--- title: Biogás author: - Linda Carvalho Cosendey date: 2024-02-28 tags: #utilidades --- # Biogás ## 1. Introdução O biogás é uma fonte de energia renovável que tem se destacado como alternativa sustentável para geração de eletricidade, calor e substituição de combustíveis fósseis. Seu processo de obtenção ocorre por meio da digestão anaeróbia de matéria orgânica, resultando em um gás composto majoritariamente por metano e dióxido de carbono. Com uma gama diversificada de aplicações, o biogás pode ser utilizado na cogeração de energia, no setor industrial e até mesmo no abastecimento veicular, reduzindo impactos ambientais e promovendo maior eficiência no uso de resíduos. Além de seu potencial energético, a produção e utilização do biogás estão alinhadas com estratégias globais de sustentabilidade, contribuindo para a mitigação das emissões de gases de efeito estufa e para a valorização de resíduos orgânicos. No entanto, apesar de seus benefícios, desafios técnicos e econômicos ainda precisam ser superados para viabilizar sua adoção em larga escala. Questões como armazenamento, transporte, purificação e controle de emissões precisam ser geridas adequadamente para garantir a segurança e eficiência do processo. Dessa forma, este relatório busca apresentar os principais aspectos do biogás, abordando sua história, características, processos de produção, aplicações industriais e limitações. O objetivo é fornecer uma visão abrangente sobre seu potencial como recurso energético, destacando tanto suas vantagens quanto os desafios que precisam ser superados para sua consolidação como fonte viável e sustentável. ## 2. História A produção de biogás é conhecida há séculos, mas sua utilização como fonte de energia ganhou destaque apenas nas últimas décadas. Registros indicam que na Índia e na China o biogás já era utilizado para saneamento básico e geração de energia muito antes da crise do petróleo. No Ocidente, no entanto, só teve sua relevância reconhecida após as crises energéticas do século XX, quando fontes alternativas passaram a ser mais exploradas [^1]. Inicialmente, o biogás era visto apenas como um subproduto da decomposição anaeróbia de resíduos orgânicos, sendo sua produção associada ao tratamento de efluentes. A principal motivação era reduzir a carga orgânica desses efluentes, mitigando impactos ambientais. Entretanto, com a ratificação do Protocolo de Kyoto e a implementação de mecanismos de desenvolvimento limpo (MDL), além do aumento nos custos dos combustíveis convencionais, a geração de biogás passou a ser reconhecida como uma alternativa energeticamente eficiente e ambientalmente viável [^2]. O desenvolvimento tecnológico permitiu avanços na produção e no aproveitamento do biogás, tornando-o uma fonte versátil. Ao longo das últimas décadas, consolidou-se como uma solução para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e promover a transição energética para fontes mais sustentáveis [^3]. Sua produção está diretamente alinhada com os Objetivos do Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU, contribuindo para um futuro mais equilibrado ao permitir a gestão adequada de resíduos e a eficiência na utilização de recursos naturais [^4]. Dessa forma, o biogás emerge como uma alternativa promissora, não apenas como fonte renovável de energia, mas também como solução ambiental para a gestão de resíduos, destacando-se como uma tecnologia chave para um desenvolvimento mais sustentável. ## 3. Características O próprio nome "bio”gás remete à sua origem biológica. Trata-se de um gás gerado pela decomposição de matéria orgânica em ambientes sem oxigênio, um processo conhecido como digestão anaeróbia. Esse fenômeno ocorre naturalmente em locais como pântanos, lagoas, esterqueiras e no trato digestivo de animais ruminantes. Durante essa decomposição, a matéria orgânica é convertida em um gás composto principalmente por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2), além de pequenas quantidades de hidrogênio (H2), sulfeto de hidrogênio (H2S), nitrogênio (N2), oxigênio (O2), amônia (NH3) e vapor d'água (H2O) [^5]. A composição exata do biogás depende dos materiais utilizados no processo e das condições em que ocorre a fermentação. O teor de metano pode variar entre 50% e 75%, sendo esse o principal componente responsável pelo poder energético do gás. Já o dióxido de carbono, que pode