BR202021004757U2 - Sistema para a purificação de biogás obtido por meio de digestão anaeróbia de resíduos sólidos urbanos através da injeção em cultivo de microalgas - Google Patents

Abstract

O presente modelo de utilidade trata-se de um sistema contínuo para purificação de biogás produzido a partir de fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (RSU). Com a realização de cultivo de microalgas, será possível utilizá-las para remoção do gás sulfídrico (H2S) e do gás carbônico (CO2) presente no biogás bruto. A remoção é garantida devido a fotossíntese, processo bio-químico realizado pelas microalgas, onde ocorre a degradação de gás carbônico e água em oxigênio, sendo que essa quantidade de oxigênio será utilizada na reação química de oxidação do gás sulfídrico em sulfato, restando apenas o biogás purificado, contendo gás metano em maior proporção. O sistema contém uma coluna (1) onde 0 biogás bruto será injetado no cultivo. As impurezas do biogás são absorvidas, pelo meio líquido e o biogás limpo sairá por um tubo no topo da coluna. O meio de cultivo é injetado em uma segunda coluna (2), que coleta biogás purificado remanescente no sistema, através de uma tubulação na parte superior da coluna. O meio é bombeado para um fotobiorreator tubular (3), onde as microalgas realizarão a fotossíntese consumindo os nutrientes do meio líquido antes deste seguir para o tanque pulmão (4) e, na sequência, ser reinjetado no sistema.

Description

SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS CAMPO DA INVENÇÃO

[001] O presente modelo de utilidade fornece um sistema contínuo de purificação de biogás, obtido por meio da digestão anaeróbia da fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (RSU). O sistema propõe um método para a remoção do gás sulfídrico (H2S) e do gás carbônico (CO2) através da injeção do biogás em cultivos de microalgas presentes em uma coluna de absorção. Esse sistema visa a viabilização da utilização do metano contido no biogás em diversas aplicações, como combustível alternativo dos motores de combustão interna, turbinas acopladas a geradores de energia elétrica, bem como para a proteção e preservação de equipamentos contra a ação de agentes corrosivos.

FUNDAMENTOS PARA INVENÇÃO

[002] O biogás de aterros, esgotos e digestores anaeróbios de resíduos orgânicos possui uma mistura majoritária de metano, dióxido de carbono. No entanto, alguns outros compostos estão presentes, como sulfeto de hidrogênio, hidrogênio, hidróxido de amônia, oxigênio e monóxido de carbono (ADRIANI et. al. 2014). O metano poderia ser usado para produção de energia, podendo chegar a concentração de 90% v/v após um processo de purificação.

[003] Mesmo após remover o sulfeto de hidrogênio por meio da oxidação biológica, contato com líquidos quimicamente ativos, adsorção em carvão ativado, óxidos ou hidróxidos de metal e permeação de gás à base de membrana (MILTNER et. al. 2017), a concentração de CO2 ainda pode ser elevada no biogás refinado, o que diminui seu poder calorífico inferior e as emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos aumentam quando utilizadas em um motor de combustão interna.

[004] Altas concentrações de dióxido de carbono aumentam o preço do biogás pois limitam o armazenamento e transporte quando comparado ao gás natural fóssil para ser comprimido e transportado (KHAN et. al. 2017). Portanto, processos de captura de dióxido de carbono são necessários para obter um produto que pode ser consumido como combustível para motores de combustão interna, turbinas a gás e células de combustível, bem como para ser matéria-prima para a produção de hidrogénio (ZHOU et. al. 2017).

[005] Além disso, o dióxido de carbono sequestrado poderia ser utilizado como matéria-prima para transformações químicas, gerando produtos que agregam valor ambiental e econômico ao processo. Biologicamente, o dióxido de carbono é utilizado por microalgas durante a fotossíntese, e então processado para se tornarem compostos de alto valor agregado, por exemplo, bioetanol, biodiesel e aminoácidos (ARESTA, 2010).

