Volatile fatty acids (VFAs) are important building blocks for the chemical industry. These acids can be produced through environmentally friendly processes from a variety of wastes, such as food waste, sludge and cow manure, through anaerobic digestion (AD). The main objective of this thesis was to investigate which operating parameters (e.g. pH, retention time, mix of substrate etc.) are optimal for producing VFAs as efficiently as possible, through AD batch processes. The highest VFA concentration was reached at pH 10 and at day 11 when food waste and sludge were used as substrate to a value of 15.4 g/L, corresponding to 0.77 g VFAs/ g of VSfed. Highest VFA concentration where cow manure was used as substrate was reached on day 10 and with a value of about 10 g/L corresponding to 0.51 g VFAs/ g VSfed. / Flyktiga fettsyror (VFAs) är en viktig byggsten inom den globala kemiindustrin. Dessa fettsyror kan produceras med hjälp av miljövänliga processer där en mängd olika sorters avfall, som t.ex. matavfall, avloppsslam och koavföring kan fungera som substrat, genom anaerobisk rötning. Det huvudsakliga målet med den här kandidatuppsatsen var att utreda vilka de optimala driftförhållanden var för särskilt utvalda driftparametrar (t.ex. pH, retentionstid, mix av substrat etc.) för att producera flyktiga fettsyror så effektivt som möjligt, genom anaerobisk rötning. Högst koncentration av VFAs nåddes vid pH 10 på dag 11 när matavfall och avloppsslam användes tillsammans som substrat till ett värde på 15 g/L, vilket motsvarar en avkastning på 0.77 g VFAs / g VSin. Högst VFAs-koncentration när koavföring användes som substrat nåddes på dag 10 med ett värde på 10 g/L, motsvarande en avkastning på 0.51 g VFA/ g VSin.

A combinação do substrato orgânico e do reator anaeróbio é determinante na produção fermentativa de hidrogênio e de ácidos orgânicos com valor agregado. A utilização do melaço da cana-de-açúcar como substrato orgânico em reatores de leito granular expandido (EGSB) ainda não foi uma alternativa explorada para produção de hidrogênio. Dessa forma, este estudo teve como objetivo analisar a produção biológica de hidrogênio e ácidos orgânicos em três reatores EGSB independentes com concentração de carboidratos de 5 g L-1 (EGSB-5), 10 g L-1 (EGSB-10) e 15 g L-1 (EGSB-15), utilizando melaço da cana-de-açúcar como substrato, sob condição mesofílica de temperatura (30 ºC) e variação do tempo de detenção hidráulica (TDH) de 24 h até 1 h. No EGSB-5, o processo fermentativo não gerou hidrogênio. No entanto, houve produção de metabólitos com valor agregado, principalmente ácido acético, butírico e propiônico. Neste reator, o ácido acético proveniente da reação de homoacetogênese (23 51%) justificou a ausência de hidrogênio. No EGSB-10 a produção de hidrogênio ocorreu na última fase de operação (TDH 1 h), com produção volumétrica de hidrogênio (PVH) máxima de 4,56 L d-1 L-1 e rendimento de hidrogênio (HY) máximo de 0,14 mol H2 mol hexose -1. No EGSB-15, houve PVH no TDH de 2 h e de 1 h , com valor máximo de 13,92 L d-1 L-1 no TDH de 1 h, e HY máximo de 0,25 mol H2 mol hexose-1, também no TDH de 1 h. No EGSB-10 e no EGSB-15, as vias metabólicas responsáveis pela produção de hidrogênio foram semelhantes, associadas à elevação da produção de ácido butírico e ácido lático. O ácido lático foi utilizado como fonte de carbono alternativa em condições de pouca disponibilidade de substrato e de pressão parcial de hidrogênio elevada, o que justifica os valores reduzidos de HY. Os resultados obtidos evidenciaram que o melaço pode ser utilizado para produção de H2 e de ácidos orgânicos em reatores EGSB por processos fermentativos. / The combination of the organic substrate and the anaerobic reactor is determinant in fermentative hydrogen and organic acids production. The use of sugarcane molasses as an organic substrate in expanded granular sludge bed (EGSB) has not yet been explored for H2 production. Thus the objective of this study was to analyze the biological H2 and organic acids production in three independent EGSB reactors with a carbohydrate concentration of 5 g L-1 (EGSB-5), 10 g L-1 (EGSB-10) and 15 g L-1 (EGSB-15), using sugarcane molasses as substrate, under mesophilic temperature (30 °C) and