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Centro Universitário Facvest – UNIFACVEST Curso de Graduação em Engenharia Mecânica

Romulo Mondini Neto Roger Briskiewicz Ricardo Henn Heber Gabriel Acosta Bernadet Renan Klein Canani Ricardo Lelisnki de Lima Ricardo Waltrick

Trabalho de Desenvolvimento de Biodigestor: Voltado a Produção de Gases Provenientes das Interações Químicas que tenham Capacidade de Produzir Chama

Trabalho de Graduação Interdisciplinar

Volume I

Lages 2018

Romulo Mondini Neto Roger Briskiewicz Ricardo Henn Heber Gabriel Acosta Bernadet Renan Klein Canani Ricardo Lelisnki de Lima Ricardo Waltrick

Trabalho de Desenvolvimento de Biodigestor: Voltado a Produção de Gases Provenientes das Interações Químicas que tenham Capacidade de Produzir Chama

Estudo de Caso apresentado ao curso de Graduação em Engenharia Mecânica, Centro Universitário Facvest - UNIFACVEST, como parte dos requisitos necessários à avaliação do desenvolvimento do trabalho desenvolvido. Orientador: Monique Andressa Wachholz

Volume I

Lages 2018

SUMÁRIO 1

INTRODUÇÃO ........................................................................................ 4

2

DESENVOLVIMENTO............................................................................. 5

3

RELATÓRIO TEÓRICO-PRÁTICO ......................................................... 7

4

CONCLUSÃO E DISCUSSÕES ............................................................ 18

5

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................... 19

1 INTRODUÇÃO Ao longo da história o ser humano teve sempre uma grande relação com a natureza no qual foram responsáveis por grandes transformações. A busca pelo conforto foram uma das condições que geraram o desenvolvimento e produção de novos combustíveis que marcam a história. Contudo, atualmente as preocupações dos cientistas voltam-se para o desenvolvimento de fontes de energia com impacto reduzido ou até mesmo nulo. Madeira a mais antiga fonte de energia da qual se tem conhecimento. Utilizado outrora para aquecer nos períodos frios proveniente do inverno e afugentar animais ferozes, além da preparação de alimentos. Ainda muito utilizada nos dias atuais, apesar de ser muito poluente. A partir da Revolução Industrial, desenvolveu-se novas tecnologias e a busca por novos combustíveis para atender a necessidade da produção em larga escala. Nos séculos XVIII e XIX, o carvão mineral teve uma ampla utilização, indispensável para o funcionamento dos primeiros motores movidos a vapor. Com a queda do petróleo seu uso tem sido bastante decorrente. Já no século XX, com os primeiros automóveis, viu-se a necessidade

pela

busca

de

combustíveis

de

alto

desempenho.

Em

consequência, combustíveis fósseis aram a ser fonte de gasolina e mais tarde de diesel (amplamente utilizado na Segunda Guerra Mundial). Em 1940 foi a vez da energia nuclear, contudo qualquer erro de controle poderia vir a gerar grande impacto ambiental. Já em 1970 com a queda do petróleo o álcool anidro ou ser demanda até 1980 e vem ganhando espaço com automóveis bicombustíveis. Com a demanda de mercado crescente, os combustíveis aram a ser essenciais na vida humana, utilizado desde o preparo do alimento até sua locomoção. Contudo, cientistas vem buscando novas formas de gerar combustíveis eficientes e menor impacto ambiental, como desenvolvimento de energia proveniente de hidroelétricas, captação solar e eólica, apesar do seu alto custo de produção. A pergunta que fazemos é, que parte tem a produção de energia a partir do lixo orgânico dispensável?

2 DESENVOLVIMENTO Micróbios também conhecidos como microrganismos, são seres minúsculos, em geral, não podem ser vistos a olho nu, incluídos nesse grupo, estão as bactérias, fungos, protozoários e algas microscópicas (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p.2). Segundo Tortora, Funke e Case (2017, p4) as bactérias são organismos relativamente simples e de uma única célula (unicelulares). Devido ao fato de seu material genético não ser envolto por uma membrana nuclear especial, as células bacterianas são chamadas de procariotos, de palavras gregas que significam pré-núcleo. Os procariotos incluem as bactérias e as arqueias [...] Como as bactérias, as arqueias consistem em células procarióticas, porém, quando apresentam paredes celulares, elas carecem de peptideoglicano. As arqueias são encontradas, muitas vezes, em ambientes extremos e se dividem em três grupos principais. As metanogênicas produzem metano como produto residual da respiração [...].