corresponder a até 50% da mistura, não possui propriedades combustíveis, e sua remoção melhora a eficiência energética do biogás. Por outro lado, o sulfeto de hidrogênio deve ser removido, pois sua presença pode ser corrosiva e prejudicial aos equipamentos [^5] [^6]. A obtenção do biogás pode ser feita a partir de diversas biomassas, como resíduos agroindustriais, dejetos de animais, resíduos urbanos e subprodutos de processos industriais que envolvem matéria orgânica. Além de gerar energia, a digestão anaeróbia contribui para a gestão sustentável de resíduos, reduzindo seu acúmulo e minimizando impactos ambientais. Outro benefício do processo é a produção de biofertilizantes, que são ricos em nutrientes e podem ser aproveitados na agricultura [^7]. A composição do biogás pode ser melhor compreendida por meio da Tabela 1, que apresenta as concentrações típicas dos seus principais componentes e suas características químicas [^7] [^8]. _**Tabela 1.** Composição do biogás_ | Gás | Símbolo | Concentração no biogás (%) | | -------- | ----------------- | -------- | | Metano | CH4 | 50-80 | | Dióxido de carbono | CO2 | 20-40 | | Hidrogênio | H2 | 1-3 | | Nitrogênio | N2 | 0,5-3 | | Gás sulfídrico e outros | H2S . CO . NH3 | 1-5 | Fonte: Coldebella, 2006 [^7]; Zanette, 2009 [^8]. ## 4. Processos de produção A degradação microbiológica de resíduos orgânicos em um ambiente sem oxigênio molecular resulta na produção de biogás e ocorre em quatro fases distintas. Cada fase envolve grupos fisiológicos específicos de bactérias do domínio Archaea (anaeróbios). Inicialmente, as bactérias fermentativas atuam nas etapas de hidrólise e acidogênese. Em seguida, as bactérias acetogênicas são responsáveis pela acetogênese. Por fim, as bactérias metanogênicas realizam a metanogênese, resultando na formação do biogás [^6]. A Figura 1 ilustra o esquema geral do processo de produção de biogás, que será detalhado a seguir.  _**Figura 1.** Esquema de produção de biogás_ Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Rocha e Mendes, 2024 [^6]; Rohstoffe, 2010 [^5]. ### 4.1 Hidrólise A etapa de hidrólise é o primeiro estágio da degradação anaeróbia de resíduos orgânicos e envolve a quebra de macromoléculas em compostos menores e solúveis, facilitando sua absorção pelas bactérias. Nesse processo, as bactérias fermentativas hidrolíticas secretam enzimas extracelulares, conhecidas como hidrolases, que atuam sobre biopolímeros complexos, como polissacarídeos, proteínas, ácidos nucleicos e gorduras. Os polissacarídeos são convertidos em açúcares solúveis, como monossacarídeos e dissacarídeos; as proteínas são degradadas em peptídeos e, posteriormente, em aminoácidos; enquanto os lipídios são transformados em ácidos graxos de cadeia longa (C15 a C17) e glicerol [^9]. ### 4.2 Acidogênese Na fase de acidogênese, as bactérias fermentativas acidogênicas convertem os materiais solúveis provenientes da hidrólise em ácidos gordos voláteis, como os ácidos acético, propiônico e butírico. Além disso, nesse processo ocorrem a produção de dióxido de carbono e hidrogênio, bem como a formação de pequenas quantidades de ácido lático e álcoois. A composição dos compostos sintetizados nessa etapa varia de acordo com a concentração de hidrogênio intermediário presente no meio [^5]. ### 4.3 Acetogênese A etapa de acetogênese é responsável pela conversão dos compostos formados nas fases anteriores em substâncias que possam ser utilizadas pelas bactérias metanogênicas. Nessa fase, ocorre predominantemente a desidrogenação dos ácidos gordos voláteis, resultando na formação de acetato, além da liberação de hidrogênio e dióxido de carbono. Contudo, as bactérias acetogênicas são sensíveis a elevadas concentrações de hidrogênio, sendo essencial que as bactérias metanogênicas consumam esse gás para manter o equilíbrio do processo. Além disso, o hidrogênio e o dióxido de carbono gerados podem reagir entre si, originando mais ácido acético, que também servirá como substrato para a produção final de biogás [^10] [^6]. ### 4.4 Metanogênese Na etapa final da produção de biogás, ocorre a formação de metano pelas bactérias metanogênicas. Esses microrganismos anaeróbios convertem o hidrogênio, o dióxido de carbono e o ácido acético em metano e dióxido de carbono. No entanto, são extremamente sensíveis a variações ambientais, como temperatura e pH. As bactérias responsáveis pela