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Projeto de Um Biodigestor Anaeróbico para Geração de Metano Através Da Decomposição de Resíduos Sólidos Gerados em Aviários
Projeto de Um Biodigestor Anaeróbico para Geração de Metano Através Da Decomposição de Resíduos Sólidos Gerados em Aviários
Projeto de Um Biodigestor Anaeróbico para Geração de Metano Através Da Decomposição de Resíduos Sólidos Gerados em Aviários
Itajaí
2019
LEONARDO TIZATTO WEINFURTER
Itajaí
2019
Dedico este trabalho aos meus pais que me deram o suporte, confiança para atingir este
objetivo.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais e minha irmã que sempre estiveram ao meu lado, principalmente nos momentos
difíceis e que hoje posso incluí-los nesta pequena frase, mas que encera um ciclo tão esperado.
Aos meus avós que como exemplo vem me inspirando seja na simplicidade ou na elegância.
Ao Vô Raul de onde surgiu minha primeira inspiração a escolher a engenharia. A Vó Jurema
que me ensinou a amar a pequenas coisas. Meus avós maternos que trago na memória e sinto
falta todos os dias. Ao Vô Tônico com seus discursos e sua pose me que inspiram a ser alguém
importante e buscar um sentido em meu caminho. E a Vó Carmita como uma segunda mãe me
acolheu, me confortou nos momentos em que eu havia perdido a fé em mim mesmo.
Agradeço a minha melhor amiga e minha companheira, Larissa, que toma minhas dores, escuta
meus pesares e me apoia em todos os momentos e decisões. Que me ajudou todo esse último
semestre ficando ao meu lado os finais de semana que tive que sacrificar estando ali para me
apoiar e não me deixar desistir.
Agradeço ao Professor Jhonatan pela coorientação, que de ultima hora se fez presente e ajudou
a me organizar em um momento essencial e que hoje me permite chama-lo de amigo. Que me
inspira por sua determinação e força de vontade.
Ao Professor Pedro por tirar dúvidas fora de hora, inclusive, chamar atenção sem mesmo
possuir a obrigação e por também se tornar outro amigo que espero ter por toda vida.
Ao meu Orientador Rodolfo que de ultima hora aceitou realizar a orientação em um assunto
que era desafio para ambos, mas em conjunto conseguimos superar. Agradeço a paciência pelas
correções minuciosas em um trabalho extenso e que sem sua ajuda seria muito mais difícil
concluir.
CAD Computer-Aided-Design
Ce Calor específico
CF Fator de Capacidade
E Energia
ei Espessura
F Força
h Altura
I Momento de Inércia
ki Condutividade Térmica
M Momento
ms Massa da cama
P Pressão
Pu Energia Líquida
PU Poliuretano
Qw Fluxo de Calor
r Raio interno
Ri Resistência Térmica
SV Sólidos Voláteis
t Espessura
T Tempo em horas
Te Temperatura Externa
temp Tempo
Ti Temperatura Interna
UV Ultravioleta
Vc Volume
V Vazão Volumétrica
VPL Valor Presente Líquido
Vr Volume do Biodigestor
α Ângulo
ΔT Variação de Temperatura
η Rendimento
σ Resistência a Tração
σl Tensão Longitudinal
σr Tensão Radial
ϒ Peso Específico
LISTA DE EQUAÇÃO
Equação 1. Carga Orgânica.......................................................................................................19
Equação 8. Calor Específico em função dos Sólidos Totais de um material orgânico ............71
Equação 19. Momento gerado em uma flexão apoiada em dois pontos ..................................75
1 INTRODUÇÃO
O Brasil é o segundo país com maior criação de frango no mundo, ficando atrás apenas
dos Estados Unidos, sendo o responsável pela maior exportação mundial, totalizando 4.320 mil
toneladas de frango exportadas e 13.056 mil toneladas produzidas (ABPA, 2018). O
Departamento de Avicultura dos Estados Unidos prevê que o mercado brasileiro cresça, em
2019, em torno de 1% no mercado interno e 2.9% no externo (ZAFALON, 2018). Neste
aspecto, são visíveis a importância e a dimensão da avicultura brasileira. Como qualquer setor
industrial, o setor avícola gera problemas, portanto, cuidados devem ser tomados, por se tratar
de um setor que gera poluentes que podem agredir o meio ambiente (VACARIN; WELTER,
2016).
O esterco gerado por aves possui nitrogênio, fósforo e potássio suficiente para fertilizar
espécies hortícolas, florestais, frutíferas e ornamentais (SEIFFERT, 2015). Os pisos de aviários
são constituídos por materiais absorventes como maravalha, serragem, sabugo de milho, entre
outros. Nesses materiais são depositados os excrementos das aves e este conjunto é comumente
chamado de cama. Esta, durante o seu uso, além de receber cargas de minerais, acumulam penas
e descamação de pele. A mortalidade em um aviário normalmente está em torno de 3% a 5%
sendo as carcaças dos frangos mortos, também um resíduo sólido gerado (VACARIN;
WELTER, 2016).
A criação de aves pode gerar problemas como a emissão de gases e poeira, devido à
grande quantidade de minerais existentes no piso do aviário e acúmulo de aves mortas
(VACARIN; WELTER, 2016). Sem um tratamento adequado, os dejetos da avicultura podem
degradar ecossistemas terrestres e aquáticos, além de trazer problemas de saúde às pessoas que
residam próximo aos aviários, devido à alta carga orgânica e de compostos tóxicos (TESSARO
et al., 2015). Além disso a taxa de degradação de resíduos sólidos é maior do que sua
decomposição natural (FIORE et el., 2008).
Para evitar os problemas ambientais gerados no setor avícola são usados tratamentos
que reduzem o potencial poluente e ou que alteram a composição orgânica inicial do resíduo.
Sistemas de reciclagem podem ser: lagoas de tratamento, compostagem e geradores de biogás
(SEIFFERT, 2015). Segundo Duarte Neto et al. (2010) materiais orgânicos que podem ser
transformados em energia térmica, mecânica ou elétrica são denominados de biomassa. Além
disso, agricultores tem como opção o uso dos resíduos sólidos transformados em insumo
21
Sendo assim, este trabalho busca explorar a biodigestão anaeróbica, que é um processo
de reciclagem da biomassa, resultando em biogás e biofertilizante. Segundo Tessaro et al.