“Os micróbios que causam deterioração de alimentos, como partes amolecidas em frutos e vegetais, decomposição de carnes e ranço de gorduras e óleos” (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p.14). O metano (CH4) é um exemplo de ligação covalente entre átomos de elementos diferentes [...] Por conseguinte, na molécula de metano, o átomo de carbono ganha quatro elétrons de hidrogênio para completar sua camada externa, e cada átomo de hidrogênio completa seu par, compartilhando um elétron do átomo de carbono (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p.28). Figura 01 – Formação de ligações covalentes.

Fonte: Tortora, Funke e Case (2017, p.29).

Segundo Tortora, Funke e Case (2017, p.126) a respiração anaeróbia, seu aceptor final de elétrons se da por uma substância inorgânica diferente do oxigênio (𝑂2). Algumas bactérias anaeróbias “utilizam o carbonato (𝐶𝑂3 2− ) para formar metano (𝐶𝐻4 )” (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p. 126). A respiração anaeróbia por bactérias utilizando nitrato e sulfato como aceptores finais é essencial para os ciclos do nitrogênio e do enxofre que ocorrem na natureza. A quantidade de ATP gerada na respiração anaeróbia varia de acordo com o microrganismo e a via. Como apenas parte do ciclo de Krebs opera em condições anaeróbias, e uma vez que somente alguns dos carreadores da cadeia de transporte de elétrons participam da respiração anaeróbia, o rendimento de ATP nunca é tão alto quanto na respiração aeróbia. Assim, os anaeróbios tendem a crescer mais lentamente que os aeróbios (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p.127).

Segundo Tortora, Funke e Case (2017, p.265-314), “metanógenos, anaeróbios estritos que produzem metano (𝐶𝐻4 ) a partir do dióxido de carbono (𝐶𝑂2) e hidrogênio (𝐻2 )” e “não são conhecidos metanógenos bacterianos”. Contudo, essas condições anaeróbias promovem atividades dos mesmos metanógenos utilizados na operação de digestores de lodos anaeróbios para tratar esgotos. O metano que eles produzem pode ser extraído por buracos perfurados e queimado para gerar eletricidade, ou purificado e introduzido em um sistema de canalização de gás natural. Esses sistemas fazem parte do projeto de muitos grandes aterros nos Estados Unidos, alguns dos quais fornecem energia para instalações industriais e residências (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p.779). Segundo Tortora, Funke e Case (2017, p.806) à medida que nossas fontes de combustíveis fósseis diminuem ou se tornam mais caras, o interesse no uso de fontes de energia renováveis aumenta. A biomassa, a principal dessas fontes, é a matéria orgânica total produzida por organismos vivos, incluindo culturas, árvores e resíduos municipais. Os microrganismos podem ser utilizados para a bioconversão, o processo de converter biomassa em fontes alternativas de energia. A bioconversão também pode diminuir a quantidade de resíduo material que necessita de descarte.

“O metano é uma das mais convenientes fontes de energia produzidas pela bioconversão. Muitas comunidades produzem quantidades úteis de metano a partir de resíduos de aterros” (TORTORA; FUNKE; CASE, 2017, p.806).

3 RELATÓRIO TEÓRICO-PRÁTICO Dia 10/11/2018, após fazer o levantamento de todos os materiais listados a seguir: 

02 galões de 5𝐿 (cinco litros);



01 1m de mangueira cristal ½” (meia polegada);



01 válvula de registro de esfera;



01 adaptador soldável com anel selador ½” (meia polegada);



03 espigões ½” (meia polegada).

