devido a produção excessiva de ácidos graxos voláteis (AGV) (Paranhos et al. 2020).

Sob outra perspectiva, a co-digestão (Co-DA) de DEA com outra biomassa de baixa concentração de nitrogênio e importante fonte de carbono, pode proporcionar uma melhor relação C/N no processo. Desta forma, biomassas de resíduos lignocelulósicos (RL), como os resíduos agrícolas, tem sido fortemente avaliados. Esses materiais tratam-se de fontes promissões de nutrientes, que também necessitam de um direcionamento final e que apresentam desta forma, alto potencial de produção de biogás (Neshat et al., 2017; Li et al. 2018a).

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Nesse cenário, o beneficiamento simultâneo de dois ou mais resíduos orgânicos por meio da digestão em condições anóxicas, como na Co-DA, refere-se a uma estratégia promissora para otimizar a eficiência da mono-digestão anaeróbica (Mono-DA) [processo com apenas um substrato] (Awosusi et al., 2020). Diante disso, este trabalho teve como finalidade principal, averiguar o potencial de produção de metano a partir de recentes estudos que utilizaram DEA e RL, enquanto substratos, por meio da biotecnologia de Co-DA.

2 MATERIAL E MÉTODOS

Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma revisão da literatura a respeito do potencial de produção de metano a partir de dejetos de animais e resíduos lignocelulósicos, por meio do processo de Co-DA. Para tal finalidade, foram utilizadas revistas listadas no banco de dados do Scopus, no período dos últimos 7 anos, utilizando-se da palavra-chave: “Anaerobic co-digestion animal manure lignocellulosic waste”. Esta pesquisa proporcionou aproximadamente 400 resultados, dentro dos quais foram analisados e discutidos, em uma versão mais completa, cerca de 50 publicações relevantes. A partir disso, foram apresentadas algumas neste trabalho.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A DA, baseia-se em um processo biológico de vários estágios, em que ocorre a conversão de substrato orgânico em biogás [mistura gasosa composta principalmente por metano (CH4) e

dióxido de carbono (CO2)], por microrganismos na ausência de oxigênio. O processo de DA é

constituído por quatro etapas, iniciando pela hidrólise, seguido da acidogênese, acetogênese e metanogênese. Diante do qual, na última etapa, os metanogênicos são os microrganismos responsáveis pela produção de biogás (Kainthola et al., 2019; Li et al., 2018a).

Enquanto aplicação, o biogás pode ser utilizado para obtenção de vetores energéticos, através da queima do metano, podendo ser empregados na geração de calor, energia elétrica e energia para transporte. Além do ganho econômico relacionado à aplicação energética, ao final do processo de DA, o efluente resultante pode ser destinado como biofertilizante mais seguro para a agricultura (Aziz et al., 2020).

Em relação a produção de metano, seu processo é afetado por vários parâmetros operacionais como temperatura, pH, relação Carbono e Nitrogênio (C/N), taxa de carga orgânica, tempo de retenção hidráulica e concentração de ácidos graxos voláteis (Kainthola et al., 2019). Tratando-se da relação C/N, esta é muito importante para facilitar a conversão dos substratos em metano, a qual deve encontrar-se entre 20 e 30 (Chandra et al., 2012). Em função disso, o emprego de culturas

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energéticas, como RL em Mono-DA, são geralmente ricas em carboidratos, mas pobres em nitrogênio, resultando em rendimento de produção de metano (RPM) significativamente baixos. Além disso, a Mono-DA de DEA, também não é totalmente produtiva, dado que pode ocasionar instabilidade no biodigestor em função da toxicidade da amônia a partir da rápida degradação do nitrogênio orgânico (Abouelenien et al., 2014).

Assim, o processo de Co-DA de RL com DEA, promove uma manutenção adequada de nutrientes para uma ótima relação C/N e consequentemente, altos RPM (Li et al. 2018a). Além disso, tendo em vista a alta geração de resíduos, a Co-DA tornou-se uma biotecnologia interessante e eficaz para aplicação em escala produtiva, pois trata dois ou mais substratos ao mesmo tempo (Mata-Alvarez et al., 2014).

Nesse sentido, foram avaliados alguns estudos, que empregaram Co-DA, utilizando DEA e RL, em função do melhor RPM. Estes trabalhos podem ser observados na Tabela 1, a qual apresenta também os resultados de RPM empregando apenas a Mono-DA dos substratos individuais de dejetos de animais.

Pode-se averiguar, por meio do resumo de cada artigo apresentado pela Tabela 1, que vem sendo avaliados diferentes combinações de DEA com distintos RL, em busca do melhor desempenho de produção de metano, dependendo das condições empregadas no processo de Co-DA.