hydraulic retention time (HRT) variation of 24 h - 1 h. In EGSB-5, the fermentation process did not generate hydrogen. However, there was production of volatile fatty acids, mainly acetic, butyric and propionic acid. In this reactor, acetic acid from the homoacetogenesis reaction (23 - 51%) justified the absence of hydrogen. The EGSB-10 produced H2 in the last phase of operation (HTR 1 h), with maximum hydrogen production rate (HPR) of 4.56 L d-1 L-1 and maximum hydrogen yield (HY) of 0.14 mol H2 mol hexose-1. In the EGSB-15, there was HPR in the HPR of 2 h and 1 h, with a maximum value of 13.92 L d-1 L-1 in the HRT of 1 h, and HY maximum of 0.25 mol H2 mol hexose-1, also in the HRT of 1 h. In the EGSB-10 and EGSB-15, the metabolic pathways responsible for hydrogen production were similar, associated with increased production of butyric acid and lactic acid. Lactic acid was used as an alternative carbon source under conditions of low substrate availability and high hydrogen partial pressure, which justifies the reduced HY values. The results showed that molasses can be used to produce H2 and organic acids in EGSB reactors in anaerobic fermentation process.

Vinasse, a wastewater rich in organic matter, nutrient and water, is commonly used for fertigation of sugarcane plantation. However, this practice is questionable in the environmental sphere because of problems, such as contamination of groundwater and greenhouse gases emission. Researchers have sought for alternatives that use vinasse in a more sustainable way, e.g., biorefineries that recover resources. In general, the pathways considered are the concentration technologies to reclaim water and nutrient, and the anaerobic digestion (AD) to produce biogas. This thesis reports on a study of five designs of vinasse biorefineries that incorporate anaerobic bioreactors followed by a concentration technology (evaporation (EV), reverse osmosis (RO) or forward osmosis (FO)). Different forms of regeneration of the draw solution (DS) namely evaporation, reverse osmosis and membrane distillation (MD) were also analyzed. The alternatives were compared through an exergy analysis, a method that evaluates efficiency in the conversion of resources by systems. The results showed Alternative 2 (anaerobic digestion + reverse osmosis) was the most efficient (64%), since the treatment of 491.76 m3 vinasse h-1 (exergy content of 60513.8 kW) to recover 80% of water reduced 76% of external water requirement and generated 12% more electricity (2601 kW exergy) for the industry. / O desenvolvimento de biorrefinarias voltadas à recuperação de recursos é uma tendência crescente que visa promover sistemas alternativos para obtenção de energia e materiais de forma mais sustentável. Dentro deste conceito está o aproveitamento da vinhaça das indústrias de cana-de-açúcar de modo a recuperar água, nutrientes e energia como produtos de interesse. Para isso, é necessário avaliar as possíveis configurações tecnológicas voltadas a este objetivo. No presente trabalho, foram estudados cinco designs de biorrefinaria de vinhaça incorporando uma rota de produção de metano, formada pelo processo de digestão anaeróbia, e uma forma de concentração do efluente. Os métodos para obtenção de água foram evaporação, osmose reversa e osmose direta. Neste último, foram analisadas diferentes formas de regeneração da solução de separação: evaporação, osmose reversa e destilação por membranas. A comparação das alternativas de biorrefinaria foi feita pelo método da análise de exergia, que atua na avaliação da eficiência de conversão dos recursos em sistemas. Esta ferramenta possui como medida base o trabalho útil que pode ser obtido a partir das correntes envolvidas no processo. Desta forma, observou-se que tecnologias que empregam calor como energia de entrada tendem a ser menos eficientes do que as que empregam eletricidade. Neste caso, as alternativas com processo de osmose reversa apresentaram maiores eficiências exergéticas, por exemplo, ao se recuperar 70% de água, sua eficiência seria de 64%. Portanto, sugere-se que a digestão anaeróbia da vinhaça seguida da concentração por osmose reversa seria a configuração mais interessante para concepção de uma biorrefinaria de vinhaça.