Começou o processo de montagem do biodigestor projetado por todos aqueles que envolvem o trabalho aqui descrito, com base no desenvolvimento teórico já descrito. Para que pudéssemos desenvolver o biodigestor foi planejado que para a produção do gás necessitaríamos de um ambiente propício a produção de metano e para que haja a produção desse gás, viu-se necessário criar um ambiente ideal para as arqueias metanógenas, produtoras do gás metano. Após muito planejar, chegamos a um consenso, tornando o projeto simples e satisfatório, planejou-se utilizar 2 (dois) galões de 5𝐿 (cinco litros), disposto como demonstra a imagem 01 a seguir: Imagem 01 – Demonstração do projeto.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Por fim a ideia concebida para o desenvolvimento do projeto se baseia na seguinte imagem 02: Imagem 02 – Condições do projeto.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Primeiramente, utilizamos de uma faca de serra para cortar a parte superior dos galões para que houvesse a possibilidade de que um dos galões vestisse o outro como demonstra a imagem 03, a seguir: Imagem 03 – Litros pré-cortados para o processo de junção.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Após o processo de recorte, fez-se se necessário furar o fundo de um dos galões, o processo de furação foi exercido com um soldador de estanho como está explícito na imagem 04 a seguir: Imagem 04 – Fundo do galão furado com soldador.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Seguindo o processo, chegamos ao ponto de junção de algumas as partes, primeiramente, inserimos a adaptador soldável com anel selador e espigão, garantimos o aperto para evitar qualquer vazamento proveniente de uma má fixação e selagem do adaptador e espigão, como pode ser visto abaixo: Imagem 05 – Adaptador e espigão posicionados.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Em seguida, fixamos cerca de 800𝑚𝑚 (oitocentos milímetros) de mangueira cristal em suas ambas extremidades em espigões e a extremidade oposta ao adaptador foi fixado no espigão uma válvula de registro de esfera, como pode ser visto na próxima imagem 06: Imagem 06 – Fixação do espigão e a válvula de esfera na ponta oposta da mangueira com relação aos galões.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Continuando, nada foi registrado no momento de inserção dos materiais orgânicos, porém, viu-se a necessidade de se efetuar alguns cálculos para obter o controle da quantidade de material inserido. Para determinarmos o volume de material inserido, utilizamos das fórmulas na qual desenvolvemos, dada por: 𝐿𝑑𝑒𝑠𝑐 . 𝑃𝑑𝑒𝑠𝑐 . ℎ 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑐 = ( ).4 2

(1)

𝑒 𝑉𝑏 = (ℎ . 𝑙 . 𝑝) − 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑐.

Onde: 

𝑉𝑑𝑒𝑠𝑐. = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑜 𝑉𝑏;



𝑉𝑏 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟;



𝐿𝑑𝑒𝑠𝑐 = 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜;

(2)



𝑃𝑑𝑒𝑠𝑐 = 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜;



ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝ó𝑠 𝑗𝑢𝑛çã𝑜 𝑑𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑙õ𝑒𝑠;



𝑙 = 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟;



𝑝 = 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟.

Com a imagem 07 a seguir torna mais prática a visualização das fórmulas desenvolvidas e calculadas: Imagem 07 – Demonstração visual da análise.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Tendo em mãos que ℎ = 220𝑚𝑚 (duzentos e vinte milímetros), 𝑙 = 180𝑚𝑚 (cento e oitenta milímetros) e 𝑝 = 130𝑚𝑚 (cento e trinta milímetros), podemos calcular o volume total, contudo a um desconto a ser efetuado devido aos 4 (quatro) cantos do volume total do biodigestor dada pelo 𝑉𝑑𝑒𝑠𝑐, onde 𝐿𝑑𝑒𝑠𝑐 = 20𝑚𝑚 (vinte milímetros) e 𝑃𝑑𝑒𝑠𝑐 = 20𝑚𝑚 (vinte milímetros), assim chegamos ao valor de 𝑉𝑏 equivalente a 4,972𝐿 (quatro inteiros, nove décimos, 7 centésimos e dois milésimos de litro) ou 0,004972𝑚³ (quatro milésimos, nove décimos de milésimo, sete centésimos de milésimo e dois milionésimos de metros cúbicos). Após calculado o volume total, foi determinado a densidade dado pelo nosso material orgânico, com base no peso e volume ocupado por um dos sacos de cheios, tendo como base volume dado pelos valores: 𝑝 = 120𝑚𝑚, 𝑙 =