[006] Diversas estratégias para o sequestro de dióxido de carbono foram desenvolvidas, incluindo métodos físicos, químicos e biológicos. Os processos não biológicos incluem: absorção de líquidos (ABDEEN et. al. 2016), adsorção (AUGELLETTI et. al. 2017), separação com membranas (MAKARUK et. al. 2010), separação de baixa temperatura (criogenia) (RYCKEBOSCH et. al. 2011) e metanação (GOTZ et. al. 2016).

[007] As microalgas fixam o dióxido de carbono em taxas mais altas do que as plantas terrestres, de modo que o conteúdo de dióxido de carbono do biogás pode ser efetivamente utilizado para a produção de biomassa de alta densidade (COSTA et. al, 2000). Portanto, entre todos os processos biológicos possíveis para o aproveitamento do biogás, o cultivo de microalgas mostra ser um dos mais promissores, uma vez que bioprodutos de alto valor agregado poderia ser derivado da biomassa na cogeração.

[008] No entanto, apesar de todos os avanços tecnológicos na área, como por exemplo a obtenção de biodiesel a partir da biomassa de microalgas ou o biohidrogênio produzido diretamente a partir do cultivo de microalgas, os custos de fabricação e operação de sistemas de produção de microalgas ainda são bastante elevados. Portanto, a produção de biomassa de microalgas e a remoção de nutrientes das águas residuais surgem como um caminho possível para melhorar a eficiência de grandes sistemas de crescimento de microalgas, eliminando assim a necessidade de uso do meio sintético. O método poderia purificar o biogás, reduzindo os custos de produção de biomassa e, além disso, possibilitar o tratamento de efluentes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] Os desafios para implementação prática bem sucedida de um sistema para purificação de biogás obtido por meio de digestão anaeróbia de RSU através da injeção em cultivo de microalgas são: a garantia da purificação do biogás (retenção/remoção de compostos do biogás, como o gás sulfídrico e dióxido de carbono), o crescimento de microalgas nas paredes dos tubos e incrustação.

[010] Os fotobiorreatores tubulares tem como vantagem sua alta superfície de iluminação e produção de biomassa, bem como seu baixo custo comparado a outros sistemas de produção de microalgas.

[011] Nos fotobiorreatores é possível controlar as condições de cultivo através de quantidade de nutrientes, temperatura, iluminação, pH etc. Isto implica uma elevada produtividade, viabilizando a produção comercial de uma série de compostos de elevado valor agregado.

[012] O biogás ao ser introduzido, em uma coluna de bolhas carregada com um meio de cultivo e microalgas, reduz os seus contaminantes presentes através do processo de absorção gás-líquido, promovendo a purificação deste biogás.

[013] O sistema é continuo ocorrendo assim um reaproveitamento do meio líquido e evitando o gasto excessivo de água. O meio é purificado por reações físico-químicas e pelo metabolismo das microalgas, permitindo assim um reaproveitamento do meio de cultivo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[014] A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras em anexo. Estas figuras são meramente ilustrativas, podendo apresentar variações, desde que não fujam do inicialmente pleiteado;

[015] A figura 1 mostra um desenho esquemático da vista isométrica do sistema completo e montado;

[016] A figura 2 mostra um desenho esquemático da vista traseira do equipamento, com foco no fotobiorreator (3);

[017] A figura 3 mostra um desenho esquemático da vista superior do equipamento;

[018] A figura 4 mostra um desenho esquemático da vista fontal do equipamento com foco no tanque pulmão (4);

[019] A figura 5 mostra um desenho esquemático da vista lateral direita do equipamento com foco nas duas colunas (1 e 2).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[020] De um modo geral, as formas de realização descritas aqui são dirigidas ao sistema para a purificação de biogás obtido por meio de digestão anaeróbica de resíduos sólidos urbanos através da injeção de cultivo de microalgas. Conforme necessário, as formas de realização do presente modelo de utilidade são divulgadas aqui. Entretanto, as formas de realização divulgadas são meramente exemplares, e deve ser entendido que o modelo de utilidade pode ser incorporado em muitas formas variadas e alternativas.

[021] As figuras não são para escala e algumas características podem ser exageradas ou minimizadas para mostrar detalhes e elementos particulares. Detalhes estruturais e funcionais específicos divulgados aqui não devem ser interpretados como limitantes, mas meramente como uma base para as reivindicações e como uma base representativa para mostrar a uma pessoa habilitada na técnica a empregar variavelmente o presente modelo de utilidade.