A co-digestão em batelada com o mesmo substrato de DEA, de dejeto de bovinos (DB), foi utilizado por Bah et al. (2014) e Feng et al. (2017), mas aplicando como cosubstrato fibra prensa de pasto (FPP) e capim-pasto (CP), com RPM de 346,2 e 244,3 L CH4 kg SV-1, respectivamente. Desta

forma, pode-se avaliar que os rendimentos de produção de metano foram distintos dependendo do cosubstrato empregado, mas foram superiores aos encontrados com os DEA como únicos substratos na Mono-DA. Dado que o estudo em que empregou FPP como cosubstrato alcançou um alto aprimoramento na produção de metano de cerca de 65,2%, comparado ao CP que proporcionou um aumento na produção de metano de 5,2%.

Dom et al. (2014), também estudaram a Co-DA de DB, mas com a macroalga Laminaria digitata (LD), como cosubstrato. Assim, os autores encontraram rendimento máximo de 290 L CH4

kg SV-1,comparado a Mono-DA, que obteve resultado inferior de 203 L CH4 kg SV-1.

Já, Abouelenien et al. (2014), avaliaram a Co-DA de dejeto de frangos (DF) com diversos resíduos agrícolas (RA). Posto isso, os autores observaram uma melhoria na produção de metano de 50%, em relação a Mono-DA de DF. Esse cenário também foi apresentado por Li et al. (2018b), que estudaram a produção de metano a partir de dejeto de franngo e dejeto de suínos (DS) com polpa

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de maça (POM). Os autores averiguaram que a Co-DA de DF e POM na proporção de mistura de 1:1, apresentou o melhor rendimento de 340 L CH4 kg SV-1, dado que superou a Mono-DA de DF

e POM, em 62,8 e 63.4%, respectivamente.

A co-digestão com dejetos de suínos em batelada foi empregada por Wei et al. (2014), simultaneamente com palha de cevada (PC). Diante disso, foi possível avaliar que a Co-DA se sobressaiu à mono-digestão de DS em aproximadamente 41,2%. Dado que, a digestão anaeróbica de DS e PC apresentou rendimento de produção de metano de 152,3 L CH4 kg SV- 1, e a

mono-digestão de dejetos de suínos cerca de 89,6 L CH4 kg SV-1. Ainda, dejetos de suínos foram

empregados no estudo de Wang et al. (2017), na Co-DA de caule de milho (CM). Visto isso, foi observada uma melhoria na produção de metano em 6,8% em comparação com a Mono-DA. Isso pode ser averiguado pelos RPM que contribuíram com 256,6 e 239 L CH4 kg SV-1, na digestão

anaeróbica de DS e CM, e apenas DS, respectivamente.

Em outras condições de operação, Aboudi et al. (2016), também avaliaram a co-digestão de DS, mas desta vez em conjunto com resíduos de beterrraba sacarina (RBS). Posto isso, verificaram que foi possível uma Co-DA na proporção de 50:50 de DS:RBS com uma produção de 560,1 L CH4

kg SV-1_{, o que remeteu a um aproveitamento de 25,5% em relação ao processo empregando apenas}

DS (447,1 L CH4 kg SV-1).

Tabela 1. Rendimentos de produção de metano em estudos de Co-DA de DEA e RL.

Dejeto animal (subsbtrato) Cosubstrato Modo de operação reator/ Temperatura/ volume Melhor rendimento de metano (L CH4 kg SV-1)

- Composição Aprimoramento de _CH₄_(%) Ref. Mono-DA Co-DA Dejetos de suínos (DS) Resíduos de beterraba sacarina (RBS) Batelada/ 35 ± 0,5 °C/ 2L 447,1 (DS) 560,1 (DS:RBS de 50:50) 25,5 Aboudi et al. (2016) Dejetos de frango (DF) Resíduos agrícolas (RA) Semi-contínuo/ 35 °C/ 0,5 L 253 (DF) 506 (DF:RA de 3:1) 50 Abouelenie n et al. (2014) Dejeto de bovinos (DB) Fibra Prensada de palma (FPP) Batelada/ 37 °C/ 0,25 L 120,6 (DB) 346,2 (FPP:DB de 3:1) 65,2 Bah et al. (2014) Dejeto de bovinos (DB) Laminaria digitata (LD) Contínuo/ 55 °C/ 9 L 203 (DB) 290 (LD:BD de 80:20) 30,0 Dom et al. (2019) Dejeto de bovinos (DB) Capim-pasto (CP) Batelada/ 55 °C/ 0,5 L 231,5 (DB) 244,3 (DB:CP de 90:10) 5,2 Feng et al. (2017) Dejeto de gado de leite (DG) Palha de arroz (PA) Batelada / 37 ± 1 °C/ 2,5 L 185,3 (DG) 196 (DG:PA de 1:1) 5,8 Li et al. (2015)

