01 - Doutorado - Engenharia Civil

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Navegando 01 - Doutorado - Engenharia Civil por Autor "Andreani, Cristiane Lurdes"

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    Recuperação energética do biogás gerado a partir de água residuária de fecularias de mandioca: uma análise de viabilidade técnico-econômica e ambiental
    (2023-04-28) Taiatele Junior, Ivan; Lopes, Deize Dias; Andreani, Cristiane Lurdes; Bezerra, Felipi Luiz de Assunção; Lopes, Gabriela de França; Fuess, Lucas Tadeu; Rocha, Lucas Bonfim
    Verifica-se atualmente uma lacuna entre os extensivos estudos relacionados às iniciativas de recuperação do biogás a partir da água residuária de fecularias de mandioca (ARFM) e a sua efetiva implantação no setor da agroindústria. Neste sentido, o presente trabalho objetivou realizar uma análise técnico-econômica e ambiental deste cenário, por meio de modelagem e simulação do processo de digestão anaeróbia da ARFM e de geração de bioenergia em escala industrial, utilizando-se o simulador comercial Aspen Plus®, com base em dados da literatura e informações levantadas junto às fecularias paranaenses. Os questionários revelaram que o setor agroindustrial de fécula de mandioca no Paraná é heterogêneo em relação ao porte, características produtivas e operacionais, com produção de biogás com teor de metano variando entre 53-65% (abaixo da faixa observada nos estudos em escala laboratorial, 66,1-81,0%) e com aplicação exclusiva do biogás na geração de energia térmica em todas as fecularias participantes, indicando que há potencial para otimizar os recursos energéticos. Os principais resultados do modelo proposto para a simulação da digestão anaeróbia (remoção de matéria orgânica = 95,16%; teor de metano = 59,5%mol; rendimento de metano = 0,43 LCH4 gDQOremovida-1; e rendimento de biogás = 0,86 LBIOGÁS gDQOremovida-1) apresentaram-se dentro da faixa observada na literatura. Esses resultados se aproximam mais dos valores obtidos nos estudos em escala piloto e nas simulações em escala industrial, ou mesmo das informações reportadas pelas próprias fecularias, o que aponta para um bom ajuste do modelo proposto em simular a digestão anaeróbia de ARFM e estimar a produção de biogás e metano em escala industrial. As eficiências de conversão de bioenergia e as produtividades de bioenergia por volume de biogás alcançadas para as estratégias de geração de energia térmica (ET = 70,1%; 4,22 kWh m-3BIOGÁS), de geração de eletricidade (EE = 27,7%; 1,67 kWh m-3BIOGÁS) e de cogeração de energias elétrica e térmica (EET = 61,8%; 3,73 kWh m-3BIOGÁS) foram, em geral, menores que os valores reportados na literatura, mas o contrário ocorreu para as produtividades de bioenergia por volume de efluente (ET = 68,73 kWh m-3ARFM; EE = 27,21 kWh m-3ARFM; EET = 60,55 kWh m-3ARFM), as quais superaram a maioria dos resultados para simulações similares usando ARFM ou vinhaça de indústria sucroenergética. No desempenho ambiental, mensurado pelas emissões evitadas de carbono (ET = 1.005,6 kgCO2eq h-1; EE = 539,3 kgCO2eq h-1; EET = 649,6 kgCO2eq h-1), destaca-se a relevância da eletricidade, que contribuiu mais para o acúmulo de créditos de carbono por unidade energética do que a energia térmica. A etapa de aquecimento da ARFM foi responsável por 85,0-98,6% do custo total com utilidades, sendo o gargalo da planta em termos de OPEX. A turbina a gás é o módulo com implantação mais cara (USD 2,32 mi), representando 57,2%-64,5% dos custos de projeto de toda a planta quando das estratégias EE e EET. A estratégia EE gera mais receitas (242,19 USD h-1) que as demais estratégias (EET = 199,98 USD h-1; ET = 86,44 USD h-1) pois a eletricidade é mais rentável que o ar quente e o crédito de carbono. A bioenergia custa menos quando gerada por meio da estratégia ET (USD 61,34 MWh-1), seguida pelas estratégias EET (USD 88,74 MWh-1) e EE (USD 213,12 MWh-1). Dessa forma, foi possível elaborar um modelo robusto, capaz de simular a digestão anaeróbia da ARFM e estimar a produção de biogás de forma conjunta com a geração de bioenergia, com cenário técnica e ambientalmente viável. Entretanto, para alcançar viabilidade econômica (TR < 20 anos) em qualquer das estratégias, seriam necessários acréscimos expressivos nos valores de ar quente (440-480%), eletricidade (110-230%) e crédito de carbono (1520-2500%)
