Laboratórios de Biogás do Brasil

Série Especial

Uma série de reportagens especiais com o objetivo de apresentar os principais laboratórios que atuam na área de digestão anaeróbia, caracterização de substratos e produção de biogás, localizados em diferentes regiões do Brasil.

Para trabalhar na área de recuperação energética de resíduos orgânicos por meio da digestão anaeróbia é imprescindível a instalação de um laboratório de biogás e biometano para realização de análises de caracterizações físico-química dos substratos, avaliação e cultivo de inóculos, assim como para a montagem de reatores anaeróbios em escala de bancada ou em escala piloto, com as mais variadas especificações operacionais.

Avaliar diferentes parâmetros bioquímicos possibilitam um controle rígido do bioprocesso, desta forma as plantas de biogás podem alcançar alto desempenho operacionais. Estruturar um laboratório na área de digestão anaeróbia amplia a capacidade de pesquisa e desenvolvimento, proporcionado segurança aos projetos de plantas de biogás e minimizando riscos do processos.

Há uma demanda crescente para analisar diferentes matérias-primas para produção de biogás e identificar o potencial bioquímico de metano, avaliar o desempenho de ensaios de biometanização e identificar os parâmetros operacionais que tornem o processo de produção de biogás mais eficiente, seguros e economicamente viáveis.

Afinal, o que é um Laboratório?

“De acordo com o conceito apresentado na Wikipédia, Laboratório é uma sala ou espaço físico devidamente equipado com instrumentos próprios para a realização de experimentos e pesquisas científicas diversas, dependendo do ramo da ciência para o qual foi planejado.

A importância do laboratório na investigação ou escala industrial em qualquer de suas especialidades, seja química, dimensional, elétrica, biológica, baseia-se no exercício de suas atividades sob condições ambientais controladas e normatizadas, de modo a assegurar que não ocorram influências estranhas que alterem o resultado do experimento ou medição e, ainda, de modo a garantir que o experimento seja repetível em outro laboratório e obtenha o mesmo resultado”.

Neste 2º Episódio da série temos o prazer de apresentar:

Laboratório de Bioengenharia e Tratamento de Águas e Resíduos (BIOTAR)

Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Para contar um pouco sobre o histórico de projetos desenvolvidos no laboratório BIOTAR, assim como dos processo de operação do laboratório, o Portal Energia e Biogás conversou com a profa. Dra. Tânia Forster Carneiro.

ENTREVISTA

Profa. Dra. Tânia Forster Carneiro

Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA)

Portal: A Unicamp possui algum laboratório específico que concentre as atividades de ensino e pesquisa na área de biogás?

Profa. Dra. Tânia:  A Unicamp não possui um laboratório específico e exclusivo para a área de biogás. No entanto, o laboratório de Bioengenharia e Tratamento de Águas e Resíduos – BIOTAR desenvolve atividades de pesquisa na área de biogás, principalmente com o foco na redução de resíduos orgânicos procedentes da indústria de alimentos, por meio do processo de digestão anaeróbia.

Portal: Quando o laboratório BIOTAR iniciou as atividades na área de digestão anaeróbia e produção de biogás?

Profa. Dra. Tânia:  O laboratório de Bioengenharia e Tratamento de Águas e Resíduos – BIOTAR iniciou as primeiras atividades na área de digestão anaeróbia em 2013.

Portal: Fale um pouco do histórico da estruturação do laboratório BIOTAR, quais foram os principais resultados com a pesquisa que possibilitou a expansão dos trabalhos?

Profa. Dra. Tânia:  Sobre nossos resultados, alguns trabalhos merecem destaques, como:

1) COORDENADORA DE PROJETOS FAPESP – Jovem Pesquisador 2 _ Título: Waste2energy: integração das tecnologias supercrítica e digestão anaeróbia através de um sistema automatizado para produção de precursores de biocombustíveis, 2020-2024;
2) COORDENADORA DE PROJETOS FAPESP – Auxílio Regular _ Título: Waste2energy: integração das tecnologías supercrítica e digestão anaeróbia para gestão de águas e resíduos alimentares, 2018-2020;
3) COORDENADORA DE PROJETOS FAPESP – Jovem Pesquisador 1 _ Título: Biorefinaria na indústria agroalimentar: reaproveitamento de resíduos para produção de novos compostos químicos e biohidrogênio, 2013-2018.