(2015), a geração de biogás oferece uma solução de energia limpa, emitindo poucos poluentes
e podendo ser transformado o resíduo em energia térmica, elétrica e mecânica, além de resultar
o biofertilizante. Acredita-se que a proposta de um sistema de biodigestão da biomassa mais
eficiente, viável técnica e economicamente, e que atenda especificamente os anseios dos
produtores do setor da avicultura, seja de grande importância para o aumento do retorno
econômico associado à produção avícola. Além de garantir um sistema produtivo mais
sustentável.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
1.2 JUSTIFICATIVA
O uso de biodigestores pode solucionar a falta de disponibilidade de combustível em
regiões rurais, assim como diminuir o uso de lenha para queima (DURATE NETO et al., 2010).
Pode ainda, proporcionar conforto ao produtor, tendo a opção do uso de biogás como fonte para
outras atividades, como calefação, iluminação e acionamento de motores (DEGANUTTI et al.,
22
2002). Além disso, o biogás produzido, pode ser utilizado para aquecer o ambiente interno do
aviário, dentro do conforto necessário, podendo substituir outras fontes de calor (KUNZ;
OLIVEIRA, 2006).
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 DIGESTÃO ANAERÓBICA
A digestão anaeróbica é a fermentação de dejetos animais, resíduos vegetais e lixo
orgânico na ausência de ar (DEGANUTTI; PALHACI; ROSSI, 2002). A decomposição ocorre
devido a três grupos de microrganismos, são elas, bactérias fermentativas, acetogênicas e
metanogênicas. Elas são responsáveis pela dinâmica dos processos que irão acontecer em toda
digestão (GUNNERSON; STUCKEY, 1986).
A ação dos microrganismos produz metano, ele faz parte do biogás gerado, que também
é composto de dióxido de carbono (50% - 30%) (KUNZ; OLIVEIRA, 2006). Além do biogás,
um biofertilizante rico em nitrogênio também resulta como produto final (BALMANT, 2009).
Assim Mcdonnel et al. (2018) definem este processo como uma forma renovável para a
produção de energia.
Segundo Seadi et al. (2008), esta é a fase mais crítica, importante e demorada de todo
processo. Esta fase é alterada por diversos fatores, como a composição da matéria prima, taxa
de alimentação, temperatura e pH. Além disso, sobrecargas de biomassa, variações bruscas de
temperatura ou entrada de oxigênio em excesso inibem a produção. A Figura 1 ilustra o
processo da biodigestão anaeróbica.
O estrume animal tem vantagem como matéria prima devido a existência natural de
bactérias anaeróbicas. Possuem alto teor de água, agindo como solvente para outros substratos
e garantindo uma mistura adequada de biomassa. Além de ter baixo custo e alta acessibilidade
(SEADI et al., 2008).
𝑚.𝑐
𝐵𝑅 = (1)
𝑉𝑅
Onde
2.1.4 Inibidores
Segundo Boontian (2014), produtos inibidores ainda não são totalmente conhecidos.
Fungicidas e agentes antibacterianos podem ter efeito na digestão anaeróbica, porém a digestão
ainda consegue lidar com pequenas quantidades desses materiais (BURKE 2001).
Concentrações de sódio, potássio, cálcio e magnésio acima de 5000 ppm (5000 mg/L)
podem causar inibição da produção de biogás (PERSSON et al., 2016). Acetatos, propionato e
butirato são ácidos voláteis que podem ser inibidores quando se encontram em quantidades
altas. O propianato apresenta toxidade quando sua concentração fica acima de 1000 mg/L
(GUNNERSON; STUCKEY, 1986). Ácidos graxos voláteis intermediários como, ácido
acético, propiônico e butírico podem inibir a ação de bactérias metanogênicas em altas
concentrações como 4 g/L (BOONTIAN, 2014). O Quadro 2 indica valores dos principais
inibidores.
2.1.5 pH
Organismos metanogênicos são sensíveis a concentração de ácidos e bases e o seu
crescimento é favorecido em pH neutro (GUNNERSON; STUCKEY, 1986). O intervalo para
a formação de metano está entre 5.5 a 8.5, onde um intervalo ótimo seria, 7.0 a 8.0 para a
maioria das bactérias metanogênicas (SEADI, et al., 2008). Segundo o autor, na faixa do
processo mesofílico o pH deve estar entre 6.5 a 8 sendo que ele inibe o processo se abaixar de
6 ou passar de 8.3.
28
2.1.6 Temperaturas
Segundo Persson et al. (2016), em condições boas de temperatura, a produção de gás
pode começar em 4 dias. O crescimento de bactérias (Figura 3) está relacionado à temperatura
do composto, na faixa de 45 a 60 oC ocorre a digestão termofílica. Quando varia de 20 a 45 oC
tem-se a mesofílica. Abaixo de 20 oC tem-se a digestão psicrofílica e menos de 7 oC acontece
a inibição das bactérias anaeróbicas (CARON et al., 2009). Entre uma faixa de 40 a 50 oC as
bactérias metanogênicas não são ativas (BOONTIAN, 2014).
Apesar da fase termofílica produzir mais gases, a maioria dos materiais são digeridos na
fase mesofílica, podendo gastar menos com aquecimento (PERSSON et al., 2016). E o
rendimento metanogênico na fase mesofilica pode ser maior se a quantidade de sólidos voláteis
for maior (GUNNERSON; STUCKEY, 1986).
Um problema com a temperatura é que o inverno pode fazer com que a temperatura da
biomassa diminua dentro do biodigestor e reduzir a atividade dos microrganismos (KUNZ;
OLIVEIRA, 2006). Bactérias em biodigestores são resistentes à variações de temperaturas de
no máximo duas horas, retornando à produção normal de biogás se a temperatura for restaurada,
porém a redução de temperatura pode causar problemas no pH do processo (GUNNERSON;
STUCKEY, 1986).
