Como funciona o biodigestor?

Recebi mensagens de dúvidas sobre o biodigestor. É uma forma de gerar energia a partir da biomassa, cujo funcionamento é o assunto deste post.
Recomendo que também leia o post sobre energia por biomassa.

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O que é e como funciona um biodigestor?

Materia orgânica é depositada em uma câmara e dentro desta é produzido biogás como combustível. Além disso, produz fertilizante para as plantações. Há canais diferentes para as saídas de biogás e fertilizante.

Na zona rural, a matéria orgânica é composta por dejetos de animais e da agricultura. Este é um biodigestor maior para aproveitar o lixo orgânico das cidades e indústrias.

Produção anaeróbica de biogás

Anaeróbica significa sem oxigênio. O biogás é formado por 50% a 75% de metano ($CH_{4}$), 25% a 50% de dióxido de carbono ($CO_{2}$) e pequenas quantidades de gases hidrogênio ($H_{2}$), sulfeto de hidrogênio ($H_{2}S$), amônia ($NH_{3}$) e oxigênio ($O_{2}$), além de água ($H_{2}O$). A produção de biogás dentro do biodigestor é dividida nas seguintes etapas, que ocorrem simultaneamente.

Hidrólise

A matéria orgânica tem compostos complexos: proteínas, carboidratos e lipídios. Nesta etapa, os compostos complexos são quebrados em moléculas mais simples como açúcares, aminoácidos e ácidos graxos. Aquelas moléculas são quebradas por bactérias hidrolíticas que produzem enzimas (lipases, proteases e amilases) para executar as seguintes reações químicas.

$C_{12}H_{22}O_{11}+H_{2}O\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}+C_{6}H_{12}O_{6}$

• $C_{12}H_{22}O_{11}$ = sacarose.
• $C_{6}H_{12}O_{6}$ = glicose e frutose. Embora tenham a mesma fórmula química, são moléculas diferentes.

$C_{57}H_{104}O_{6}+3H_{2}O\rightarrow C_{3}H_{8}O_{3}+3C_{18}H_{34}O_{2}$

• $C_{57}H_{104}O_{6}$ = gordura chamada trioleína.
• $C_{3}H_{8}O_{3}$ = glicerina ou glicerol.
• $C_{18}H_{34}O_{2}$ = ácido oleico.

$C_{4}H_{6}O_{3}N_{2}-R1-R2+H_{2}O\rightarrow C_{2}H_{4}O_{2}N-R1+C_{2}H_{4}O_{2}N-R2$

• $C_{4}H_{6}O_{3}N_{2}-R1-R2$ = proteína di-peptídeo.
• $C_{2}H_{4}O_{2}N-R1$ e $C_{2}H_{4}O_{2}N-R2$ são aminoácidos.

Acidogênese

Nesta fase, bactérias fermentativas convertem açúcares, aminoácidos e ácidos graxos em ácidos de cadeia curta e outras substâncias.

$4C_{3}H_{8}O_{3}+2HCO_{3}^{-}\rightarrow 7CH_{3}COO^{-}+5H^{+}+4H_{2}O$

• $HCO_{3}^{-}$ = íon bicarbonato.
• $CH_{3}COO^{-}$ = acetato.

$C_{5}H_{9}NO_{4}\rightarrow CH_{3}CH_{2}COOH+2CO_{2}+NH_{3}+2H_{2}$

• $C_{5}H_{9}NO_{4}$ = ácido glutâmico.
• $CH_{3}CH_{2}COOH$ = ácido propiônico.

$3C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 4CH_{3}CH_{2}COOH+2CH_{3}COOH+2CO_{2}+2H_{2}O$

• $CH_{3}COOH$ = ácido acético ou etanoico.

Vários gêneros de bactérias fazem a acidogênese.

Acetogênese

Esta fase é caracterizada pela produção de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono a partir de ácidos orgânicos e outras moléculas da acidogênese. Alguns exemplos de reações desta fase feitos por bactérias acetogênicas.

$CH_{3}CH_{2}COO^{-}+3H_{2}O\rightarrow CH_{3}COO^{-}+3H_{2}+H^{+}+HCO_{3}^{-}$

• $CH_{3}CH_{2}COO^{-}$ = propionato, vem do ácido propiônico.
• $CH_{3}COO^{-}$ = acetato, íon do ácido acético.

$CH_{3}CH_{2}CH_{2}COO^{-}+2H_{2}O\rightarrow 2CH_{3}COO^{-}+2H_{2}+H^{+}$

• $CH_{3}CH_{2}CH_{2}COO^{-}$ = butirato, vem do ácido butírico.

$2CH_{3}(CH_{2})_{3}COO^{-}+6H_{2}O\rightarrow 5CH_{3}COO^{-}+6H_{2}+3H^{+}$

• $2CH_{3}(CH_{2})_{3}COO^{-}$ = íon do ácido valérico.

Nesta etapa, é importante controlar a concentração de hidrogênio. Se esta for muito elevada, não haverá conversão dos compostos na acidogênese, portanto, aumenta a quantidade de ácidos orgânicos. Consequentemente, não há metanogênese para a produção de biogás. A produção de hidrogênio reduz o pH do ambiente local.

Metanogênese

Finalmente, o metano $CH_{4}$ é produzido neste estágio, combinando ácido acético $CH_{3}COOH$, hidrogênio $H_{2}$ e dióxido de carbono $CO_{2}$.

$CO_{2}+4H_{2}\rightarrow CH_{4}+2H_{2}O$

$CH_{3}COOH\rightarrow CH_{4}+CO_{2}$

Os microorganismos metanogênicos são do reino ou domínio Archaea. Os metanogênicos acetoclásticos produzem metano a partir do ácido acético, enquanto os hidrogenotróficos o fazem a partir do hidrogênio e dióxido de carbono.

Sulfetogênese

Um biodigestor também produz enxofre, que vem da matéria orgânica. Para usar o biogás como fonte de energia, a concentração de enxofre deve ser reduzida, pois o sulfeto de hidrogênio causa corrosão em metais e motores. Existem vários métodos de remoção de enxofre que serão mostrados em outro post. Na sulfetogênese, as bactérias sulforedutoras transformam sulfato, sulfito e sulfurados em sulfeto.