PATENTES APROVADAS

• • • BR 13 2021 015169 1 - Processo de separação de compostos provenientes de matrizes vegetais com detecção em linha; 
    • BR 13 2021 017402 0 - Sistema com reatores carregados em série de hidrólise em água subcrítica para produção de percursores de biocombustíveis e bioprodutos;
    • BR 13 2021 015169 1 - Processo de separação de compostos provenientes de matrizes vegetais com detecção em linha, 2021;
    • BR 10 2020 0237 57 - Processo de tratamento de resíduos sólidos por sequenciamento de reatores anaeróbicos, 2020;
    • BR 10 2020 017929 2 - Processo para a produção de etanol segunda geração, 2020;
    • BR 10 2020 017238 7 - Sistema bidimensional para a extração, purificação e análise de compostos bioativos, 2020;
    • BR 10 2019 027256 2 - Sistema e processo integrado sequencial de extração-hidrólise em água subcrítica de resíduos lignocelulósicos para obtenção de compostos bioativos e plataformas químicas, 2019;
    • BR 10 2015 031401 9 - Sistema integrado para a produção de biocombustíveis a partir de resíduos e uso, 2015
    • ES 2272157 - Sistema para el desarrollo simultáneo de ensayos de biodegradabilidad, 2006. 

Portal: O laboratório BIOTAR está vinculado a qual faculdade, cursos de graduação ou de pós-graduação?

Profa. Dra. Tânia:  O laboratório BIOTAR está vinculado a Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA) e atende aos alunos do Programas de Pós-Graduação (pesquisadores nível mestrado, doutorado e pós-doutorado).

Portal: Quantos colaboradores (entre docentes, técnicos de laboratório, bolsistas, estagiários, etc.) trabalham no laboratório BIOTAR?

Profa. Dra. Tânia:  Diversos alunos e pesquisadores já passaram pelo BIOTAR. Atualmente trabalham conosco nove alunos de pós-graduação.

Portal: Quais são as principais atividades de ensino, pesquisa e extensão desenvolvidas no BIOTAR, na área de digestão anaeróbia e biogás? Também fale sobre a importância do laboratório para o aprendizado/capacitação nas aulas experimentais.

Profa. Dra. Tânia:  A criação desta nova linha de pesquisa na Faculdade despertou o interesse de alunos de graduação (IC) e de pós-graduação do curso de Engenharia de Alimentos por abordar questões relacionadas a bioeconomia, bioenergia e tratamento de resíduos procedentes da indústria alimentícia. Assim, espera-se para os próximos anos uma boa expectativa e consolidação do nosso grupo de pesquisa e desta linha de pesquisa e que está diretamente associada a tecnologia de digestão anaeróbia. Pois se trata da principal tecnologia de tratamento de resíduos com alta carga orgânica, ou seja, justamente dos resíduos (líquidos e sólidos) procedentes da indústria de alimentos. A trajetória do grupo nucleado é positiva, os trabalhos realizados são inovadores e integrados dentro da faculdade e do programa de pós-graduação, sendo necessário continuar evoluindo e inovando e direcionando os trabalhos para estas áreas com maior potencial científico e tecnológico.
Gostaria de destacar os trabalhos de colaboração internacional com o prof. Michael Timko do Worcester Polytechnic Institute- WPI, Chemical Engineering Department, USA. O prof. Michael também trabalha com a tecnologia supercrítica e se mostrou interessado em estabelecer colaboração entre estudantes de graduação e pós-graduação. 
Foi estabelecido uma parceria da vinda de seis estudantes de graduação para desenvolvimento de pesquisa durante três meses todos os anos. Ademais, na área de digestão anaeróbia e estudos de pré-tratamento de biomassa lignocelulósica e análises técnico-econômicos e ciclo de vida a colaboração com a Dra. Solange Mussato (Dinamarca) e Dr. Ackmez (Mauritius) esta colaboração já exista há alguns anos, sendo bastante consolidada, e proximamente um estudante de mestrado que é co-orientado pela Dra. Solange irá solicitar estágio no exterior.

