O controle da metanogênese é o ponto mais importante de qualquer tecnologia de biodigestor. Na maioria das vezes o principal argumento para a concepção de um projeto, é a produção de biogás. Isso independe do tamanho e valor do projeto. Mas nem todos conseguem gerar biogás com a mesma eficiência. Nem todos geram metano em quantidade considerável para demonstrar o sucesso do projeto.
Dentro do processo de biodigestão, são as bactérias da metanogênese as responsáveis pela geração de metano. Esse grupo de bactérias é extremamente sensível a mudanças de ambiente. Em projetos sem automação do processo, as mudanças ocorrem com mais frequência e as consequências ficam evidentes.
Biodigestores comerciais precisam comprovar o controle de sua eficiência. Os engenheiros precisam fazer os investidores sentirem segurança demonstrando a segurança da operação em diferentes fases da fermentação anaeróbia.
A geração de biogás acontece de forma simultânea e interdependente. Uma alteração em uma das fases pode afetar todo o processo de biodigestão. Apesar de acontecer de forma simultânea, a sequência para a geração de biogás segue as etapas Hidrólise, Acidogênese, Acetogênese, Metanogênese e também de Sulfatogênese. A maior parte das reações são catabólicas, ou seja, a formação de biomassa é muito baixa.
Entender o processo de fermentação anaeróbia é parte fundamental para futuros profissionais que pretendem trabalhar com tratamento de resíduos orgânicos.
O que é metanogênese?
A metanogênese é um processo biológico que ocorre na ausência de oxigênio e que é responsável pela produção de metano a partir de compostos orgânicos simples, como o ácido acético e o dióxido de carbono. Esse processo é realizado por microrganismos conhecidos como metanogênicos, que são capazes de converter esses compostos em metano.
Os metanogênicos são um grupo diverso de microrganismos que pertencem ao domínio Archaea. Eles são encontrados em ambientes anaeróbicos, como pântanos, lagoas, sedimentos e tratos gastrointestinais de animais. Esses microrganismos são importantes no ciclo global do carbono, pois convertem uma grande quantidade de matéria orgânica em metano.
O processo de metanogênese é dividido em três etapas principais. Na primeira etapa, a matéria orgânica é quebrada por bactérias anaeróbicas em compostos simples, como ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono. Na segunda etapa, os metanogênicos convertem esses compostos em metano e dióxido de carbono. Na terceira etapa, o metano é liberado para a atmosfera ou é utilizado por outros organismos como fonte de energia.
Além de ocorrer naturalmente em ambientes anaeróbicos, a metanogênese também pode ser utilizada em processos industriais de tratamento de resíduos. Nesses processos, os resíduos orgânicos são colocados em um ambiente anaeróbico controlado, onde são quebrados por bactérias anaeróbicas e, em seguida, convertidos em metano pelos metanogênicos. O biogás produzido pode ser utilizado como combustível ou como fonte de energia renovável.
Deste modo, a metanogênese é um processo biológico anaeróbico importante para o ciclo global do carbono e para a produção de energia renovável. Esse processo é realizado por microrganismos chamados metanogênicos, que convertem compostos orgânicos simples em metano. A compreensão da metanogênese e a sua utilização em processos industriais podem contribuir para a redução dos impactos ambientais e para a geração de energia limpa e renovável.
A metanogênese na Biodigestão Anaeróbia
Na metanogênese, o ácido acético, o hidrogênio e dióxido de carbono são finalmente convertidos em metano e gás carbônico através da ação de microrganismos metanogênicos atualmente classificados dentro do domínio das Archea, conhecido como distinto das bactérias devido suas características genéticas. As Archeas possuem características únicas e particulares que as permitem viver em ambientes específicos onde aceptores de elétrons como por exemplo oxigênio (O2) e Nitrato (NO3-) são ausentes ou existentes em baixas concentrações.
As Archeas são divididas em dois grupos principais em função de sua fisiologia. Enquanto os microrganismos metanogênicos hidrogenotróficos utilizam o hidrogênio e dióxido de carbono, os metanogênicos acetoclásticos utilizam basicamente o ácido acético e metanol para a geração de metano e gás carbônico.