31
2.1.7 Agitação
Agitação é necessário para misturar e distribuir os organismos uniformemente, também
ajuda a homogeneizar o aquecimento, reduz o tamanho das partículas e auxilia na retirada do
biogás de dentro da mistura (PERSSON et al., 2016). A figura 5 mostra uma comparação do
tempo relativo para redução dos sólidos voláteis em relação a temperatura, quando há agitação
e quando não há.
𝑉𝑅
𝑇𝑅𝐻 = (2)
𝑉
Onde
Quanto maior a carga orgânica, menor o tempo de retenção hidráulica. Além disso, o
tempo de retenção não deve ser maior que tempo de reprodução dos microrganismos, havendo
inibição da digestão (SEADI et al., 2008).
Quanto maior o tempo de retenção, maior será a redução de sólidos e maior a produção
de biogás (PERSSON et al., 2016). Segundo Farias et al. (2012) com um tempo de retenção de
no mínimo 42 dias o biofertilizante pode ser usado sem causar problemas ambientais ou de
saúde. Porém quando o tempo de retenção é muito alto, componentes tóxicos podem se
acumular (BOONTIAN, 2014). Segundo Burke (2001) existe uma relação direta entre o tempo
de retenção hidráulica e a quantidade de sólidos voláteis convertidos em biogás, como mostra
a figura 6.
Boontian (2014) afirma que o tempo para digerir os sólidos voláteis só é significante
após 12 dias, como é possível verificar na figura 6. O Quadro 2 mostra o tempo mínimo de
retenção, segundo as fases térmicas.
2.2 BIODIGESTORES
2.2.1 Características gerais
Biodigestores são câmaras fechadas onde é armazenado a biomassa para a fermentação,
sendo o gás resultante é acumulado em sua parte superior (DEGANUTTI et al., 2002). Eles
podem ser divididos em dois grupos, agrícolas e sanitários. Os reatores agrícolas são os mais
utilizados no Brasil, entre eles, pode-se citar o biodigestor indiano, chinês e de lona
(BALMANT, 2009). Biodigestores podem se diferenciar no tipo de alimentação, seu formato,
aquecimento e estágio (PEREIRA, 2017).
2.2.2 Batelada
Biodigestores em batelada operam com cargas descontínuas, essa característica é
necessária quando não há disponibilidade de matéria orgânica diária ou quando a produção de
biogás é baixa (DUARTE NETO et al., 2010). A biomassa é inserida no biodigestor até sua
total fermentação, sendo totalmente removida. São simples de serem construídos e são usados
com biomassas classificadas para digestão seca, mas, podem ser usados para combinar a
digestão úmida e seca, quando há a adição de água residual. (SEADI et al., 2008). Segundo
Persson et al. (2016) eles necessitam de pouca atenção diária. Sua produção de gás é desigual,
aumentando no começo da produção, e após um pico de produção, ela decai.
34
2.2.3 Contínuos
Biodigestores contínuos tem a alimentação diária de biomassa, sendo necessária sua
diluição em água para evitar entupimentos (DUARTE NETO et al., 2010). A biomassa é
adicionada em pequenas quantidades uma ou mais vezes por dia e a mesma quantidade é
retirada (PERSSON et al., 2016). Os tanques de biodigestores contínuos podem ser verticais,
horizontais ou múltiplos reservatórios (SEADI et al., 2008).
2.2.4 Estágios
Biodigestores podem ser construídos em um ou dois estágios, devido as fases de
formação de ácido e a fase de formação de metano. Quando separadas as fases em estágios
diferentes, a eficiência das bactérias pode aumentar. Os estágios podem ocorrer em dois
digestores separados ou em um contendo uma parede interna e uma passagem de fluxo
(PERSSON et al., 2016). A Figura 7 demonstra biodigestores em fases diferentes.
No seu interior há uma parede vertical que obriga a biomassa passar por todo o tanque
(DEGANUTTI et al., 2002). Isso é necessário quando o digestor tem uma razão de altura pelo
diâmetro muito grande. As paredes e chão são normalmente construídos de brita ou concreto
reforçado (GUNNERSON; STUCKEY, 1986). A Figura 8 ilustra um biodigestor indiano.
O biodigestor indiano é do tipo contínuo, ou seja, ele possui uma alimentação constante
de matéria prima, por este motivo é necessário que a concentração de sólidos totais não seja
superior a 8% para facilitar a circulação (DEGANUTTI et al., 2002).
Segundo Gunnerson e Stuckey, (1986) ele pode ser considerado como semicontínuo,
pois, sua alimentação é feita uma vez ao dia. Deganutti et al. (2002) define como contínuo,
39
sendo que a retirada de material acontece devido ao aumento da pressão interna com a produção
de gás. Na saída de material fermentado pode haver vazamento de gás em pequenas
quantidades.
Ele possui pás que fazem a agitação do material internamente. Na fase mesofílica a
digestão pode ocorrer em até 47 dias e na termofílica pode chagar a 15 dias (PERREIRA, 2017).
Em Biodigestores CSTR deve-se ter o cuidado não só com a vazão, como também o tempo de
retenção, devido ou efeito de lavagem das bactérias (BALMANT, 2009).
Ele pode fazer a redução da DQO em 92% em até 4 dias, tendo uma alta capacidade de
conversão e produção de metano (PERREIRA, 2017). Com a formação de lodos no biodigestor
o tempo de retenção pode acontecer em horas. A manta de logo que concentra as bactérias se
torna tão pesada que as vazões podem ser altas, aumentando a eficiência do processo, que irá
42
processar mais matéria em menos tempo (BALMANT, 2009). Como esse reator não usa filtros
ou filmes é possível usar resíduos com até 3% de sólidos (GUNNERSON; STUCKEY, 1986).
que se espera ou deseja, o que também irá causar perca de recursos necessários para realizar o
projeto (ROZENFELD et al., 2006).
Este processo depende do tipo de cliente que se irá trabalhar. Clientes anônimos são
aqueles identificados pelo setor de vendas ou planejamento de produto, são consumidores
indiretos que não tem o seu pedido incluso. Já os clientes específicos, envolvem os indivíduos
que fazem um pedido direto ou clientes que fazem parte de um grupo que tem um desejo em
comum (PAHL et al., 2007). Outra classificação para usuários apresentado por Back et al.