Portal: Quais são as linhas de pesquisa na área de produção de digestão anaeróbia e biogás em andamento?

Profa. Dra. Tânia:  Tecnologias de conversão de biomassa e reaproveitamento de resíduos procedentes da indústria de alimentos para a produção de novos produtos com aproveitamento energético estão emergindo, entre estas a tecnologia supercrítica que utiliza água como solvente em processo limpo e sustentável e a tecnologia de digestão anaeróbica mesofílica seca que valoriza águas residuárias e resíduos sólidos ao mesmo tempo que produz biogás (bio-hidrogênio/metano). Com o intuito de avaliar a integração destas tecnologias propõe-se a montagem de uma unidade experimental composta por reatores em série e em paralelo de hidrólise em água subcrítica e de digestão anaeróbia.

Portal: Qual a infraestrutura disponível no laboratório de Bioengenharia e Tratamento de Águas e Resíduos - BIOTAR?

Profa. Dra. Tânia:  O BIOTAR conta com uma estrutura física completa para a execução de experimentos relacionados a hidrólise em água subcrítica de biomassa lignocelulósica e digestão anaeróbia. Para digestão anaeróbia possuímos reatores com capacidade de 4 litros e 7 litros. O laboratório possui uma linha completa de equipamento como: 

• • • GC-FID-TCD: Cromatografia a gás (Gas Chromatography - GC), Detector de ionização por chama de hidrogênio (Flame Ionization Detector - FID), Condutibilidade térmica (Thermal Conductivity Detector - TCD);
    • HPLC-RID:  Cromatografia líquida de alto desempenho (High Performance Liquid Chromatography - HPLC) - Detectores de índice de refração (Refractive Index Detection - RID);
    • HPLC-UV: Cromatografia líquida de alto desempenho (High Performance Liquid Chromatography - HPLC) - Ultravioleta (Ultraviolet - UV);
    • Reatores de digestão anaeróbia (DA);
    • Planta de hidrólise em água subcrítica;
    • Equipamentos de bancada para realização de análises de açúcares, proteínas, alcalinidade, potencial hidrogeniônico (pH), Demanda química de oxigênio (DQO), lipídios, dentre muitas outras. 

Portal: Quais são os principais desafios para a equipe que atua com digestão anaeróbia e produção de biogás no laboratório BIOTAR?

Profa. Dra. Tânia:  A geração de águas residuárias e resíduos ocorre em diversos setores da indústria de alimentos tais como, lavagem de equipamentos, sistema de limpeza, produção de água e vapor, refrigeração, purga das caldeiras, moagem em geral e processamento de produtos.

No caso do processamento de frutos de açaí (Euterpe oleracea Martius), por exemplo, a parte do fruto que é utilizada no processamento representa em média apenas 10% em massa, e o restante trata-se da biomassa residual (caroço e borra), não existindo valorização a larga escala deste resíduo sólido com alto potencial energético.

• • • Sganzerla, W.G., Ampese, L.C., Parisoto, T.A.C. et al. Process intensification for the recovery of methane-rich biogas from dry anaerobic digestion of açaí seeds. Biomass Conv. Bioref. (2021). https://doi.org/10.1007/s13399-021-01698-1
    • MACIEL‐SILVA, Francisco W. et al. Sustainable development in the Legal Amazon: energy recovery from açaí Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2021. https://doi.org/10.1002/bbb.2222
    • FERREIRA, Samuel F. et al. Waste management and bioenergy recovery from acai processing in the Brazilian Amazonian region: A perspective for a circular economy. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, v. 15, n. 1, p. 37-46, 2021. https://doi.org/10.1002/bbb.2147
    • MACIEL-SILVA, Francisco W.; MUSSATTO, Solange I.; FORSTER-CARNEIRO, Tânia. Integration of subcritical water pretreatment and anaerobic digestion technologies for valorization of açai processing industries residues. Journal of cleaner production, v. 228, p. 1131-1142, 2019. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.04.362