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    Valorização energética dos resíduos do processamento da mandioca em sistema anaeróbio operado em duas fases com imobilização celular em material lignocelulósico
    (2022-04-11) Bolonhesi, Isabela Bruna de Tavares Machado; Lopes, Deize Dias; Rodrigues, José Alberto Domingues; Fuess, Lucas Tadeu; Zaiat, Marcelo; Gomes, Simone Damasceno; Andreani, Cristiane Lurdes
    Esse estudo teve como objetivo avaliar a digestão anaeróbia em duas fases da água residuária de fecularia de mandioca (ARFM) em reatores anaeróbios operados em bateladas sequenciais com biomassa imobilizada (AnSBBR) na rama de mandioca. Para favorecer a adesão dos microrganismos, a rama de mandioca foi submetida à hidrólise ácida e a vapor. O pré-tratamento por hidrólise ácida foi selecionado para a preparação da rama na imobilização celular dos reatores acidogênico e metanogênico. No reator acidogênico, alimentado com a ARFM (concentração afluente fixa em 5gCarb L-1), foram avaliadas duas condições operacionais, nas quais foram contemplados o aumento da carga orgânica volumétrica (COV, de 11 para 15 gCarb L-1d-1) atrelado à diminuição do tempo de ciclo (TC, de 4 para 3 h). O reator metanogênico foi alimentado com o efluente do reator acidogênico (concentração afluente fixa em 5gDQO L-1). Seu desempenho foi avaliado em função do aumento da COV (4; 8; 12; 16 gDQO L-1d-1) com a redução do TC (24; 12; 8 e 6 h). Para otimizar a produção de metano, adicionalmente, foram realizados testes em bateladas considerando a adição de diferentes concentrações de biocarvão (0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 e 6,0 g L-1). A dosagem que apresentou o melhor resultado, em termos de produção de metano, foi posteriormente adicionada ao reator metanogênico. Nessa etapa, o comportamento do AnSBBR metanogênico foi novamente avaliado quanto ao aumento da COV (8; 12; 16 gDQO L-1d-1) e a diminuição do TC (12; 8 e 6 h). Verificou-se que o tratamento das ramas de mandioca via hidrólise ácida apresentou as melhores eficiências de conversão da estrutura lignocelulósica em celulose (50%) e conversão de carboidratos (97%), sendo utilizada na imobilização celular dos reatores acidogênico e metanogênico. O reator acidogênico apresentou produção volumétrica de hidrogênio e rendimento máximos de 1,48 LH2 L- 1d-1 e 1,98 molH2 kg- 1Carb (COV 15 gCarb L-1d-1 e TC de 3 h), com predominância de microrganismos produtores de hidrogênio, como os gêneros Clostridium e Hydrogenispora. No reator metanogênico operado sem adição de biocarvão, a maior produção volumétrica (3,74±0,72 LCH4 L-1d-1) e rendimento de metano (0,270±0,05 LCH4 gDQO-1) foram obtidos para a maior COV (16 g L-1d-1) e menor TC (6 h) testados. No entanto, o aumento da COV de 4 para 16 gDQO L - 1d-1 e a diminuição do TC de 24 para 6 h reduziram a eficiência de remoção de matéria orgânica de 99% para 67%. Entre os testes com diferentes dosagens de biocarvão, a adição de 2 g L-1 apresentou o melhor resultado em termos de produção de metano (1,33 LCH4 L- 1d- 1) e eficiência de remoção de matéria orgânica (96%), sendo essa a dosagem posteriormente aplicada ao reator metanogênico. Nos ensaios conduzidos com biocarvão no AnSBBR metanogênico, houve aumento médio de 26% na produção volumétrica (4,06 LCH4 L- 1d- 1) e no rendimento de metano (0,301 LCH4 gDQO-1). Além disso, os resultados indicam que a adição desse material ao reator metanogênico pode enriquecer a digestão anaeróbia com microrganismos eletroativos, como os gêneros Anaerolinea, Syntrophomonas, Pseudomonas e Sedimentibacter em conjunto com as arqueas Methanosaeta e Methanosarcina, possibilitando eficiências de remoção de matéria orgânica elevadas (85%) em todas as condições operacionais testadas. Nas melhores condições operacionais avaliadas, o sistema em duas fases proveu produção de hidrogênio e metano em um tempo total de operação de 9 h (3h para o reator acidogênico e 6 h para o reator metanogênico). Dessa forma, constatou-se que as estratégias de separação da digestão anaeróbia em duas fases, imobilização celular na rama de mandioca e sua utilização como cosubstrato, bem como a adição de biocarvão ao reator metanogênico, proporcionaram o aproveitamento energético dos resíduos de processamento da mandioca, com produção de energia de até 159,12 kJ L-1d-1.