produção de biogás são predominantemente mesofílicas, funcionando bem em temperaturas entre 35 e 45ºC. Alterações bruscas na temperatura podem comprometer sua sobrevivência, resultando em uma redução significativa na produção de biogás [^11]. De forma geral, as quatro fases da decomposição anaeróbia acontecem simultaneamente dentro de um sistema de um único estágio. No entanto, como cada grupo de bactérias possui condições ambientais específicas, como preferências de pH e temperatura, é necessário encontrar um equilíbrio adequado na tecnologia utilizada para otimizar o processo e garantir sua eficiência [^5]. Para ilustrar visualmente os conceitos abordados sobre a produção e utilização do biogás, recomenda-se assistir o vídeo "A Journey into Biogases". O recurso apresenta, de forma objetiva, o processo de geração do biogás e algumas de suas aplicações práticas. Ele está disponível em: [^12]. ## 5. Aplicações industriais O biogás possui um significativo potencial energético e pode ser utilizado como alternativa a diversas fontes convencionais de energia. A eficiência de sua conversão em eletricidade e calor depende da composição do biogás, especialmente do teor de metano, que influencia diretamente seu poder calorífico. Em condições normais de pressão e temperatura, o metano puro possui um poder calorífico inferior (PCI) de aproximadamente 9,9 kWh/m³. No entanto, em condições típicas de produção, devido à variação na composição do biogás, com teores de metano entre 50% e 80%, seu PCI pode oscilar entre 4,95 e 7,92 kWh/m³. Isso afeta sua equivalência energética com outros combustíveis e sua aplicabilidade em diferentes processos industriais [^13]. A tabela 2 abaixo apresenta a equivalência energética do biogás em relação a diferentes fontes de energia, conforme valores estimados por diversos autores. Esses valores indicam a quantidade de biogás necessária para fornecer a mesma quantidade de energia que uma unidade de cada combustível listado. A interpretação desses dados é essencial para avaliar o potencial do biogás como substituto de combustíveis convencionais. _**Tabela 2.** Equivalência energética do biogás comparado a outras fontes de energias_ | Energético |Ferraz (1980)[^1]|Sganzerla (1983)[^18]|Nogueira (1986)[^19]|Santos (2000)[^14]| | -------- | ----------------| -------- | -------- | -------- | | Gasolina (L) | 0,61 | 0,613 | 0,61 | 0,6 | | Querosene (L) | 0,58 | 0,579 | 0,62 | - | | Diesel (L) | 0,55 | 0,553 | 0,55 | 0,6 | | GLP (kg) | 0,45 | 0,454 | 1,43 | - | | Álcool (L) | - | 0,79 | 0,80 | - | | Carvão mineral (kg)| - | 0,735 | 0,74 | - | | Lenha (kg) | - | 1,538 | 3,5 | 1,6 | | Eletricidade (kWh) | 1,43 | 1,428 | - | 6,5 | Fonte: Muncinelli, 2019 [^13]. Por exemplo, segundo Ferraz et al, em 1980 [^1], um litro de gasolina equivale a aproximadamente 0,61 m³ de biogás, o que significa que essa quantidade de biogás seria necessária para gerar a mesma energia contida em um litro de gasolina. Para o diesel, os valores são semelhantes, variando entre 0,55 e 0,6 m³ de biogás conforme diferentes fontes. Isso demonstra que o biogás pode ser uma alternativa viável para a substituição desses combustíveis fósseis em aplicações industriais e de transporte. Outro ponto relevante é a equivalência com a eletricidade. Ferraz et al [^1] indicam que 1,43 m³ de biogás podem gerar 1 kWh de eletricidade, enquanto Santos [^14], em 2000, apresenta um valor consideravelmente maior, de 6,5 m³ por kWh. Essa discrepância pode ser atribuída a diferenças na eficiência dos sistemas de conversão utilizados nos estudos, bem como à variação na composição do biogás, especialmente em relação ao teor de metano. Além disso, a Tabela 2 também compara o biogás com outros combustíveis como gás liquefeito de petróleo, querosene, carvão, lenha e álcool, reforçando seu potencial como fonte energética versátil. Esses dados são fundamentais para embasar a aplicação do biogás em diversas áreas, como substituição do diesel e do gás natural veicular em veículos, seu uso no lugar do gás liquefeito de petróleo em processos industriais e a geração combinada de energia elétrica e térmica. A seguir, serão exploradas essas aplicações, seus processos necessários e os impactos na sustentabilidade, de acordo com Muncinelli (2019) [^13]. ### 5.1 Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao diesel Após passar por etapas de purificação e compressão, o biogás pode representar uma alternativa viável ao óleo diesel, cuja origem está em recursos não renováveis. Para que seja utilizado em motores originalmente projetados para diesel, o biogás deve passar por um processo industrial específico. Esse processo inclui diversas fases, que são apresentadas no diagrama da Figura 2 a seguir.  _**Figura 2.** Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao diesel_ Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13]. A substituição do diesel pelo biogás não é completa e exige modificações nos motores para que possam operar de forma bicombustível, combinando diesel e metano. Nessa configuração, a proporção da mistura pode variar, com o diesel representando entre 40% e 100% do total, enquanto o metano pode compor de 0% a 60%. No entanto, uma quantidade mínima de diesel será sempre necessária para garantir o funcionamento adequado do motor. Além da economia no consumo de combustível, essa conversão traz benefícios ambientais e reduz a dependência do diesel, o que pode ser estratégico diante de eventuais oscilações no seu fornecimento. Segundo a reportagem “Energia limpa: biogás pode ser alternativa ao diesel” disponível em [^15], a utilização do biogás como alternativa ao diesel poderia substituir até 70% do diesel consumido por ônibus e caminhões no Brasil, reduzindo significativamente os custos operacionais com combustível. ### 5.2 Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao gás natural veicular (GNV) O biogás, após ser devidamente tratado, também pode ser empregado como combustível em veículos originalmente abastecidos com gás natural veicular (GNV). Para viabilizar essa substituição, é necessário submetê-lo a processos semelhantes para obtenção de diesel, conforme Figura 3.  _**Figura 3.** Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao GNV_ Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13]. Vale destacar que, diferente da substituição do diesel, a troca do GNV pelo metano ocorre de maneira direta e completa, exigindo apenas ajustes simples na configuração dos motores para garantir sua compatibilidade e desempenho adequado. ### 5.3 Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao gás liquefeito do petróleo (GLP) O biogás representa uma alternativa sustentável ao GLP, pois, quando tratado para remover impurezas e contendo pelo menos 50% de metano, pode ser empregado em sistemas que utilizam GLP com pequenas adaptações nos queimadores. O que é indicado na Figura 4.  _**Figura 4.** Aplicação do biogás como alternativa de substituição ao GLP_ Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13]. ### 5.4 Aplicação do biogás como alternativa de geração de energia combinada elétrica e calorífica Após passar pelo processo de purificação, o biogás pode ser utilizado como combustível na geração simultânea de eletricidade e calor em motores do ciclo Otto projetados especificamente para sua combustão. Esses motogeradores são desenvolvidos para operar com a explosão do biogás, garantindo um aproveitamento eficiente dessa fonte de energia. O procedimento pode ser observado na Figura 5.  _**Figura 5.** Aplicação do biogás como alternativa de geração de energia combinada elétrica e calorífica_ Fonte: Elaborado pelo autor, adaptado de: Muncinelli, 2019 [^13]. Os sistemas de cogeração, conhecidos como “Combined Heat and Power” (CHP), permitem a produção simultânea de eletricidade e calor a partir do biogás. Motores do ciclo Otto adaptados para esse combustível possuem um gerador que permite converter o torque do motor em energia elétrica de forma contínua. Além disso, o calor gerado no processo pode ser reaproveitado em aplicações industriais ou na própria planta de biogás, otimizando o uso da energia e aumentando a eficiência do sistema. Nesse sentido, o biogás demonstra ser uma fonte de energia versátil e eficiente, com aplicações que vão desde a substituição de combustíveis fósseis, como diesel, GNV e GLP, até a geração combinada de eletricidade e calor. É importante relembrar que sua viabilidade depende da composição e do tratamento adequado, garantindo, assim, sua compatibilidade com diferentes sistemas energéticos. Além das aplicações abordadas, outras possibilidades podem ser exploradas conforme avanços tecnológicos e necessidades industriais, ampliando ainda mais o seu impacto na transição para fontes energéticas mais