(2008) são, usuários internos, intermediários ou externos. Usuários internos são aqueles que
fazem parte da instituição onde o produto está sendo elaborado. Usuários intermediários são
aqueles responsáveis pela distribuição e setores de marketing. E usuários externos são aqueles
que irão consumir o produto, sejam eles, organizações ou pessoas, esses devem ser priorizados.
Para identificar as necessidades dos clientes pode-se recorrer a dois tipos de fontes de
pesquisa do mercado. A primeira se refere a pesquisas qualitativas, quantitativas e
experimentos. E a segunda são registros internos, dados publicados de uso comum e dados
padronizados de marketing. As fontes primárias têm contato direto com o consumidor, são elas
que irão dizer as reais necessidades dos clientes (ROZENFELD et al., 2006). Segundo Ulrich e
Eppinger (2012), a aplicação de uma metodologia para identificar as necessidades dos clientes
44
Para se realizar entrevistas pode-se seguir algumas regras para melhor atingir o seu
objetivo. Entrevistas individuais costumam há ter mais eficiência que em grupos. Elas devem
acontecer com 20 ou 30 usuários do mesmo grupo de Stakeholders. Se a entrevista for
conduzida pessoalmente é preferível que seja um membro da equipe que está desenvolvendo o
projeto. E a linguagem deve ser clara e objetiva para facilitar o entendimento e a resposta dos
entrevistados (BACK et al., 2008). As necessidades dos clientes normalmente estão ligadas as
fases do ciclo de vida do produto. É necessário realizar uma análise dos resultados das
necessidades obtidas para poder eliminar as semelhantes ou aquelas que tem pouca relevância
(ROZENFELD et al., 2006).
Segundo Rozenfeld et al. (2006), essa etapa do processo definirá, além das unidades,
valores mensuráveis que determinam o produto. Esses valores têm uma característica evolutiva,
elas podem mudar constantemente. A intensidade da mudança depende do ambiente em que
atuará, os competidores e os próprios clientes. Segundo Ulrich e Eppinger (2012), as
especificações do produto são informações traduzidas das necessidades dos clientes, que não
46
deixam margem para interpretações subjetivas, elas são formas por uma métrica e um valor
para esta.
Na figura 14 é possível ver as os parâmetros que entram na casa da qualidade, além dos
requisitos de usuário (Campo 1) e projeto (Campo 4) apresentado por Rozenfeld et al., (2006).
O Campo 2 (Importância) define-se um peso aos requisitos dos clientes, de forma a dar mais
importância, ou menos, para os mesmos. Campo 3 (Benckmarking) traz as características sobre
produtos concorrentes possibilitando a comparação entre as necessidades do projeto
desenvolvido com aqueles já existentes. Fatores como reclamações, importância, qualidade
desejada, taxa de melhoria, pontos fortes de vendas, podem ser adicionados para o QFD. A
Matriz de Relacionamento (Campo 5) mostrará a intensidade entre os requisitos de projeto e
requisitos de usuário. Os valores postos no campo 5 são quantificados, resultando no campo 6.
47
saídas que representam a função geral do problema. Que pode ser separada em sub funções
tornando-o mais específico. O autor indica que sejam criadas entre 3 a 10 sub funções no total.
A entrada e saída do sistema exemplificadas na Figura 16, são traduzidas como energia,
material e sinal. O sinal são informações recebidas que serão transportadas. Material é algo
físico e que sofrerá transformação ou será usado para realizar algum tipo transformação. E
energia, a entrada que irá realizar a transformação, como energia elétrica, cinética, magnética,
térmica, entre outras (ROZENFELD et al., 2006).
A função geral pode ser dividida em sub funções dentro de restrições, essas podem ter
ligações, podendo criar variáveis para o problema, desde que seja compatível. E devem seguir
uma sequência lógica. Além de sub funções é possível descrever funções auxiliares que ajudam
o sistema indiretamente (PAHL et al. 2007). Nesse processo é utilizado diagramas de blocos
que irão descrever todo o processo necessário para se obter a saída a partir da entrada
(ROZENFELD et al., 2006). Duas formas de decompor os sistemas em sub funções é, por
sequência de ação do usuário ou pelas necessidades dos clientes sobre o produto. A
decomposição por ação do usuário será baseada nos movimentos ou ações que ele realizará ao
fazer o uso do produto. Decomposição por necessidades é descrito as sub funções segundo o
que o usuário espera que o produto faça (ULRICH; EPPINGER 2012).
49
Uma das atividades importante é abstração do produto, lidando de uma forma geral e
não focada no particular. Isso possibilita mais concepções sobre aquilo que se quer e identifica
soluções fictícias. Nesse processo as soluções fictícias podem ajudar no emprego ou limitar o
uso de novas tecnologias, processos de fabricação ou descobertas cientificas (ROZENFELD et
al., 2006). Deste método pode-se focar em sub funções mais críticas do problema com intuito
de achar melhores soluções para elas, podendo ter resultados mais criativos ou novos.
Dos métodos intuitivos vale destacar o Brainstorming, que segundo Pahl et al. (2007),
pode-se considerar um fluxo gerador de novas ideias em grupo, que depende da memória e
associação do mesmo, em contextos não pensados antes. O método depende da composição do
grupo, da liderança, procedimento e validação. Indicado para um grupo pequeno de 6 pessoas
de áreas diferentes, sendo um moderador da equipe. As ideias que surgem devem ser abertas às
possibilidades, mas focado no problema. É importante que não haja julgamentos ou críticas às
ideias tidas no momento, para não retardar o processo criativo, apenas no final é que as soluções
são analisadas (ROZENFELD et al., 2006).
Na matriz determinada, são unidas a soluções para se gerar concepções diferentes para
o produto (ROZENFELD et al., 2006). Para facilitar a combinação das soluções de cada sub
função aconselha-se listar as sub funções na ordem de ocorrência e separadas de acordo ao
fluxo de energia material e sinal. As concepções podem ser representadas por imagens,
desenhos ou esboços para facilitar a visualização. Características importantes do princípio de
solução também podem ser representadas (PAHL et al., 2007).