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 71901-71909, sep. 2020. ISSN 2525-8761 Dejeto de gado de leite (DG) Resíduos de tomates (RT) Semi-contínuo/ 35 °C/ 1 L 279 (DG) 353 (RT:DG de 54:13) 21,0 Li et al. (2018a) Dejetos de Suínos (DS)/ frango (DF) Polpa de maça (POM) Batelada/ 37 °C/ 0,25 L 124,4 (DS)/ 126,6 (DF) 340 (DF:PM de 2:1) 62,8/ 63.4 Li et al. (2018b) Dejetos de suínos (DS)/ gado de leite (DG) Casca de durião (CD) Batelada/ 37 °C/ 0,5 L 206,9 (DS)/ 78,9 (DG) 224,8 (DS:CD de 1:1) 7,9/ 64,9 Shen et al. (2019) Dejetos de suínos (DS) Caule de milho (CM) Batelada / 35 ± 1 °C / 4 L 239 (DS) 256,6 (DS:CM de 3:7) 6,8 Wang et al. (2017) Dejeto de suínos (DS) Palha de cevada (PC) Batelada/ 15 °C/ 0,52 L 89,6 (DS) 152,3 (DS:PC 1:1) 41,2 Wei et al. (2014) Dejeto de gado de leite (DG) Palha de milho (PAM) Semi-contínuo/ 35 °C/ 0,75 L 93 (DG) 138 (DG:PM de 80:20) 32,6 Zhong et al. (2020)

Em outro estudo de Shen et al. (2019), também foi investigado a Co-DA de DS em batelada, mas com outro resíduo, da casca de durião (CD). Os autores compararam ainda a co-digestão de CD com dejeto de gado de leite (DG). Diante disso, foi relatado uma maior produção de metano (224,8 L CH4 kg SV-1), empregando DS e CD na proporção de 1:1. Resultado que se sobressaiu a

Mono-DA de dejetos de suínos e dejeto de gado de leite em 7,9 e 64,9%, respectivamente.

Li et al. (2015), averiguaram também DG em seu trabalho de co-digestão anaeróbica em batelada com palha de arroz (PA), como cosubstrato. Dentro das condições de operação empregadas, os autores observaram uma diferença entre a produção de metano da Co-DA de dejeto de gado de leite e PA na proporção de 1:1, em relação a Mono-DA de DG, de 196 e 185,3 L CH4 kg SV-1,

respectivamente. O que resultou em um aprimoramento no RPM em 5,8%.

Dejeto de gado de leite, também foi utilizado como substrato na Co-DA de resíduos de tomates (RT) e palha de milho (PAM), nos trabalhos de Li et al. (2018a) e Zhong et al. (2020), respectivamente. Diante das condições operacionais de cada estudo, os autores apresentaram RPM de 353 e 138 L CH4 kg SV-1, respectivamente, o que indicou um aproveitamento de produção de

metano de 21 e 32,6%, em relação a digestão anaeróbica de apenas DG como substrato.

Por fim, tendo em vista que os estudos expostos neste trabalho apresentaram os melhores rendimentos de produção de metano, tanto para o processo de Co-DA, como para o de Mono-DA, observa-se que o emprego de mais de um substrato supera a produção de um único substrato. Ou seja, o uso de apenas dejetos de animais como substratos proporcionaram resultados inferiores ao processo em que foi empregado, se comparado aos dejetos de animais em conjunto com resíduos lignocelulósicos, para produção de metano. Contexto, que pode ser justificado pelo fato de que a

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digestibilidade de resíduos ricos em nitrogênio (como os dejetos de animais) pode ser melhorada a partir da digestão anaeróbica com substratos de alto teor de carbono (como os resíduos lignocelulósicos). Já que a Co-DA proporciona benefícios importantes, incluindo o equilíbrio dos macros e micronutrientes, pH, inibidores e compostos tóxicos (Böjti et al. 2017).

Além disso, de acordo com Vivekanand et al. (2018), a digestão anaeróbica de substratos únicos pode ser ineficiente devido a desequilíbrios na relação C/N, grau de biodegradabilidade e/ou devido à falta de nutrientes necessários à comunidade microbiana. Assim, o emprego de mais substratos na co-digestão anaeróbica, além de proporcionar melhores rendimentos na produção de energia sustentável, auxilia no tratamento final de diversos resíduos, reduzindo principalmente alto teores de matéria orgânica e promovendo sua disposição final a fim de controlar a poluição ambiental (Tsapekos et al., 2017).

4 CONCLUSÃO

Este estudo evidencia que diferentes combinações de resíduos como dejetos de animais e lignocelulósicos, apresentam, diversificadas composições químicas e de biodegradabilidade que podem ser contribuir para uma produção eficiente de metano. A qual, de acordo com os estudos expostos, excede a soma da produção de metano substratos individuais, no processo de mono-digestão.

Diante disso, pode-se avaliar que a tecnologia de co-digestão anaeróbica, de produção de bioenergia, tem sido amplamente empregada, uma vez que possibilita o tratamento de diferentes resíduos, os quais podem ser diversificadamente explorados, dependendo da problemática e da demanda de geração na região em estudo.

AGRADECIMENTOS

À Universidade Federal da Fronteira Sul (UFFS), Campus de Cerro Largo, à Univeridade Federal de Santa Maria (UFSM), Campus de Santa Maria, à Universidade do Alto Uruguai e das Missões (URI), Campus de Santo Ângelo e à CAPES, pelo incentivo financeiro.

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