Aproveitamento energético da vinhaça gerada na produção de bioetanol a partir da batata-doce : digestão anaeróbia para geração de biogás

Abstract

A busca por fontes renováveis de energia tem impulsionado o desenvolvimento de rotas tecnológicas sustentáveis para a valoração de resíduos ambientais agroindustriais. No cenário da produção de bioetanol hidratado a partir da batata-doce (Ipomoea batatas L.), a operação da planta industrial projetada para Sertão Santana - RS resulta na geração da vinhaça, um efluente do processo da destilação de elevada carga orgânica e alto potencial poluidor. O objetivo geral consistiu em dimensionar um biorreator para tratamento desse efluente via biodigestão anaeróbia e avaliar o potencial de integração energética do biogás gerado para suprir as demandas elétricas e térmicas da própria usina. A metodologia baseou-se em uma revisão sistemática da literatura para a coleta e normalização de dados de efluentes amiláceos e sacarinos, quais sejam: a Demanda Química de Oxigênio (DQO), o teor de metano no biogás, o potencial metanogênico, o tempo de retenção hidráulica (HRT) e o tipo de reator utilizado. A partir da análise de dispersão dos dados por meio de análise gráfica, adotou-se uma abordagem conservadora, considerando o cenário mais crítico, para segurança de processo, fixando a Demanda Química de Oxigênio (DQO) afluente em 43.800 mg/L e o potencial metanogênico em 0,21 m³/kg DQO. Para a tipologia do biorreator, a configuração Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) foi selecionada para o estudo de caso. A escolha baseou-se nos dados da literatura, os quais demonstraram que o modelo UASB apresenta o melhor equilíbrio técnico-econômico, com potencial metanogênico de 0,316 m3/kg DQO em um baixo HRT de 4 dias. Para tratar uma vazão de 17.130 kg/dia (16,66 m³/dia) de vinhaça, estabeleceu-se um Tempo de Retenção Hidráulica (HRT) de projeto de 15 dias, definido de forma conservadora com base no limite máximo identificado na revisão sistemática realizada, resultando em um volume útil de reator de 249,95 m³. O memorial de cálculo indicou uma carga orgânica mássica de 729,86 kg DQO/dia e uma produção diária de 156,92 m³ de biogás. Na análise de integração energética, a conversão do metano via motor-gerador Ciclo-Otto gerou 329,53 kWh/dia de eletricidade útil, representando uma economia financeira anual de R$ 89.388,54 com utilidades externas. Paralelamente, o aproveitamento térmico na área de utilidades demonstrou capacidade para suprir 18,24% da demanda de calor requerida no refervedor da coluna de destilação. Com isso, o trabalho evidencia o potencial de valorização da vinhaça de batata-doce, demonstrando que um efluente que seria descartado como passivo ambiental pode ser integrado ao processo como um importante ativo estratégico de eficiência e recuperação energética para a planta industrial.

The search for renewable energy sources has driven the development of sustainable technological pathways for the valorization of agro-industrial environmental residues. In the scenario of hydrated bioethanol production from sweet potato (Ipomoea batatas L.), the operation of the industrial plant designed for the municipality of Sertão Santana - RS results in the generation of vinasse, a distillation process effluent characterized by a high organic load and high polluting potential. The general objective consisted of sizing a bioreactor for the treatment of this effluent via anaerobic digestion and evaluating the energy integration potential of the generated biogas to meet the electrical and thermal demands of the mill itself. The methodology was based on a systematic literature review for the collection and normalization of data on amylaceous and saccharine effluents, namely: Chemical Oxygen Demand (COD), methane content in the biogas, methanogenic potential, hydraulic retention time (HRT), and the type of reactor used. Based on the dispersion analysis of the data through graphical analysis, a conservative approach was adopted, considering the most critical scenario for process safety, fixing the affluent Chemical Oxygen Demand (COD) at 43,800 mg/L and the methanogenic potential at 0.21 m³/kg COD. For the bioreactor typology, the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) configuration was selected for the case study. The choice was based on literature data, which demonstrated that the UASB model presents the best technical-economic balance, with a methanogenic potential of 0.316 m³/kg COD at a low HRT of 4 days. To treat a flow rate of 17,130 kg/day (16.66 m³/day) of vinasse, a design Hydraulic Retention Time (HRT) of 15 days was established, conservatively defined based on the maximum limit identified in the systematic review performed, resulting in a reactor working volume of 249.95 m³. The calculation memorial indicated a mass organic load of 729.86 kg COD/day and a daily production of 156.92 m³ of biogas. In the energy integration analysis, the conversion of methane via an Otto-Cycle engine-generator set generated 329.53 kWh/day of useful electricity, representing an annual financial savings of R$ 89,388.54 with external utilities. Concurrently, the thermal exploitation in the utilities area demonstrated the capacity to supply 18.24% of the heat demand required in the distillation column reboiler. Thus, this study highlights the valorization potential of sweet potato vinasse, demonstrating that an effluent that would be discarded as an environmental liability can be integrated into the process as an important strategic asset for efficiency and energy recovery in the industrial plant.