sustentáveis. ## 6. Limitações Apesar do seu grande potencial energético e da sua contribuição para a transição para fontes renováveis, o biogás enfrenta desafios técnicos e econômicos que devem ser considerados para que sua implementação seja eficaz. A seguir, serão discutidos esses desafios e possíveis soluções para viabilizar o aproveitamento sustentável do biogás. ### Problemas de armazenagem, transporte e utilização O armazenamento, transporte e utilização do biogás apresentam desafios que devem ser geridos para garantir segurança e eficiência. No armazenamento, é essencial considerar a presença de H₂S, que é corrosivo e tóxico, além de equilibrar volume e pressão para otimizar espaço e operação segura [^16]. No transporte, o controle da temperatura é crucial para evitar riscos e perdas [^2]. Já na utilização, é necessário garantir um fornecimento estável e seguro para aplicações como geração de eletricidade, aquecimento e uso como combustível, evitando variações de pressão ou composição que possam comprometer o desempenho dos sistemas [^5]. ### Fumos de combustão com poluentes (SOx, NOx e CO) A combustão do biogás gera poluentes atmosféricos, como óxidos de enxofre (SOₓ), óxidos de nitrogênio (NOx) e monóxido de carbono (CO). Os SOₓ resultam da presença de sulfeto de hidrogênio no biogás e podem contribuir para a chuva ácida. Os NOₓ formam-se a partir do nitrogênio do ar durante a combustão em altas temperaturas, sendo responsáveis pelo smog fotoquímico. Já o CO é gerado quando a queima do metano é incompleta, podendo ser tóxico em concentrações elevadas. Para mitigar essas emissões, é essencial purificar o biogás antes da combustão, otimizar a eficiência da queima e controlar a relação ar-combustível [^2]. ### Necessidade de tecnologia para limpeza/purificação A purificação do biogás é um requisito essencial para viabilizar seu uso eficiente e seguro pelos consumidores. Como sua composição varia conforme a matéria-prima utilizada e o processo de produção adotado, é necessário empregar tecnologias de limpeza para remover impurezas e componentes indesejáveis. Embora existam métodos físico-químicos consolidados para esse fim, a otimização desses processos continua sendo um desafio na cadeia de suprimento do biogás, reforçando a necessidade de aprimoramento tecnológico para garantir um combustível de qualidade [^3]. ### Elevado investimento econômico A geração de biogás requer um investimento inicial elevado, principalmente devido ao alto custo dos equipamentos e da infraestrutura necessária para sua produção [^17]. Além disso, os custos operacionais também são significativos, abrangendo a manutenção dos sistemas, a purificação do gás e a sua distribuição. Esses custos devem ser compensados por receitas adequadas, o que torna essencial um ambiente regulatório favorável, com políticas e incentivos que garantam a viabilidade econômica do setor [^3]. ### Riscos de explosão quando misturado com ar/oxigênio A introdução controlada de pequenas quantidades de oxigênio (2-6%) no sistema de biogás, utilizando um compressor, é uma técnica eficaz para reduzir a concentração de sulfeto de hidrogênio. Esse processo resulta na formação de enxofre e água, permitindo uma purificação mais eficiente do biogás sem necessidade de produtos químicos ou equipamentos complexos, além de ser uma solução de baixo custo. No entanto, é fundamental monitorar a quantidade de ar adicionada, pois o biogás pode se tornar explosivo quando a mistura atinge uma faixa de 6-12%, dependendo do teor de metano presente. Para evitar riscos, é recomendado manter a concentração de metano fora da faixa de 5-15% (em volume) e a concentração de oxigênio abaixo de 15% [^6]. ## 7. Referências [^1]: **FERRAZ, José Maria Gusmann, et al.** [_Biogás: fonte alternativa de energia._](https://www.infoteca.cnptia.embrapa.br/infoteca/handle/doc/476075) Circular Técnica n°3 - Embrapa, Centro Nacional de Pesquisa de Milho e Sorgo, 1980. [^2]: **SALOMON, Karina Riberio.** [_Avaliação técnico-econômica e ambiental da utilização do biogás proveniente da biodigestão da vinhaça em tecnologias para geração de eletricidade._](chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://cetesb.sp.gov.br/aguas-subterraneas/wp-content/uploads/sites/3/2014/01/salomon.pdf) Universidade Federal de Itajubá, Minas Gerais, 2007. 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