Neste método utiliza-se uma concepção de referência também, em que este estará de
acordo a todos os critérios listados. Avaliação é feita por sinais, positivo (+), negativo (-) e
neutro (0). Quando um sinal positivo é atribuído a uma concepção em relação a um critério,
isso quer dizer que ela é melhor que a concepção referência. O sinal negativo é atribuído para
pior, e neutro para igual a referência (BACK et al., 2008).
Apesar de ser aconselhado que a viabilidade seja avaliada durante todo o processo, o
erro porcentual de realizar uma estimativa de custo na fase detalhada é de 5% enquanto nas
fases informacional, conceitual, preliminar são de aproximadamente 25%, 20% e 10%
respectivamente (BACK et al., 2007).
3 METODOLOGIA
Para a elaboração do projeto do biodigestor foram seguidos os passos da Metodologia
de Projeto Integrado de Produtos, seguindo a ordem de Projeto Informacional, Conceitual,
Preliminar e Detalhado apresentada por Back et al. (2008). As etapas da metodologia estão
demonstradas no fluxograma na Figura 20.
55
entrar em contato com eles, sem estarem presentes fisicamente. Conforme recomendado por
Back et al. (2008), é necessário que sejam entrevistados entre 20 e 30 pessoas por questionário.
sobre o mesmo, faz-se necessário, determinar suas dimensões físicas. Para isso serão realizados
cálculos dimensionais, desenhos no software Autodesk Inventor que possui as ferramentas
CAD/CAM para auxiliar neste processo. Realizada a avalição, pode-se realizar a consolidação
por meio da documentação de desenho técnicos, instruções de uso e a manutenção do sistema.
Esse processo inicia o Projeto Detalhado. Esse processo é demonstrado na Figura 23.
Esta solução é levada ao espectrômetro para a determinação dos metais bário, cálcio,
cádmio, chumbo, cromo, cobre, ferro, magnésio, manganês, sódio, potássio e zinco. Antes o
equipamento deve ser zerado para então realizar as leituras das absorbâncias. As curvas padrões
são feitas com regressão linear e as leituras são feitas para que fiquem dentro desta (ZENEBON,
2008).
𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑖𝑥𝑎
𝑉𝑃𝐿 = ∑𝑛𝑡=1 − 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑒𝑡𝑜 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 (3)
(1+𝑖)𝑡
Onde i são os juros aplicados ao investimento e t o intervalo de tempo que se deseja trabalhar.
Caso o VPL seja negativo pode-se determinar o TIR que é valor de juros que anula o valor
presente líquido determinado pela Equação 4:
𝐹𝑙𝑢𝑥𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑖𝑥𝑎
𝑉𝑃𝐿 = ∑𝑛𝑡=1 (4)
(1+𝑇𝐼𝑅)𝑡
.
60
4 RESULTADOS
o Vendabilidade;
• Obedecer às restrições do mercado;
o Impacto Ambiental;
o Transportabilidade;
o Armazenabilidade;
• Estar dentro de normas;
o Legalidade;
o Normatização;
o Segurança;
• Possuir manutenção simples;
o Montabilidade;
o Mantenabilidade;
• Ser de fácil operação;
o Usabilidade;
• Possuir um sistema de alimentação que possibilite automação ou operação manual;
• Não deve necessitar de acompanhamento contínuo;
Para cada requisito de usuário foram desenvolvidos diferentes Requisitos de Projeto, que serão
avaliados e priorizados. Cada requisito de usuário deve possuir ao menos um requisito de
projeto, visando atender e resolver ao máximo a abstração das necessidades dos clientes. Os
requisitos estão litados abaixo, junto com sua unidade de medida.
• Funcionabilidade;
o Vazão de entrada (m3/s);
▪ Taxa de volume por unidade de tempo da biomassa, que será alimentado
o biodigestor;
o Vazão de retirada (m³/s);
▪ Taxa de volume por unidade de tempo da biomassa, que será retirado do
biodigestor;
o Torque para fazer alimentação (N.m);
▪ Característica física que o sistema de alimentação, conjunto de motores,
bomba e mecanismos, terão que possuir;
o Torque para fazer retirada (N.m);
▪ Característica física que o sistema de extração, conjunto de motores,
bomba e mecanismos, terão que possuir;
62
Para realizar a avaliação da matriz foram usados os valores -1, 0 e 1, para atribuições das
correlações entre as necessidades e requisitos, sendo que, os montantes significam: (-1) não
importante ou retira valor do produto, (0) indiferente e (1) importante ou agrega valor.
Como resultado, para priorizar foram escolhidos os 20% mais pontuados, sendo eles:
Com a Síntese Funcional foi possível determinar a funções primitivas, todas aquelas que podem
ser solucionadas de forma única ou com sistemas únicos. Para isto foi analisado na Matriz
Morfológica as possíveis formas de solução, como indicado no Quadro 6.
Essas soluções são importantes para determinar as concepções que o produto deve ter.
Nela são combinadas diversas soluções diferentes, de forma lógica, obtendo produtos com
características distintas, porém que devem solucionar o problema proposto. Ao todo foram
elaboradas 7 concepções diferentes, ilustradas em desenhos representativos, como mostra a
Figura 26.
70
Concepção 6
Concepção 2
Concepção 4
Concepção 7
As concepções elaboradas ainda devem ser avaliadas, usando a Matriz de Pugh, que se
pode considerar semelhante à matriz QFD, relacionando as diferentes soluções em relação aos
requisitos de usuários. Além de avaliar as concepções entre si, uma opção é usar um modelo
como referência, que pode ser uma concepção ideal para o problema ou um sistema que já existe
no mercado. Para este trabalho foi considerado um sistema real que já é comercializado.
Como há dificuldade em analisar cada concepção diretamente, tento em vista que são
diferentes sistemas em conjunto, estes foram avaliados individualmente e para o resultado final,
feito a somatória do valor dado a cada conjunto. A avalição foi feita em comparação ao produto
existente. Foi atribuído a nota “1” quando o conjunto é melhor, “0” igual e “-1” quando pior. O
Quadro 7, ilustra a Matriz de Pugh com as somatórias realizadas, as avalições individuais estão
disponíveis no Apêndice B.