La digestion anaérobie est un procédé biologique effectué par un réseau complexe et synergique de communautés microbiennes permettant la dégradation de matière organiques comme les déchets agricoles ou les effluents de station d’épuration en biogaz, un gaz valorisable en énergie. Les mécanismes influençant les communautés microbiennes au cœur de ce procédé mais aussi dans la nature restent incompris du fait de la faible compréhension de leur dynamique. Les objectifs de ce projet visent à donc développer un système de digestion anaérobie permettant de mieux comprendre la dynamique de l’assemblage des communautés microbiennes. Ainsi un nouveau procédé de réacteurs en continu dont les fonctions d’alimentation de soutirage et de dégazage sont automatisées a été développé. L’automatisation et le multiplexage des réacteurs permettent la manipulation de 30 réacteurs en continu en parallèle. Outre l’automatisation ce système, de nombreux paramètres sont flexibles comme le taux de charge (une fois par minute jusqu’à une condition batch), le volume de réacteur (50 à 200mL), la température (pièce – 55°C), mais aussi l’utilisation du système en aérobie ou l’implémentation d’autres outils comme des LEDs pour les cultures phototrophes. Capable de quantifier précisément la performance d’un écosystème méthanogène, ce système nous a permis de tester la structure et la performance d’écosystèmes méthanogènes mis en mélanges et testés de façon individuelle. En mélangeant des écosystèmes méthanogènes différents, la diversité des Archées a augmenté transitoirement. Une corrélation est d’ailleurs observée entre la diversité de ces communautés mélangées et leur performance méthanogène, seulement à même diversité les communautés individuelles ont un meilleur fonctionnement. L’assemblage de certaines communautés mélangées a pourtant permis une meilleure production de méthane que les communautés individuelles, ce qui suggère le développement d’interactions spécifiques de ces communautés. De façon nouvelle par rapport à la littérature, la majorité des communautés bactériennes individuelles sont retrouvées dans les communautés mélangées. Soit contrairement à l’idée d’une sélection d’une communauté plus adaptée ou plus fonctionnelle, ici la majorité des communautés se sont implantées. Ces expériences suggèrent qu’un paramètre tel que la fonctionnalité d’un bioprocédé peut-être amélioré par bioaugmentation. / Anaerobic digestion is a biological process carried out by a complex and synergistic network of microbial communities allowing the degradation of organic matter such as agricultural waste or effluents from wastewater treatment plants, into biogas, a gas recoverable into energy. The mechanisms influencing microbial communities at the heart of this process but also in nature remain misunderstood because of a low understanding of their dynamics. The objectives of this project are therefore to develop an anaerobic digestion system to better understand the dynamics of microbial community assembly. Thus, a new continuous reactor process has been developed with automated feeding, biomass wasting and degassing functions. Automation and multiplexing of reactors allows for the continuous parallel manipulation of 30 reactors in parallel. In addition to the automation, many parameters are versatile, such as the substrate loading (once a minute up to batch conditions), the reactor volume (50 to 200 mL), the temperature (room to 55°C), but also the use of the aerobic system or the implementation of other tools such as LEDs for phototrophic cultures. Capable of accurately quantifying the performance of a methanogenic ecosystem, this system has enabled us to test the structure and the performance of five different methanogenic ecosystems that have been mixed and tested individually. By mixing different methanogenic ecosystems the Archaea diversity has increased transiently. Besides, a correlation is observed between the diversity of mixed communities and their methanogenic performance; yet the individual communities have a better functioning at the same level of diversity. Interestingly, the mixture of some communities has allowed for better methane production than individual communities, suggesting the development of specific interactions in these communities. In a novel way compared to the literature and that the majority of individual bacterial communities are found in mixed communities. Contrary to the idea of selecting a more adapted or functional community, here the majority of communities have settled. These experiments suggest that a parameter such as the functionality of a bioprocess can be improved by bioaugmentation.