Na produção de sucos e subprodutos cítricos (óleo essencial, farelo de polpa, pulp-wash, d-limoneno) a casca de laranja se caracteriza por ser o resíduo orgânico gerado em maior quantidade e as águas pretas do lavador, águas amarelas da etapa de óleo essencial, águas de lavagem do condensado vegetal os resíduos líquidos são os mais importantes (Macagnan et al., 2015; Santos et al., 2015). Por outro lado, frutas em geral são usadas para a elaboração de sucos e doces, e de seus resíduos pode-se extrair compostos bioativos e de atividade antioxidante, proteínas ou pode-se produzir biocombustíveis de forma sustentável.

• • • LACHOS-PEREZ, D. et al. Subcritical water extraction of flavanones from defatted orange peel. The Journal of Supercritical Fluids, v. 138, p. 7-16, 2018. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2018.03.015
    • JIMÉNEZ‐CASTRO, Maria P. et al. Bioenergy production from orange industrial waste: a case study. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, v. 14, n. 6, p. 1239-1253, 2020. https://doi.org/10.1002/bbb.2128
    • JIMENEZ-CASTRO, Maria Paula et al. Two-stage anaerobic digestion of orange peel without pre-treatment: Experimental evaluation and application to São Paulo state. Journal of Environmental Chemical Engineering, v. 8, n. 4, p. 104035, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104035

No processo industrial de produção de cerveja, o resíduo final mais importante é o bagaço de malte, material insolúvel constituído essencialmente pela casca do malte de cevada, que é separado do mosto e representa cerca de 85% dos subprodutos do processo, ou seja, em média na produção de 100 litros de cerveja são gerados 20 kg de bagaço (Mussatto et al., 2006; Mussatto, 2014). 

• • • SGANZERLA, William G. et al. A bibliometric analysis on potential uses of brewer's spent grains in a biorefinery for the circular economy transition of the beer industry. Biofuels, Bioproducts and Biorefining, 2021. https://doi.org/10.1002/bbb.2290
    • SGANZERLA, William Gustavo et al. Techno-economic assessment of subcritical water hydrolysis process for sugars production from brewer’s spent grains. Industrial Crops and Products, v. 171, p. 113836, 2021. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.113836
    • SGANZERLA, William Gustavo et al. Techno-economic assessment of bioenergy and fertilizer production by anaerobic digestion of brewer’s spent grains in a biorefinery concept. Journal of Cleaner Production, v. 297, p. 126600, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126600
    • TORRES-MAYANGA, P. C. et al. Subcritical water hydrolysis of brewer’s spent grains: Selective production of hemicellulosic sugars (C-5 sugars). The Journal of Supercritical Fluids, v. 145, p. 19-30, 2019. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2018.11.019

Adicionalmente, no processamento de carnes de aves, a farinha de penas atual não apresenta boa qualidade nutricional pois a etapa de secagem danifica a proteína do produto final.

• • • ZIERO, Henrique Di Domenico et al. An overview of subcritical and supercritical water treatment of different biomasses for protein and amino acids production and recovery. Journal of Environmental Chemical Engineering, p. 104406, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104406

Outros resíduos da indústria de alimentos também foram avaliados no BIOTAR apresentando eficiência de tratamentos ao mesmo tempo que se produz energia (biogás) ou biocombustível: resíduos do processamento de café (Torres-Mayanga et al. 2017; Pinto et al., 2021), cascas de macaúba (Ampese et al., 2021a; Ampese et al., 2021b), e vinhaça e bagaço e palha de cana de açúcar (Marinez-Jimenez et al., 2017; Buller et al., 2020).