71
Para fermentação a seco, segundo Kunz, Steinmetz e Amaral (2019), é possível realizar
usando uma mistura de 50% de inóculo e 50% de matéria orgânica, em que o inóculo é um
composto já fermentado. Assim, se a adição de 100 m³ representa 50% do montante. O volume
mínimo do reservatório deve ser de 200 m³ para que comporte os 100 m³ de inóculo e biomassa
necessária para a fermentação. Portanto, optou-se pelo volume menor, não apenas por sua
dimensão, mas também para evitar o uso de água em grandes quantidades, como demonstrado
anteriormente.
O reservatório será composto de uma parede interna, um núcleo e uma parede externa.
Tanto a parede interna, quanto a externa, serão feitas do mesmo material. Objetivando diminuir
o custo, o material escolhido para elas, foi um laminado de fibra de vidro e resina epóxi éster
vinílica. Para a escolha do fabricante da resina, foi dada preferência aqueles que possuem dados
73
Figura 27. Tecido de fibra de vidro (A) e manta de fibra de vidro (B)
A B
𝑉𝑐 = 𝐴𝑏. ℎ (5)
𝐴𝑏 = 𝜋𝑟 2 (6)
𝑉𝑐
ℎ = 𝜋𝑟 2 (7)
Com o volume mínimo é de 200 m³, foram usados valores de 1 a 10, tanto para altura
quanto para o raio, separadamente, usando a ferramenta Excel para uma melhor visualização
dos seus valores possíveis. Os valores escolhidos foram arredondados para facilitar o processo
de dimensionamento. Assim a altura do reservatório ficou com 7,5 m e seu raio interno com
3m, como mostra a Quadro 8.
74
é possível observar nela, foram feitas flange em todas as extremidades com 100 mm para
facilitar a fixação posteriormente.
O núcleo do reservatório deve ser um material leve e que ajude no isolamento térmico.
Pesquisado e escolhido o material, de forma semelhante ao método de escolha da resina. O
núcleo selecionado fabricado pela Divinycell, PN80 indicado na Figura 29. Ele é uma placa de
espuma PET com dimensões de comprimento 800 mm e largura 600 mm, sua espessura pode
variar de 6, 10 e 15 mm. Para selecionar a espessura, foi realizada uma análise das condições
de temperatura do município tido como objeto de estudo para instalação do biodigestor.
Utilizando as equações descrita por Kunz, Steinmetz e Amaral (2019), foi possível determinar
a quantidade de calor necessário para perder 1°C do fluxo de calor pela parede e o seu tempo
de propagação.
E-composites (2019)
76
[𝑘𝐽]
𝐶𝑒 = 4,19 − 0,00275. 𝑆𝑆𝑇 [𝑘𝑔] . [°𝐶] (8)
Sendo o valor de sólidos totais da cama do aviário de 176,3323 g/L, o resultado do calor
específico é de 3,705086 𝑘𝐽/𝑘𝑔. °𝐶. Assim a quantidade de calor perdida é determinada da
seguinte forma:
𝑄1°𝐶 = 𝑚𝑠 . 𝑐𝑒 . ∆𝑇 (9)
Onde:
∆𝑇 ≡ 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 = 1 °𝐶
∴ 𝑄1°𝐶 = 272503,1207 𝑘𝐽
foram retiradas. Sendo assim, é possível determinar o fluxo para cada espessura do material
escolhido. O fluxo de calor é calculado pela equação:
𝐴.(𝑡𝑖−𝑡𝑒)
𝑄𝑤 = [𝑊] (10)
𝑅
1 1 1
= 𝑅𝑙 + 𝑅𝑛 (11)
𝑅
𝑒𝑖
𝑅𝑖 = 𝐾𝑖 [𝑚2 ]. [°𝐶]/[𝑊] (12)
Assim foi possível observar que as diferenças de tempo foram significativas. Como o
núcleo com 15 mm possui maior resistência térmica, e consequentemente, possui um fluxo de
calor menor, ele foi selecionado para compor a parede do reservatório.
As paredes externas terão as dimensões necessárias para cobrir o núcleo até os flanges
da parede interna. Sendo apenas uma superfície curvada. Como indicado na Figura 29.
Na tampa do reservatório haverá equipamentos, assim é preferível que ela seja plana.
De maneira semelhante, ela será composta por uma parte interna maior, um núcleo e a parte
externa. Sendo os materiais, os mesmos e de mesma espessura. A Figura 30 ilustra as partes da
tampa.
78
Para calcular a pressão interna no reservatório foi considerado o peso específico da biomassa,
em sua maior altura que se atinge no reservatório. Substituídos na equação a seguir:
79
𝑃 = 𝛾. ℎ (13)
Onde:
ℎ ≡Altura = 7,1 m
Resultando em:
𝑃 = 0,0375 𝑀𝑃𝑎
Para determinar as resistências mecânicas das paredes e tampa, foi considerada a regra
da mistura de massas. Com os catálogos dos fabricantes, da resina e do núcleo, foi obtida a
densidade de cada material (E-COMPOSITES, [20--]) (DERAKANE, 2002). A regra da
mistura é a soma entre as resistências de tração de cada parte multiplicado pela sua fração
mássica. Para determinar a massa de cada parte foi usado o Software Inventor para calcular o
volume, e sendo este multiplicado pela densidade. Já para determinar a resistência ao
cisalhamento, foi utilizado o critério de falha de Von Mises, em que, a resistência à tração é
√3
multiplicada por um fator igual a (NORTON, 2013) Os resultados das resistências à tração
3
O cálculo para vasos de pressão de paredes finas é definido por Riley, Sturges e Morris
(2007), onde, as tensões se distribuem radialmente (𝜎𝑟 ) e longitudinalmente (𝜎𝑙 ), não havendo
cisalhamento sobre a parede. As tensões para uma parede cilíndrica são representadas na
Equação 14 e 15.
