Produção de biochar a partir de resíduos alimentícios por pirólise lenta e análise do seu potencial como combustível sólido

Abstract

Resumo: O crescente aumento na produção industrial resulta em uma maior geração de resíduos em diversos processos, o que, aliado à demanda crescente por energia e à preocupação com os impactos ambientais do uso excessivo de combustíveis fósseis, impulsiona a busca por alternativas sustentáveis. Este trabalho avalia o potencial de uso de biochar obtido a partir da pirólise lenta de resíduos alimentícios, especificamente chocolate e wafer, como fonte de energia. Empregando um planejamento experimental do tipo Box-Behnken, foram gerados quinze biochars sob diferentes condições de pirólise, variando a temperatura (350, 450 e 550 °C), o tempo de residência (0, 60 e 120 minutos) e o tipo de biomassa, mantendo uma taxa de aquecimento de 10 °C/min e um fluxo constante de nitrogênio. As biomassas foram caracterizadas por meio de análises de umidade, cinzas, termogravimetria e determinação do poder calorífico superior (PCS). Os biochars selecionados, com base nos resultados do planejamento experimental, passaram por avaliações de rendimento em massa, PCS, poder calorífico inferior (PCI), densificação energética, rendimento energético, análise elementar, teor de umidade e cinzas e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Os resultados indicaram que os biochars apresentaram um PCS elevado, com a menor média de 27,371 MJ kg?¹ para a biomassa de chocolate processada a 350 °C e a maior média de 32,688 MJ kg?¹ para a mesma biomassa a 550 °C, ambas com tempo de residência zero e o PCI dos biochars variou de 26,97 MJ kg?¹ a 32,31 MJ kg?¹. A análise elementar indicou teores de carbono entre 47,04% e 76,02%, hidrogênio entre 5,82% e 6,71% e nitrogênio entre 0,77% e 3,76%, evidenciando o potencial energético dos combustíveis sólidos. Quando comparados com a literatura, os biochars produzidos apresentaram valores de PCS e PCI superiores aos reportados para biochars obtidos a partir de resíduos industriais, estróbilus, pellets, bagaço de cana-de-açúcar, entre outros. A análise estatística revelou, com um nível de significância de 95%, que apenas a interação entre tempo e temperatura foi estatisticamente relevante. O rendimento em massa variou de 20% a 82%, dependendo das condições de pirólise. Observou-se um ganho energético de até 42,17% em relação à biomassa, sendo o maior rendimento energético alcançado de 91,90%. A estimativa de custo de produção em escala laboratorial variou entre R$ 1,08·kg?¹ e R$ 9,80·kg?¹, equivalendo ao caso mais favorável a R$ 1.080·tonelada?¹. Conclui-se que a conversão de resíduos da indústria alimentícia em biochar alia eficiência energética, viabilidade econômica e benefícios ambientais, configurando-se como uma estratégia sustentável de aproveitamento energético

Abstract: The growing increase in industrial production results in greater generation of waste in several processes, which, combined with the rising demand for energy and concerns about the environmental impacts of excessive fossil fuel use, drives the search for sustainable alternatives. This work evaluates the potential use of biochar obtained from the slow pyrolysis of food industry residues, specifically chocolate and wafer, as an energy source. Using a Box–Behnken experimental design, fifteen biochars were produced under different pyrolysis conditions, varying temperature (350, 450, and 550 °C), residence time (0, 60, and 120 minutes), and biomass type, while maintaining a heating rate of 10 °C/min and a constant nitrogen flow. The biomasses were characterized through analyses of moisture, ash, thermogravimetry, and higher heating value (HHV). The biochars selected, based on the experimental design results, were further evaluated for mass yield, HHV, lower heating value (LHV), energy densification, energy yield, elemental analysis, moisture and ash content, and scanning electron microscopy (SEM). The results indicated that the biochars exhibited high HHV, with the lowest average of 27.371 MJ kg?¹ for chocolate biomass processed at 350 °C and the highest average of 32.688 MJ kg?¹ for the same biomass at 550 °C, both at zero residence time. The LHV of the biochars ranged from 26.97 MJ kg?¹ to 32.31 MJ kg?¹. Elemental analysis showed carbon contents between 47.04% and 76.02%, hydrogen between 5.82% and 6.71%, and nitrogen between 0.77% and 3.76%, highlighting the energetic potential of these solid fuels. When compared with literature data, the produced biochars presented HHV and LHV values higher than those reported for biochars derived from industrial residues, strobilus, pellets, sugarcane bagasse, among others. Statistical analysis revealed, at a 95% confidence level, that only the interaction between time and temperature was statistically significant. Mass yield varied from 20% to 82%, depending on the pyrolysis conditions. An energy gain of up to 42.17% relative to the biomass was observed, with a maximum energy yield of 91.90%. The estimated production cost at laboratory scale ranged from R$ 1.08·kg?¹ to R$ 9.80·kg?¹, equivalent, in the most favorable case, to R$ 1,080·ton?¹. It is concluded that the conversion of food industry residues into biochar combines energy efficiency, economic feasibility, and environmental benefits, characterizing it as a sustainable strategy for energy recovery