Lipídeos contidos em resíduos de laticínios além de representarem uma perda industrial importante, interferem negativamente nos sistemas de tratamento de efluentes inibindo a atividade microbiana do consórcio (Mendes, 2005). O objetivo do presente trabalho foi estudar a degradação anaeróbia de gorduras do leite hidrolisadas com duas enzimas: lipase comercial de Candida rugosa (éster-inespecífica), e preparado enzimático de Geotrichum candidum (lipase éster-específica). Determinaram-se condições ótimas de hidrólise de gorduras do leite no tocante a tempo e temperatura de processo. Após esta etapa, determinou-se a produção metanogênica advinda da estabilização de esterco bovino combinado com gorduras de laticínios hidrolisadas e in natura. As condições ótimas de ação de lipase comercial de C. rugosa em gorduras do leite foram obtidas com temperatura de 40ºC e pH de 6,5. As condições ótimas de ação de preparado enzimático de G. candidum foram obtidas com temperatura de 40ºC e pH de 7,5. Os tempos de processo hidrolítico para a produção máxima de ácidos graxos foram de 8 horas e 16 horas quando se utilizaram preparado enzimático de G. candidum e solução de lipase comercial de C. rugosa respectivamente. As velocidades de processo, bem como os valores de biodegradabilidade anaeróbia, produção metanogênica específica e coeficiente de conversão (Yp/s) indicaram ser muito mais eficiente a utilização lipase de C. rugosa na hidrólise das gorduras do leite, quando o objetivo do processo é a produção de biogás. Além disso, o preparado enzimático de G. candidum ocasionou inibição da atividade metanogênica acetoclástica. Quando se realizou um estudo variando-se a concentração de gordura no tratamento enzimático, obteve-se a maior produção de ácido oléico quando se utilizaram 42 gramas de gordura por grama de enzima. Por outro lado, o melhor fator de conversão entre produto e substrato foi verificado quando a relação entre a massa de gordura e a massa de enzima foi igual a 6g/g. / Lipids in dairy waste as well as representing an important industrial loss, interfere negatively in wastewater treatment systems by inhibiting microbial activity of the consortium. The aim of this work was to study the anaerobic degradation of hydrolyzed milk fats using two enzymes: lipase from Candida rugosa, which is an ester unspecific enzyme; and other specific lipase obtained from Geotrichum candidum. Optimal conditions for hydrolysis of milk fat regarding pH, time and temperature were determined. After that, the methanogenic production from the stabilization of cattle manure combined with fats (hydrolyzed and in nature) was evaluated. The optimum conditions for the action of commercial C. rugosa lipase were obtained at 40ºC and pH 6.5. The optimum conditions for the action of G. candidum preparation were obtained at 40ºC and pH 7.5. Maximum product concentrations were obtained within 8 hours and 16 hours when preparation of G. candidum and C. rugosa lipase were used, respectively. The initial methanogenic production rate, the values of anaerobic biodegradation, the specific methanogenic production and the methane yield as well, showed that the use of C. rugosa lipase in the hydrolysis of fats is more efficient when the goal of the process is the production of biogas. The use of the enzymatic preparation of G. candidum did not cause any benefits, and in addition, caused bigger inhibition of acetoclastic methanogenic activity. When the initial concentration of substrate was varied for the enzymatic treatment, it was possible to verify higher oleic acid accumulated production when 42 grams of fat where used per gram of enzyme. On the other hand, the higher conversion factor between product and substrate was obtained when the relation between the mass of fat and the mass of enzyme was 6g/g.

