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Espacios. Vol. 37 (Nº 27) Año 2016. Pág. 14

Estudo de viabilidade de aplicação de TRIZ em Biodigestor caseiro

Feasibility study using TRIZ methods in constructing domestic bio- digesters

Daniel E. SAWATANI 1; Guery A. E. Martínez 2; Gustavo A. S. MARTÍNEZ 3

Recibido: 12/05/16 • Aprobado: 23/06/2016

Conteúdo

1. Introdução

2. Revisão bibliográfica

3. Materiais e métodos

4. Resultados e discussões

5. Conclusões

6. Referências

1. Introdução

A questão ambiental e a necessidade de disponibilidade de energia limpa como resposta aos combustíveis fósseis geradoras de CO2 na atmosfera e, o consequente aquecimento global devido ao efeito estufa, é uma das motivações deste trabalho.

Uma solução para este cenário é o desenvolvimento de novos métodos de obtenção de energia limpa, principalmente tecnologias de recursos renováveis. Conforme Metz (2013), é importante que se desenvolva, desde as séries iniciais em escolas e colégios, a consciência do uso racional de energia e que se fomente as possibilidades de formas alternativas de produção de energia renovável.

A necessidade de disponibilidade de energia limpa e barata vêm de encontro a importância do desenvolvimento e utilização de biodigestores, que traz benefícios em forma de gás metano, biogás e fertilizantes.

O projeto de um biodigestor parece muito simples, o questionamento colocado neste trabalho é relativo a uma análise mais técnica, com passos estruturados somente possível com alguma metodologia criativa de inovação sistemática.

Este trabalho teve como objetivo verificar a viabilidade da aplicação da metodologia russa Solução Inventiva de Problemas (TRIZ) no projeto de um biorreator de uso residencial.

2. Revisão bibliográfica

O biogás (gás de dejetos) é um combustível gasoso, subproduto da fermentação anaeróbia da matéria orgânica, com um conteúdo energético elevado (PNUD, 2010) semelhante ao gás natural, que pode ser utilizado como combustível para a geração de energia elétrica, térmica ou mecânica, com poder calorífico variando de 5.000 a 7.000 kcal/m³ (GARFI, 2012).

O biodigestor é uma câmara fechada que fornece condições adequadas para a fermentação da matéria orgânica (DeGANUTTI, 2002) que ocorre na presença de bactérias específicas, com temperaturas mesófilas situadas entre 30-40ºC e pH entre 7-8 (ALVES,1980). Além disso, o teor de sólidos pode variar de 6 a 8% (SATHIANATHAN, 1975). Segundo ALCIDES et al. (2009), a biodigestão é dividida em três etapas: fase da hidrólise, fase ácida e a fase metanogênica, com produção do biogás somente na última fase.

TRIZ é um acrônimo russo de ‘‘teorijarezhenijaizobreta-telskih zadach’’ desenvolvida pelo engenheiro, inventor, cientista, jornalista e escritor, Genrich Saulovich Altshuller (1926-1998) e seus colaboradores (DEMARQUE, 2005; DeCARVALHO,1999). Segundo Tai (2014) ao utilizarmos a TRIZ gera-se uma solução científica do problema, eliminando o comportamento instintivo de adivinhar e gerar ideias aleatoriamente para solucioná-lo.

Uma das principais ferramentas da TRIZ e a Matriz das Contradições (FIGURA 1), que tem como base de análise requisitos conflitantes (contradições) com relação a um mesmo sistema técnico.

As contradições (requisitos conflitantes) existentes devem ser traduzidas em dois Parâmetros de Engenharia (PE), sendo que a melhora de um primeiro parâmetro implica na piora de um segundo parâmetro.

Na coluna da Matriz das Contradições (MC), temos os PE´s a serem melhorados, enquanto que na linha da MC temos os PE´s contraditórios (aqueles que serão degradados). Nos cruzamentos entre linhas e colunas, são apresentados os Princípios de Inventivos (PI) utilizados para solucionar a contradição.

Os PI´s são sugestões de possíveis soluções para um determinado problema. Estes princípios foram obtidos a partir de padrões das patentes utilizadas na criação, desenvolvimento e melhoria de sistemas técnicos de diferentes áreas (DeCarvalho, 2007).