[022] Referindo-se a figura 1, é mostrado o sistema completo onde pode ser observado o posicionamento dos equipamentos, podendo-se observar as duas colunas (1 e 2) de absorção do biogás, três bombas (6,7 e 8) que mantem o meio de cultivo bombeado no sistema, fotobiorreator tubular (3) que permite a fotossíntese das microalgas, o suporte do fotobiorreator (5) e o tanque pulmão (4) que permite o armazenamento e estoque do meio.

MATERIAIS E MÉTODOS

[023] As microalgas Chlorella sp foram cultivadas em meio de cultivo do tipo BBM (Bold's Basal Medium) sob iluminação constante, fotoperíodo de 24h. Essa espécie foi escolhida pelo fato de já ter sido estudada e comprovada a remoção do gás sulfídrico (H2S) e do gás carbônico (CO2). A limpeza é garantida devido à realização da fotossíntese, processo bio-químico realizado pelas microalgas, onde ocorre a degradação de gás carbônico e água em oxigênio, essa grande quantidade de oxigênio será utilizada na reação química de oxidação do gás sulfídrico em sulfato. (RAMÍREZ RUEDA, et. al. 2020).

[024] Deve-se garantir uma limpeza significativa do biogás no meio de cultivo. Com o pH elevado devido ao processo biológico do sistema, o BBM favorece a captura de dióxido de carbono pelo sistema de carbonato, levando assim a possibilidade da substituição de água para meio de cultivo. (FERUCK, et. al. 2014)

[025] Uma retirada de 100% de gás sulfídrico e de 98% de dióxido de carbono foi relatada utilizando Chlorella, assim foi estudado que microalgas desse gênero não só providencia condições para a retirada de gás carbônico, mas também do gás sulfídrico. (MEIER, et. al. 2018).

[026] Com relação a temperatura os pesquisadores afirmam que a temperatura deve variar entre 25°C e 30°C, pois as microalgas podem apresentar uma restrição operacional se expostas a temperaturas mais baixas que as ideais, ao serem cultivadas em temperaturas ideais tentem a tolerar melhor altas intensidades de luz. (LARSDOTTER, K. 2006) alguns pesquisadores escolheram a temperatura de 30°C pois era a temperatura ambiente da localização e estava dentro da temperatura ideal. (RAMARAJ, et. al. 2016).

[027] O pH do sistema é alcalino >8.5 (GONZÉLEZ-SÁNCHEZ, POSTEN, 2017) podendo influenciar a disponibilidade de carbono, metabolismo e composição química das células das microalgas (RAMARAJ, et. al. 2016). O biogás é limpo por um sistema de absorção alcalino onde o CO2 e o H2S são transformados de forma eficiente na fase líquida e assim depende do pH para reagir para a forma de bicarbonato HCO3 e hidrossulfeto HS (GONZÉLEZ-SÁNCHEZ, POSTEN, 2017). O sistema neutraliza os componentes ácidos do biogás a partir do meio de cultivo alcalino das microalgas.

[028] A velocidade do sistema deve ser controlada para garantir que as microalgas permaneçam intactas com a pressão da movimentação do sistema, alguns pesquisadores utilizam uma vazão de 4.4 ± 1.7 L d (POSADAS, et. al. 2015). O fotobiorreator foi projetado para fornecer tempo de luz conforme os artigos pesquisados, 12h de luz em um dia. (BOHUTSKYI, et. al. 2019)

[029] Em relação ao cultivo em um sistema fechado ele favorecer por conseguir manter os problemas de contaminação, pH, temperatura e enriquecimento com dióxido de carbono controlados e assim manter as condições ideais controláveis mais lidáveis. (BEHERA, et. al. 2019)

[030] Para uma melhor eficiência do sistema foi implementado uma segunda coluna (2) para a recuperação de gases residuais que estejam dissolvidos no meio líquido evitando um desperdício de biogás no sistema.