𝑃.𝑟
𝜎𝑟 = (14)
𝑡
𝑃.𝑟
𝜎𝑙 = (15)
2.𝑡
Onde:
𝑟 ≡ Raio Interno = 3 m
80
𝑃.𝑟
𝜎𝑟 = 𝑡.cos(𝛼) (16)
𝑃.𝑟
𝜎𝑙 = 2.𝑡.cos(𝛼) (17)
Onde:
Além disto, os pesos acima de cada parede foram transformados em pressão, podendo
ser somado à tensão longitudinal. Os resultados das tensões e dos coeficientes de segurança
para cada caso são ilustrados na Tabela 3. Os coeficientes de segurança podem ser considerados
uma forma de incerteza quanto aos modelos analíticos, teorias de falhas e as propriedades dos
materiais. Sendo um critério para a qualidade do projeto (NORTON, 2013).
Onde:
𝜎 ≡ Resistência a Tração da Tampa = 136,94 MPa
𝑀 ≡ Momento Gerado pelo Peso
𝑐 ≡ Coordenada horizontal do centroide da tampa = 13,72 mm
𝐼 ≡Momento de Inércia do Perfil = 10679931,872 mm4
𝑙 ≡ Distância entre apoios = 6012,6 mm
O momento de inércia do perfil foi determinado utilizando o Software Inventor. A equação 18
foi substituída na 19 e a força isolada resultando na Equação 20.
4.𝜎.𝐼
𝐹= (20)
𝑐.𝑙
81
A força máxima encontrada foi de 7229 kgf e o coeficiente de segurança para o peso próprio
da tampa foi de 16,2.
Tabela 6. Resultados do procedimento para cálculo dos parafusos que fazem a ligação entre a parte
cilíndrica e cônica.
Fatores Valores
Número de Parafusos 18
Coeficiente de Segurança para Tração 2,3
Coeficiente de Segurança para Cisalhamento 6,6
Distância entre Centros [mm] 250
Fonte: Autor (2019)
Para a ligação entre a parte cilíndrica e a cônica houve um cuidado a mais, pois o
parafuso estaria sofrendo reações tanto para cisalhamento, quanto para tração. O número de
parafusos foi ajustado para aumentar o coeficiente de segurança para a tração, sendo que o
primeiro resultado calculado foi de 14 parafusos, porém o resultado do coeficiente de segurança
seria 1, sendo assim necessário seu aumento para 18.
Para as fixações da tampa foi calculado o número de parafusos necessários para resistir
a força máxima de flexão que a tampa pode sofrer. O resultado do cálculo obtido para a
quantidade de parafusos foi um número menor que 1, pois a resistência de um parafuso acabou
sendo maior que força aplicada sobre ele. Sendo assim foi alocado os parafusos apenas para
realizar a fixação, totalizando em 3 a cada seção, espaçados em 1200 mm.
Para fazer a sustentação do reservatório foi desenvolvida uma estrutura metálica externa
em que ele ficará fixo e apoiado. Essa estrutura deve suportar o peso do reservatório que será
dividido nas 4 colunas do suporte. O elemento principal foi dimensionado para suportar a
flambagem em seção mais curta de 3 m de um total de 6 m de comprimento. Os reforços foram
posicionados no meio de cada parte buscando evitar a flexão das mesmas, como mostra a Figura
33.
83
Figura 33. Conceito da estrutura metálica para sustentação do reservatório e regiões de união.
Como é possível observar a estrutura pode apresentar ainda uma fragilidade para a
laterais. Sendo assim foram adicionados dois elementos ligando cada pé, fazendo o travamento
e evitando o deslocamento dos mesmos. Para este elemento foi escolhido um perfil menor
possibilitando que a face que será cortado em ângulo, a ser soldado nas pernas, fique dentro dos
limites da geometria. O perfil escolhido foi o W200x86,0 (H). Na Figura 35 é representado a
estrutura contraventada.
85
A união entre os elementos, nos pontos A, B e C como mostra a Figura 36, será realizada
por meio de soldas. O eletrodo escolhido foi o E100, cujo a resistência ao cisalhamento é de
583 N/mm, quando possui uma perna de 5 mm, conforme especificado pela Norma ABNT NBR
8800 (2008) e Budynas e Nisbett (2011). Essa escolha deu-se através do dimensionamento da
resistência do cordão de solda e o espaço disponível para soldagem. Os resultados deste
dimensionamento são apresentados na Tabela 7. A Figura 34 ilustra os tipos de cordão de solda,
sua geometria e local.
Para fixar o reservatório foi elaborada conceitualmente uma chapa que aproveita a
furação entre a parte cônica e cilíndrica. Esse elemento deve ser soldado na estrutura e para
reforçar foi adicionada uma outra chapa representando uma mão francesa, como mostra a Figura
38.
Figura 39. Fluxograma para determinar as características geométricas, potência e torque para a
rosca transportadora.
apenas valores como diâmetro da rosca e passo. Sendo os outros consequentes destes, sem
possuir guia de dimensionamento como as empresas do Estados Unidos.
4.2.7 Agitador
A agitação mecânica dentro do biodigestor, por recomendação, deve ser realizada em
baixa rotação, entre 2 a 4 RPM (KUNZ; STEINMETZ; AMARAL, 2019). Não sendo uma
operação contínua, podendo ser de 1 a 10 vezes por dia, durante 5 a 60 minutos (DEUBLEIN;
STEINHAUSER, 2008). A Figura 40 ilustra um agitador conceitual, composto por dois
componentes para o biodigestor, sendo ele, composto de tubos vazados curvados na forma
helicoidal, possibilitando seu entrelaçamento.
89
um valor para a biodigestão da cama de aviário com inóculo com proporção de 1:1, de 0,04315
m³/kg de sólidos voláteis.
A estimativa de produção e venda de energia elétrica, foi usado como base o estudo
realizado por Ribeiro et al. (2016) para determinar a quantidade gerada. Para calcular a energia
líquida total do biogás (Pu) é necessário à produção média diária de gás (Q dia), o menor poder
calorífico do biogás (LCV) a eficiência do motor (η) assim como o tempo de operação (temp).