160𝑚𝑚 e ℎ = 150𝑚𝑚. Sua massa era equivalente a 1,4𝑘𝑔 (um inteiro e quatro décimos de quilograma), temos que o volume total está em cerca de 0,0027𝑚³ (dois milésimos e sete décimos de milésimo de metros cúbicos), com esses valores utilizamos da fórmula da massa: 𝑚 = 𝑉 .𝑑

(3)

Temos então que:

𝑑=

𝑚 𝑉

(4)

Chegamos a um valor equivalente a 𝑑 = 518, 5185 𝑘𝑔/𝑚³ (quinhentos de dezoito inteiros, cinco décimos, um centésimo, oito milésimos e cinco décimos de milésimo de quilograma por metro cúbico). Utilizando a fórmula da massa novamente, através da densidade encontrada e o volume do biodigestor, temos que a massa utilizada para a produção de metano equivale a 𝑚 = 2,578 𝑘𝑔 (dois inteiros, cinco décimos, sete centésimos e oito milésimos de quilograma) de material orgânico disposto no biodigestor. Durante o ar dos dias foi efetuada a alimentação com água para que não houvesse qualquer vazamento do gás pelas bordas expostas ao ambiente, já que a água contida no biodigestor aria pelo processo de evaporação devido ao calor do sol no qual foi exposto, durante parte do dia. Como já dito anteriormente se perdeu alguns os durante o processo, os simples como o depósito do material orgânico e o acompanhamento diário, contudo, após essas 2 (duas) semanas, constando do dia 10/11 até o dia 24/11, observou-se um crescimento de volume onde ℎ0 = 220𝑚𝑚 (duzentos e vinte milímetros) ou a ℎ1 = 310𝑚𝑚 (trezentos e dez milímetros), assim chegando a um volume total equivalente 𝑉𝑏 = 0,007006𝑚³ (sete milésimos e seis milionésimo de metros cúbicos) ou 7,006𝐿 (sete inteiros e seis milésimos de litro), chegando a um volume de gás equivalente a 𝑉𝑔𝑖 = 0,002034𝑚³ (dois milésimos, três centésimos de milésimo e quatro milionésimos de metros cúbicos) ou 2,034𝐿 (dois inteiros, três centésimos e quatro milésimos de litro). Esses dados foram determinados através da simples fórmula a seguir:

𝑉𝑔𝑖 = 𝑙 . 𝑝 . ℎ1 − ((

𝐿𝑑𝑒𝑠𝑐 . 𝑃𝑑𝑒𝑠𝑐 . ℎ1 ) . 4) − 𝑙 . 𝑝 . ℎ0 2

(5)

Onde: 

𝑉𝑔𝑖 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑔á𝑠 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙;



ℎ0 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙;



ℎ1 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑝ó𝑠 𝑎𝑠 2 (𝑑𝑢𝑎𝑠) 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠.

Ao longo dessas 2 (duas) semanas, iniciado no dia 10/11 até o dia 24/11, o volume que subiu está explicitamente demonstrado na imagem 08 a seguir: Imagem 08 – Biodigestor em processo de produção de gás 2 semanas após o início do processo.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

No dia 27/11, constando que não houve nenhum crescimento significativo do volume, foi efetuado o teste de demonstração averiguando se houve ou não a produção de gás, foi feito um vídeo de registro cujo as imagens a seguir foram retiradas:

Imagem 09 – Biodigestor instalado para o teste.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Averiguado a fixação de todos os componentes e prontos para efetuar o teste, como demonstra as imagens 09 e 10: Imagem 10 – Garantindo a fixação no fogão a gás.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Durante os testes chegamos ao resultado, uma chama pequena, porém de qualquer forma ainda efetiva, o que demonstra que houve a geração

de metano o gás resultante das interações químicas e degradação dos materiais ali presentes, a imagem 11 a seguir demonstra a queima de metano: Imagem 11 – Chama consequência da queima do metano proveniente do biodigestor.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Após os testes, registrou-se o volume no qual se encontra o biodigestor, contudo não houve mais queima dos gases presentes o que pode concluir que o que restou foi outros gases, como dióxido de carbono, imagem 12 a seguir: Imagem 12 – Biodigestor após o teste bem-sucedido.