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Metanogênicas acetoclásticas
Em se tratando de quantidades, com certeza as metanogênicas acetoclásticas estão em número muito menor. Os principais grupos representantes são as Methanosarcina thermophila, Methanosaeta e Methanohalophilus portucalensis. Apesar de ter menos representatividade nas Archeas, este grupo é responsável por cerca de 60 a 70% do metano produzido a partir do grupo metil do ácido acético. O grupo Methanosarcina thermophila tem como característica a utilização exclusiva de acetato enquanto que os outros grupos também podem utilizar hidrogênio e dióxido de carbono para a geração de metano.
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Metanogênicas hidrogenotróficas
Com exceção da Methanosarcina, praticamente todas as outras Archeas são capazes de produzir metano a partir de hidrogênio e gás carbônico, processo que libera uma maior quantidade de energia. Entre as famílias que se destacam podemos citar Methanosarcina, Methanohalophilus, Methanomicrobium, Methanoculleus, entre outras.
Segundo Bauer, em biodigestores com alta carga orgânica volumétrica que utilizam substratos de origem agrícola existem uma predominância de bactérias que utilizam o hidrogênio e dióxido de carbono para a geração de metano. Neste tipo de biodigestor somente fermentadores com relativa baixa carga orgânica volumétrica existe predominância de bactérias metanogênicas acetoclásticas. Em projetos de tratamento de esgoto sanitário com tecnologia biodigestão anaeróbia onde o logo é utilizado como substrato, cerca de 70% do metano é derivado de acetato enquanto que o restante do trabalho das bactérias metanogênicas hidrogenotróficas que produzem metano a partir de ácido acético e metano. (BAUER 2008).
Devido à pequena taxa de crescimento da população bacteriana da metanogênese, além da sensibilidade das bactérias às mudanças bruscas de ambiente, a metanogênese costuma ser a mais sensível de todas as fases da biodigestão. Por esta razão, os projetos de biodigestão anaeróbia precisam levar em consideração, acima de tudo, as condições ideias de meio ambiente para a fase da metanogênese e na medida do possível, tentar melhorar a eficiência de conversão das outras fases da biodigestão.
Como se controla a metanogênese em usinas de biogás?
O controle da metanogênese em usinas de biogás é um processo importante para garantir uma produção eficiente e estável de biogás. Existem várias estratégias que podem ser utilizadas para controlar a metanogênese em usinas de biogás, incluindo o controle da carga orgânica, a manutenção da temperatura adequada, o controle do pH e a adição de nutrientes.
O controle da carga orgânica é uma das principais estratégias utilizadas para controlar a metanogênese em usinas de biogás. A carga orgânica se refere à quantidade de material orgânico que é adicionado ao reator anaeróbio por unidade de tempo. Se a carga orgânica for muito alta, pode ocorrer uma acumulação de ácidos orgânicos no reator, o que pode inibir o crescimento dos microrganismos metanogênicos. Por outro lado, se a carga orgânica for muito baixa, pode haver uma baixa produção de biogás. Portanto, é importante manter uma carga orgânica adequada para maximizar a produção de biogás e minimizar a acumulação de ácidos.
A manutenção da temperatura adequada também é importante para controlar a metanogênese em usinas de biogás. A temperatura ideal para a metanogênese é de cerca de 35 a 40 graus Celsius, mas isso pode variar dependendo dos microrganismos presentes no reator. Se a temperatura for muito baixa, o crescimento dos microrganismos pode ser inibido, enquanto se for muito alta, pode ocorrer a morte dos microrganismos. Portanto, é importante manter uma temperatura adequada para maximizar a produção de biogás.
O controle do pH também é importante para controlar a metanogênese em usinas de biogás. A faixa ideal de pH para a metanogênese é de cerca de 6,5 a 7,5. Se o pH for muito baixo ou muito alto, pode ocorrer a inibição do crescimento dos microrganismos metanogênicos. Portanto, é importante monitorar o pH e adicionar soluções tamponantes para manter o pH adequado.