Esses valores substituídos na Equação 21, resultam em um montante de energia em MW/dia.
𝑄𝑑𝑖𝑎 .𝐿𝐶𝑉.𝜂
𝑃𝑢 = (21)
𝑡𝑒𝑚𝑝
𝑃𝑢 = 0,003574 𝑀𝑊/𝑑𝑖𝑎
91
Para determinar o consumo da energia elétrica produzida, foi usado como base um artigo
desenvolvido pelo Canal Rural, em que mostra um cenário crítico do aumento de consumo
energia elétrica por avicultores. Segundo o artigo, o consumo médio mensal de um aviário é de
2,15 MW.h. Subtraindo o valor produzido em um mês de 1,80 MW.h, o valor economizado na
conta de luz do avicultor seria de R$ 623,23.
Quadro 10. Fertilizantes com base em cama de aviário disponíveis para venda no mercado.
Valor
Produto Descrição do Fornecedor
[R$]/[T]
“Adubo orgânico é estocado em local coberto, preservando suas
Fertisol Fertilizantes 50,00
qualidades e maximizando o teor de seus nutrientes”
“Cama de aviário 100% pura, sem aditivos e sem misturas.
Cama de aviário
120 Produto direto de produtores, com período de alojamento de no
100% pura
mínimo 1 ano e meio”
“Fertilizantes tem como base o orgânico peletizado (cama de
TERRAPLANT 309 Aviário submetida a altas temperaturas para eliminar micro-
organismos)”
Fonte: MF RURAL (2019).
Fazendo uma média entre os dois produtos mais caros, considerando que o resultado do
biodigestor pode estar entre os dois produtos, o seu valor de venda seria R$ 274,50.
Considerando sua venda máxima o valor montante anual seria de R$ 475.800,30, sendo que
seriam produzidas 54,17 toneladas a cada 45 dias.
Sendo assim para fazer uma viabilidade econômica do projeto, será considerado a
economia na conta de luz e a venda de fertilizante anualmente. Usando a Equação 3 do Item
3.5, com uma taxa de juros da Selic de 5,5% ao ano (Banco Central do Brasil, 2019) e o VPL
igual a 0, é possível determinar um valor possível de investimento inicial. Os valores estão
descritos na Tabela 12.
5 Conclusão
Este trabalho permitiu obter conhecimento das necessidades dos clientes e conhecer a
realidade de seu nicho de mercado. O modelo teórico ideal proposto atende os requisitos
levantados por produtores funcionários e especialistas.
Portanto com base na conclusão e desenvolvimento deste trabalho, ficam como sugestões
de para trabalhos futuros:
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Determinação de resíduos (sólidos) - Método Gravimétrico. Rio de Janeiro: Abnt, 1989.
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99
APÊNDICE A. Questionários.
Para funcionários
Para proprietários
Para especialista
100
Robustez 1 1 1 0
Fabricabilidade -1 -1 -1 0
Vendabilidade 1 1 -1 0
Impacto Ambiental 1 1 1 0
Transportabilidade -1 -1 -1 0
Armazenabilidade 1 1 -1 0
Legalidade 1 1 -1 0
Normatização 1 1 -1 0
Segurança 1 1 1 0
Montabilidade -1 -1 -1 0
Mantenabilidade 1 1 -1 0
Fonte: Autor (2019).
Tabela 16. Matriz de Pugh para os tipos de armazenamento de gás.
Armazenar (Gás) Cúpula Internamente Tanque Gasômetro com água
Inflável externos
Funcionabilidade 0 0 1 -1
Ergonomicidade 0 1 1 1
Tempo 0 0 0 0
Confiabilidade 0 1 1 1
Robustez 0 1 1 1
Fabricabilidade 0 1 -1 -1
Vendabilidade 0 1 -1 -1
Impacto Ambiental 0 1 1 1
Transportabilidade 0 -1 -1 -1
Armazenabilidade 0 -1 1 -1
Legalidade 0 1 1 1
Normatização 0 1 1 1
Segurança 0 1 1 1
Montabilidade 0 1 1 1
Mantenabilidade 0 1 1 -1
Fonte: Autor (2019).
103
Quadro 14. Correção do diâmetro externo da rosca transportadora para adequar o volume transportado
indicado pelo fabricante.
Diâmetro da Rosca [in] 9
em [mm] 228,6
Diâmetro do Eixo [in] 1,5
em [mm] 38,1
Passo [in] 9
em [mm] 228,6
Volume Transportado em 1 RPM [ft³/h.RPM] 5,5
Fonte: Autor (2019).
Quadro 15. Correção da capacidade volumétrica da rosca transportadora.
Volume de Alimentação [m³] 100
Tempo de Operação [h] 8
Tipo de Rosca Comum
Coeficiente 1
Passo [in] 9
em [mm] 228,6
Volume Transportado em 1 RPM [ft³/h.RPM] 5,5
Capacidade Volumétrica [m³]/[h] 12,5
em [ft³]/[h] 441,4333
Velocidade do Transportador [RPM] 80,26
Fonte: Autor (2019).
Tabela 17. Dados para cálculo da potência torque necessários do motor e transmissão.
Fator para o Diâmetro 31
HFB 1
Comprimento do Transportador [m] 2
em [ft] 6,56168
Potência para Fricção [HP] 0,016326
Potência para o Material [HP] 0,097946
Correção [HP] 0,25
Eficiência 0,88
Potência [HP] 0,302643
Torque [lbs].[in] 237,6519
em [N].[m] 26,85106
Fonte: Autor (2019).
Tabela 18. Dados para cálculo da potência torque necessários do motor e transmissão para a rosca
transportadora de alimentação.
Fator para o Diâmetro 31
HFB 1
Comprimento do Transportador [m] 14,6
em [ft] 47,90026
Potência para Fricção [HP] 0,11918
Potência para o Material [HP] 0,715008
Correção [HP] 0,25
Eficiência 0,88
Ângulo do Transportador [°] 45
Coeficiente do Ângulo 2
Torque [lbs].[in] 552,5154
em [N].[m] 62,42586
Fonte: Autor (2019).
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