[031] A coluna de bolhas é um equipamento que geralmente é constituído por uma coluna cilíndrica e possui um meio de injeção de gás em sua parte inferior. Este gás contido na base causa uma transferência de oxigênio e agitação no fluido, fazendo com que ocorra a operação de absorção transformando um componente de fase gasosa em um de fase líquida devido a difusão das moléculas de gás que se unem ao meio aquoso. (MELO, 2017). A limpeza do biogás é garantida a partir do volume de gás dissolvido em água em que o dióxido de carbono e o gás sulfídrico possuem uma solubilidade de 760 a (cm3 /L H2O/atm) e 2282 a (cm3 /L H2O/atm) respectivamente enquanto o metano possuí uma solubilidade de 30 a (cm3 /L H2O/atm), mostrando que o metano possuí baixa solubilidade em água favorecendo a captura dos outros gases pela água. (MAGALHÃES, et. al. 2004).

REFERÊNCIAS

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Claims (13)

1. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, caracterizado por um sistema de purificação do biogás bruto regeneração do meio líquido de lavagem, armazenamento do meio e das microalgas onde será possível a realização de fotossíntese, a reutilização do meio líquido com maior concentração de O2 dissolvido, para haver assim uma maior purificação gasosa.
2. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÃS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 1 é caracterizado por apresentar um sistema em regime contínuo onde o biogás será purificado por meio de borbulhamento do gás, num meio líquido, em uma coluna de bolhas, sendo que o meio será purificado por reações físico-química realizadas por microalgas.
3. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÃS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 2 é caracterizado pela disposição física do sistema contínuo com: uma coluna (1) para a absorção, contendo um meio de cultivo com microalgas por onde o biogás será borbulhado, uma bomba (8) que será responsável por transportar o meio de cultivo para a segunda coluna (2) onde o biogás devolvido que ainda permanece no sistema será coletado, uma bomba (6) que levará o meio líquido para um fotobiorreator tubular transparente (3) onde ocorrerá a fotossíntese pelas microalgas, reações de oxidação, degradação dos produtos (CO2 e H2S) e a regeneração do meio líquido para que assim ele possa ser depositado no tanque pulmão (6) e depois ser reinjetado no sistema por meio de uma bomba (7) que o levará novamente para primeira coluna.
4. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÃS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado pelas dimensões das duas colunas (1 e 2) de purificação do biogás bruto, que possuem 800mm de diâmetro e 3234mm de altura, a tubulação que recebe o biogás purificado localizado no topo das colunas, ligando-as, possui 2877mm de comprimento.
5. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado pelo fotobiorreator tubular (3) com 5155mm de comprimento e 1451mm de largura.
6. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado pelo tanque pulmão para armazenamento temporário do meio de cultivo antes da reinjeção no sistema.
7. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado pelas colunas (1 e 2) constituídas de aço inox na forma de cilindro, conectadas por uma tubulação de aço inox nas laterais onde será transportado o meio líquido com as microalgas por uma bomba (8).
8. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado pelas colunas (1 e 2) que possuem uma tubulação de aço em cada topo onde o biogás purificado é transportado para seu destino.
9. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado por uma tubulação de aço localizada na parte superior da coluna (1) onde o meio líquido é reinjetado no sistema.
10. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado por uma tubulação de aço localizado na parte inferior da coluna (2) onde o meio líquido é injetado no fotobiorreator por meio de uma bomba (6).
11. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÁS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 3 é caracterizado por um fotobiorreator tubular transparente (3) de policloreto de vinila, colocado em suportes de aço, onde as microalgas serão expostas à luz solar para a purificação do meio líquido por meio da fotossíntese.
12. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÃS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 11 o fotobiorreator fechado é caracterizado por tubos de policloreto de vinila transparente que permitem a incidência de luz em seu meio e assim, a fotossíntese pode ocorrer.
13. SISTEMA PARA A PURIFICAÇÃO DE BIOGÃS OBTIDO POR MEIO DE DIGESTÃO ANAERÓBIA DE RESÍDUOS SÓLIDOS URBANOS ATRAVÉS DA INJEÇÃO EM CULTIVO DE MICROALGAS, de acordo com a reivindicação 6 é caracterizado por um tanque pulmão sendo responsável pelo armazenamento e estoque temporário das microalgas durante funcionamento do sistema.

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