Figura 1 – Matriz das Contradições

Fonte: DeCARVALHO, 1999

3. Materiais e métodos

Projetos de biodigestor podem ser facilmente encontrados, no caso especifico deste projeto e construção o objetivo foi adequar as necessidades do projeto aos materiais facilmente encontrados em sucata ou na residência, focando na funcionalidade técnica, na facilidade de construção e no custo baixo. Desta forma este trabalho seguiu a sequência descrita a seguir:

a) Identificar o principal requisito do sistema em estudo.

b) Definir o sistema ideal.

c) Identificar os conflitos.

e) Selecionar e resolver as contradições.

d) Escolha da melhor solução.

f) Construção do biodigestor.

O principal direcionamento foi no sentido da reutilização de uma bombona plástica de 250 litros, além de flange, válvulas de esfera, tubo, união e cotovelo de PVC; de custo relativamente baixo e montagem simples, de tal forma a possibilitar a sua construção e uso. Com o objetivo de facilitar a montagem o biodigestor foi dividido em três subsistemas: entrada, armazenamento, tratamento.

4. Resultados e discussões

O projeto foi desenvolvido e o protótipo construído a baixo custo e utilizando materiais fáceis de serem encontrados em loja de material de construção. Esse objetivo foi atingido utilizando heurísticas que tem como principal elemento a metodologia TRIZ. A seguir são discutidos os principais resultados do trabalho.

4.1. Requisitos do projeto

Numa primeira etapa foi levantado os principais requisitos (LIU, 2014) do projeto (TABELA 1), na sequencia foi definido o nível de importância de cada um dos itens definidos como requisitos (TABELA 2).

Desta forma foi possível verificar que o biodigestor se destina a obtenção de gás natural em quantidade suficiente, de fácil manuseio, baixa necessidade de manutenção, durável e, principalmente seguro (TABELA 3).

A aplicação desta etapa mostrou que a prioridade é uma vedação eficiente, ou seja, a segurança do sistema (MONTIEZ, 2012). O vazamento implicaria em mal cheiro (proveniente da matéria orgânica putrescível em decomposição) e também acarretaria riscos de explosões (gás metano é inflamável).

Tabela 1 – Requisitos e características do projeto

Fonte: Próprio autor

Tabela 2 – Valor da relação

Fonte: Próprio autor

Tabela 3 – Relação “O que” x “Como”

Fonte: Próprio autor

4.2. Definindo o sistema ideal

Com o auxílio dos requisitos do projeto (TABELA 1) foi possível identificar o Parâmetros de Engenharia (PE) que devem ser levados em consideração para a definição do sistema ideal. Com esse objetivo primeiramente listamos na Tabela 4 todos os PE´s possíveis de serem aplicados a este projeto. Na sequência relacionamos os requisitos do projeto (TABELA 1) a cada PE selecionado. Finalmente selecionamos somente os PE´s que atendem os requisitos do projeto.

Tabela 4 – PE x Requisitos do projeto

Fonte: Próprio autor

Os PE´s que mais atendem os requisitos do projeto foram associados a cada um dos subsistemas do biodigestor.

4.2.1 Subsistema de Entrada

O subsistema de entrada é composto por uma bombona plástica (250 litros), pelo tubo de carga de resíduos alimentícios (alimentação), tubo de retirada de biofertilizante e tubo de limpeza do biodigestor. A partir dos resultados das Tabelas 1 e 4 foi possível a construção da Matriz das Contradições (MC) e a identificação dos Princípios Inventivos (PI) para o subsistema de entrada (TABELA 5).

Tabela 5 – MC – Subsistema de entrada

Fonte: Próprio autor

Altshuller ordenou os PI´s conforme a frequência com que eles foram identificados em sua pesquisa, da mesma forma identificamos os PI´s conforme a frequência (Fr) neste trabalho (TABELA 6).

Tabela 6 – PI conforme frequência (Fr)

Fonte: Próprio autor

4.2.2 Subsistema de Armazenamento

O subsistema de armazenamento é composto por uma bombona plástica de 100L, além de conexões de entrada do gás, oriundo do subsistema de entrada, e saída para o subsistema de tratamento. A partir dos resultados das Tabelas 1 e 4 e da aplicação da MC foram identificados os PI´s para este subsistema (TABELA 7). Na Tabela 8 identificamos os PI´s conforme a frequência (Fr) de ocorrência neste trabalho.