A adição de nutrientes também pode ser necessária para controlar a metanogênese em usinas de biogás. Os microrganismos metanogênicos precisam de nutrientes, como nitrogênio e fósforo, para crescer e se reproduzir. Se esses nutrientes estiverem em falta, pode ocorrer uma diminuição da produção de biogás. Portanto, é importante adicionar nutrientes ao reator para manter a produção de biogás.
O controle da metanogênese em usinas de biogás envolve várias estratégias, incluindo o controle da carga orgânica, a manutenção da temperatura adequada, o controle do pH e a adição de nutrientes. A aplicação dessas estratégias pode ajudar a maximizar a produção de biogás e minimizar os problemas operacionais.
Como a metanogênese compete com a sulfetogênese?
A metanogênese e a sulfatogênese são dois processos biológicos que ocorrem em condições anaeróbias (sem presença de oxigênio) e que são realizados por diferentes grupos de microrganismos. Enquanto a metanogênese é realizada por microrganismos metanogênicos, que convertem compostos orgânicos em metano e dióxido de carbono, a sulfatogênese é realizada por bactérias sulfato-redutoras, que convertem compostos orgânicos e sulfato em sulfeto de hidrogênio.
Esses dois processos competem pelo mesmo substrato orgânico, ou seja, ambos os grupos de microrganismos utilizam compostos orgânicos como fonte de energia e nutrientes. Se a carga orgânica é insuficiente para sustentar a atividade dos microrganismos metanogênicos, as bactérias sulfato-redutoras podem aproveitar a oportunidade para utilizar esses compostos e produzir sulfeto de hidrogênio em vez de metano.
No entanto, a sulfatogênese produz sulfeto de hidrogênio, que é tóxico para os microrganismos metanogênicos. Portanto, em condições favoráveis para a metanogênese, como pH neutro a ligeiramente alcalino e baixas concentrações de sulfato, os microrganismos metanogênicos são capazes de superar a competição das bactérias sulfato-redutoras e converter os compostos orgânicos em metano e dióxido de carbono.
Por outro lado, se as condições ambientais não são favoráveis para a metanogênese, como alta carga orgânica, baixo pH e alta concentração de sulfato, as bactérias sulfato-redutoras podem se tornar dominantes e inibir a atividade dos microrganismos metanogênicos, reduzindo assim a produção de biogás em um processo de digestão anaeróbia.
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Por isso, é importante controlar e monitorar as condições ambientais em usinas de biogás, para garantir condições favoráveis para a metanogênese e evitar a competição com a sulfatogênese. Além disso, a utilização de compostos orgânicos facilmente degradáveis e a utilização de tratamentos prévios, como a separação de sólidos e líquidos e a pré-hidrólise, podem ajudar a minimizar a competição entre a metanogênese e a sulfatogênese e melhorar a eficiência da produção de biogás.
Curiosidades da metanogênese
Ao contrário do que acontece na acetogênese, na metanogênese vemos uma grande quantidade de reações exotérmicas. A geração de metano a partir de hidrogênio e CO2 libera mais energia que a reação a partir de acetato.
Apesar das archeas metanogênicas acetoclásticas liberarem menos energia que as hidrogenotróficas, estas processam CO2 para a produção de metano. Isso ajuda na redução da quantidade final de gás carbônico do biogás gerado. Essa característica é explorada por tecnologias mais modernas para gerar biogás com um percentual cada vez maior de metano.
A formação de acetato se dá normalmente através da desidrogenação acetogênica de produtos resultantes das fases de hidrólise e fermentação. Também ocorre do processo inverso, da hidrogenação acetogênica a partir de hidrogênio e CO2 resultante do próprio processo de fermentação.(B. Machado 2016)
Fontes:
- B. Machado 2016: Bezerra Machado, Gleysson; Geração e Aproveitamento Energético do Biogás, PROJETO PROBIOGÁS 2016
- BAUER 2008: C.; Korthals, M.; Gronauer, A.; Lebuhn, M.: Methanogens in biogas production from renewable resources – a novel molecular population analysis approach. Water Sci. Tech. 2008, 58, No. 7, S. 1433–1439.