Fonte: Feito pelos autores (2018).

Por fim, a altura final, pós teste denominado ℎ2 = 260𝑚𝑚 (duzentos e sessenta milímetros), adaptando a equação (5), temos que:

𝑉𝑔𝑓 = (𝑙 . 𝑝 . ℎ2 − ((

𝐿𝑑𝑒𝑠𝑐 . 𝑃𝑑𝑒𝑠𝑐 . ℎ2 ) . 4)) − 𝑉𝑏 2

(6)

Onde: 

𝑉𝑔𝑓 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑔á𝑠 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙;



ℎ2 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑝ó𝑠 𝑡𝑒𝑠𝑡𝑒.

Temos que 𝑉𝑔𝑓 = 0,000904 𝑚³ (nove décimo de milésimo quatro milionésimo de metros cúbicos) ou 0,904𝐿 (nove décimos e quatro milésimos de litro), contudo para chegar a uma estimativa de volume de metano utilizamos da fórmula (7): 𝑉𝑚 = 𝑉𝑔𝑖 − 𝑉𝑔𝑓

(7)

Onde: 

𝑉𝑚 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜.

Concluímos que o 𝑉𝑚 = 0,00113 𝑚³ (um milésimo, um décimo de milésimo e três centésimos de metros cúbicos) ou 1,13𝐿 (um inteiro, um décimo e três centésimos de litro) de metano produzido numa primeira análise, contudo destaca-se que não é um resultado conclusivo, por não haver todo controle necessário para estimativa conclusiva, porém, podemos determinar que qualquer teste sob as mesmas condições chegarão a resultados próximos. Para concluir, temos que a produção de gás metano proveniente do biodigestor desenvolvido foi em torno de % = 55,55% (cinquenta e cinco, cinco décimos e cinco centésimos de porcentagem), conforme a fórmula 8:

%=

𝑉𝑚 . 100 𝑉𝑔𝑖

Onde: 

% = 𝑝𝑜𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑣𝑒𝑛𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑎 𝑏𝑖𝑜𝑑𝑖𝑔𝑒𝑠𝑡ã𝑜.

(8)

4 CONCLUSÃO E DISCUSSÕES Podemos concluir que o trabalho em si foi bem-sucedido, conforme destacado houve um bom índice de produção de gás metano o que realmente nos deixou muito satisfeitos. Entendemos também que ao longo das 2 (duas) semanas decorridas o biodigestor esteve exposto ao ambiente, destacando a incidência de luz solar sobre tal e possivelmente foi uma das condições favoráveis que tornaram possível o desenvolvimento de partículas de metano a partir das bactérias metanogênicas anaeróbias. Um projeto simples sem custos provenientes, pois alguns materiais como, mangueiras, espigões, válvula e o adaptador, que foram utilizados são provenientes de outros projetos, e os galões foram encontrados abandonados pela rua. Enfim, os únicos gastos seriam algumas horas de elaboração e manufatura do projeto, o que realmente não se viu necessidade de ser levantado. Contudo, viu-se a necessidade de destacar que tal projeto não pode ser definitivamente conclusivo e pode ser levantado condições de melhora, pois até pequenos erros, como: 

Erro de Paralaxe, algo muito decorrente, pode ser evitado, contudo não descartamos sua presença devido a ferramentas rudimentares de medição utilizados;



Condições do ambiente que não foram totalmente controladas, até porque, houveram dias de sol (gera calor, favorável a produção de metano) e também dias de chuva (mantém o ambiente frio, não favorável a produção de metano);



Materiais orgânicos não triturados o que gera dificuldade e demora na interação química proveniente do ambiente isolado.

Concluindo, o trabalho desenvolvido foi satisfatório, apresentou bons resultados, entretanto a espaço para melhora e controle podendo chegar a resultados conclusivos e possivelmente melhores.

5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS TORTORA, G., FUNKE, B. AND CASE, C. (2017). MICROBIOLOGIA. 12TH ED. PORTO ALEGRE: ARTMED EDITORA LTDA, PP.2-806.