Tabela 7 – MC – Subsistema de armazenamento

Fonte: Próprio autor

Tabela 8 – PI conforme frequência (Fr)

Fonte: Próprio autor

4.2.3 Subsistema de Tratamento

O subsistema de tratamento é composto por um borbulhador, além de conexões de entrada e saída do gás. A partir dos resultados das Tabelas 1 e 4 e da aplicação da MC foram identificados os PI´s para este subsistema (TABELA 9). Na Tabela 10 identificamos os PI´s conforme a frequência (Fr) de ocorrência neste trabalho.

Tabela 9 – MC – Subsistema de tratamento

Fonte: Próprio autor

Tabela 10 – PI conforme frequência (Fr)

Fonte: Próprio autor

4.2.4 Manutenção e Segurança

Revisões periodicas do sistema como um todo são necessarias, além da limpeza geral.

A partir dos resultados das Tabelas 1 e 4 e da aplicação da MC foram identificados os PI´s para este subsistema (TABELA 11). Na Tabela 12 identificamos os PI´s conforme a frequência (Fr) de ocorrência neste trabalho.

Tabela 11 – MC – Manutenção e segurança do sistema biodigestor

Fonte: Próprio autor

Tabela 12 – PI conforme frequência (Fr)

Fonte: Próprio autor

4.3. Identificando, selecionando os PI

Tendo em mãos os PI´s conforme a frequência com que eles foram identificados neste trabalho, nesta etapa iremos analisar cada um deles conforme a sua aplicabilidade na situação específica da construção de um biodigestor.

Na identificação, seleção dos PI´s foi levado em consideração os requisitos do projeto da Tabela 1.

4.3.1 Subsistema de Entrada

Os PI´s mais frequentes no subsistema de entrada são: 10, 28, 03.

O PI 10 (Ação Prévia) propõe alteração prévia no subsistema de entrada antes do recebimento do material, que exigiria maior conhecimento do usuário final. O PI 28 (Substituição Mecânica) propõe a mudança do subsistema de entrada simples para um de maior complexidade, o que acarreta um aumento do custo. O PI 3 (Qualidade Local) propõe a alteração da estrutura do subsistema de entrada do biodigestor de uniforme para não uniforme e a funcionalidade de forma específica e favoráveis ao processo.

Na Tabela 13 identificamos os PI´s que foram utilizados neste trabalho. Na Figura 2 temos a análise funcional resultante da aplicação da PI relativo a qualidade local. Com o auxílio da Figura 3 podemos ver a montagem final resultante do subsistema de entrada.

Tabela 13 – PI do subsistema de entrada

Fonte: Próprio autor

Figura 2 – Análise funcional do subsistema de alimentação e retirada do biofertilizante

Figura 3 – Montagem final do subsistema de entrada

Fonte: Próprio autor

4.3.2 Subsistema de Armazenamento

Os PI mais frequentes no subsistema de armazenamento são: 03, 01, 11, 28.

O PI 3 (Qualidade Local) propõe a alteração da estrutura do subsistema de armazenamento do biodigestor de uniforme para não uniforme e a funcionalidade de forma especifica e favoráveis ao processo. O PI 1 (Segmentação) propõe que o subsistema de armazenamento tenha partes independentes e de fácil desmontagem, o facilita a manutenção. O PI 11 (Amortecimento Prévio) propõe meios emergenciais previa para compensar a baixa confiabilidade do subsistema de armazenamento, o que ocasionaria um aumento no custo. O PI 28 (Substituição Mecânica) propõe a mudança do subsistema de armazenamento simples para um de maior complexidade, o que acarreta um aumento do custo.

Na Tabela 14 identificamos os PI´s que foram utilizados neste trabalho. Na Figura 4 temos a análise funcional resultante da aplicação da PI relativo a segmentação e qualidade local.

Tabela 14 – PI do subsistema de armazenamento

Fonte: Próprio autor

Figura 4 – Análise funcional do subsistema de armazenamento

Fonte: Próprio autor

4.3.3 Subsistema de Tratamento

Os Princípios Inventivos mais frequentes no subsistema de tratamento são: 01, 10, 28, 35.