• • • MAYANGA-TORRES, P. C. et al. Valorization of coffee industry residues by subcritical water hydrolysis: recovery of sugars and phenolic compounds. The Journal of Supercritical Fluids, v. 120, p. 75-85, 2017. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2016.10.015
    • PINTO, Maria Paula Maciel et al. Co–digestion of coffee residues and sugarcane vinasse for biohythane generation. Journal of environmental chemical engineering, v. 6, n. 1, p. 146-155, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jece.2017.11.064
    • AMPESE, Larissa Castro et al. Valorization of Macaúba husks from biodiesel production using subcritical water hydrolysis pretreatment followed by anaerobic digestion. Journal of Environmental Chemical Engineering, v. 9, n. 4, p. 105656, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105656
    • AMPESE, Larissa Castro et al. Macaúba’s world scenario: a bibliometric analysis. Biomass Conversion and Biorefinery, p. 1-19, 2021. https://doi.org/10.1007/s13399-021-01376-2

Portal: Qual é a importância estratégica do laboratório BIOTAR para o desenvolvimento da região metropolitana de Campinas e a proximidade com as regiões metropolitana de Sorocaba e de São Paulo?

Profa. Dra. Tânia:  O BIOTAR está numa localização privilegiada, situado nas proximidades de diversas indústrias de alimentos. O que oportuniza a possibilidade de cooperação para pesquisas e desenvolvimento.

Portal: Quais as principais contribuições que a universidade pode ou poderá contribuir para desenvolvimento regional e nacional, na área de biogás?

Profa. Dra. Tânia:  Incentivar o aproveitamento energético nas indústrias, com TRATAMENTO DE RESIDUOS PLANO NACIONAL = NÃO ATERRO --- COMPOSTAGEM E DIGESTÃO ANAERÓBIA.

Portal: Quais são e quando ocorrem os processos de admissão de alunos na  universidade para os cursos de graduação, pós-graduação ou outros cursos vinculados ao laboratório?

Profa. Dra. Tânia: Curso de Engenharia de Alimentos: acesso Março e Agosto/ano.

Portal: O laboratório presta serviços de análises para empresas?

Profa. Dra. Tânia: Não há prestação de serviços de análises de substratos, análises de biogás ou ensaios de digestão anaeróbia para empresas.

Portal: O laboratório desenvolve pesquisa em cooperação com empresas?

Profa. Dra. Tânia:  Sim, trabalhamos com a possibilidade de convênios de cooperação e parcerias para inovação, com empresas interessadas em pesquisa, desenvolvimento e inovação.

Portal: Quais os canais de contato com BIOTAR e a coordenação do laboratório?

Profa. Dra. Tânia:  Para quem tiver interesse em falar conosco ou acompanhar nosso trabalho, segue os nossos canais de comunicação e as redes sociais do laboratório, onde sempre postamos assuntos relacionados com nossas pesquisas:

• • • Site:  https://www.fea.unicamp.br/ 
    • Facebook: https://www.facebook.com/Biotar-1708913342723131/ 
    • Instagram: https://www.instagram.com/biotar.unicamp/  
    • Endereço: Rua Monteiro Lobato, CEP 13083-862, Campinas – SP
    • Telefone: +55 19 3521-4050
    • Evento: 2nd International Workshop Waste 2 Energy, com o tema "Bioenergy Recovery from Anaerobic Digestion for a Circular Economy Transition". Quando: 8 e 9 de novembro de 2021. Informações e inscrições, clique aqui.

AGRADECIMENTOS

O Portal Energia e Biogás agradece em nome da Profa. Tânia Forster Carneiro e a todos os integrantes da equipe do BIOTAR pelas valorosas contribuições para desenvolvimento dessa reportagem. 

Aguarde!

Em breve novos episódios da série com destaque para laboratórios de digestão anaeróbia e produção de biogás, em diferentes regiões do Brasil.

Gostou do assunto?

Quer saber mais sobre o biogás no Brasil?