O PI 1 (Segmentação) propõe que o subsistema de tratamento tenha partes independentes e de fácil desmontagem, o facilita a manutenção. O PI 10 (Ação Prévia) propõe alteração prévia no subsistema de tratamento antes do recebimento do material, que exigiria maior conhecimento do usuário final. O PI 28 (Substituição Mecânica) propõe a mudança do subsistema de tratamento simples para um de maior complexidade, o que acarreta um aumento do custo. O PI 35 (Alterar parâmetros e Propriedades) propõe a alteração das propriedades do subsistema de tratamento, ação que faz parte de um biodigestor.

Na Tabela 15 identificamos os PI´s que foram utilizados neste trabalho. Na Figura 5 temos a análise funcional resultante da aplicação da PI relativo a segmentação e alteração de parâmetros e propriedades no subsistema de tratamento. Com o auxílio da Figura 6 podemos ver a montagem final resultante do subsistema de tratamento.

Tabela 15 – PI do subsistema de tratamento

Fonte: Próprio autor

Figura 5 – Análise funcional do subsistema de tratamento

Fonte: Próprio autor

Figura 6 – Montagem do subsistema de tratamento

Fonte: Próprio autor

4.3.4 Manutenção e Segurança

Os PI´s mais frequentes no quesito manutenção e segurança são: 35, 02, 05, 13, 25, 31.

O PI 35 (Alterar parâmetros e Propriedades) propõe a alteração das propriedades do sistema, ação que faz parte de um biodigestor. O PI 2 (Extração) propõe separar partes do sistema como elemento de segurança. O PI 5 (Integração) propões a junção de operações semelhantes como elemento de manutenção e segurança, não aplicável devido a simplicidade do sistema. O PI 13 (Inversão) propõe uma aplicação contraria a convencional de um sistema biodigestor como elemento de manutenção e segurança. O PI 25 (Auto‐serviço) propõe o uso de recursos do próprio sistema como elemento de manutenção e segurança. O PI 31 (Materiais Porosos) propõe o uso ou retirada da porosidade como elemento facilitador de manutenção e segurança, o que ocasionaria o aumento do custo.

Na Tabela 16 identificamos os PI que foram utilizados neste trabalho.

Tabela 16 – PI de manutenção e segurança do sistema biodigestor

Fonte: Próprio autor

4.4 Visão Geral

Os PI´s foram de grande valia no desenvolvimento deste trabalho pois possibilitou ações pontuais como (FIGURA 7):

-Pensar o sistema biodigestor dividido em subsistemas e as necessidades especificas e favoráveis aos processos;

-Partes independentes e de fácil montagem e manutenção;

-Possibilidades de alterações na utilização do sistema.

Em termos de manutenção e segurança a possibilidade de separar partes do sistema, o uso de recursos próprios como elemento de segurança.

Figura 7 – Montagem do subsistema de tratamento

Fonte: Próprio autor

4.5 Custo

Na Tabela 17 podemos verificar o valor de cada (CATAPAN, 2012) um dos itens utilizados e, principalmente o baixo valor final necessário para construção de um protótipo do biodigestor. É importante lembrar que o valor final de R$380,04 (U$$ 100) sofre razoável redução quando da construção de um número maior de biodigestores.

O valor relativo a mão de obra não foi considerada devido a possibilidade de construção por parte do interessado.

Tabela 17 – Componentes do biodigestor

Fonte: Próprio autor

5. Conclusões

Com este trabalho foi possível comprovar:

-Que é possível o desenvolvimento de um biorreator residencial de baixo custo e fácil fabricação para obtenção de biogás oriundo de resíduos alimentícios residenciais sob o enfoque da metodologia TRIZ.

-A importância do conhecimento da metodologia TRIZ na solução de problemas.

Referências

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1. Graduando em Engenharia Química, Escola de Engenharia de Lorena – USP. E-mail: danielsawatani@gmail.com
2. Graduando em Engenharia de Produção, UNISAL-Lorena. E-mail: guerym@gmail.com
3. Engenheiro Mecânico, Doutor, Escola de Engenharia de Lorena – USP. E-mail: gustavo.martinez@usp.br