O resíduo da primeira destilação do vinho, a vinhaça, destaca-se dentre os demais gerados na produção de etanol de cana-de-açúcar pelo seu grande volume e alta concentração de substâncias orgânicas. O tratamento anaeróbio desse efluente pode melhorar suas características físico-química (e.g. pH e DQO) além de produzir um combustível alternativo ao gás natural, o biogás. No entanto, apesar dos possíveis ganhos energéticos e ambientais, essa tecnologia apresenta dificuldades em se tornar viável no setor sucroenergético. Tendo em vista esse cenário, este trabalho propõe uma nova análise termodinâmica, baseada no método exergético, do potencial da vinhaça e do biogás provindo de seu tratamento. Para isso, modelou-se a digestão anaeróbia da vinhaça por meio do ADM1 (Anaerobic Digestion Model Nº1) e atualizou-se o cálculo da exergia química deste efluente. Assim, os resultados obtidos indicam que o tratamento anaeróbio pode recuperar uma significativa parcela da exergia descartada com a vinhaça (44-52% de 189-1529 kJ/l), dependendo da degradabilidade e concentração do material orgânico, bem como o regime de operação do reator anaeróbio. Nota-se também, que apesar de a digestão anaeróbia ser mais eficiente com maiores tempos de retenção hidráulica, é preferível maximizar o volume de vinhaça tratada em detrimento da qualidade de conversão. Além disso, o desempenho anual da geração de biogás também é afetado pelo seu processo de partida e pela sazonalidade da produção de etanol. Por outro lado, a planta de biogás promove maiores reduções de exergia destruída em comparação com a fertirrigação e a concentração de vinhaça. Possíveis integrações térmicas entre a planta de biogás e a unidade de concentração de vinhaça foram propostas e analisadas, atingindo melhores eficiências exergéticas e reduzidas demandas térmicas. De forma geral, esse estudo demonstra a aplicação do método exergético na valorização de resíduos orgânicos por meio da produção de biogás. / The residue of the first distillation of wine, vinasse, stands outs in the sugarcane ethanol production due to its huge volume and high concentration of organic substances. The anaerobic treatment of this effluent can enhance its physical-chemical characteristics (e. g. pH and COD) in addition to produce an alternative fuel to natural gas, the biogas. However, although there are possible gains in the energy and environmental aspects, this technology presents difficulties to become viable in Brazilian market. Therefore, this work proposes a new thermodynamic analysis, based on the exergy method, of the potential of vinasse and biogas produced in its anaerobic treatment. In order to accomplish this, the anaerobic digestion of vinasse was modeled with ADM1 (Anaerobic Digestion Model Nº1) and the chemical exergy calculation of this effluent was updated. Thus, the results obtained indicate that the anaerobic treatment can recover a significant part of vinasse exergy (44-52% of 189- 1529 kJ/l), depending on the digestible material concentration, as well as the anaerobic reactor operation. It also can be notice that, although anaerobic digestion be more efficient at higher retention times, it is desirable to maximize treated vinasse volume to the detriment of conversion quality. Furthermore, the biogas production yearly performance is also affected by the reactor start-up process and the ethanol production seasonality. On the other hand, the biogas plant promotes higher reductions of exergy destruction in comparison with fertirrigation and vinasse concentration. Possible thermal integrations between the biogas plant and the vinasse concentration plant were proposed and analyzed, reaching better exergy efficiencies and reduced thermal demand. In general, this study demonstrates the exergy method application in organic residues upgrade by biogas production.

A expansão do setor sucroenergético favoreceu o desenvolvimento da tecnologia de etanol de segunda geração (2G). No entanto, este é um processo que leva à geração de altíssimos volumes de resíduos, bem como o processo de primeira geração (1G). O principal deles é a vinhaça, que também apresenta elevado potencial poluidor. Nesse contexto, vê-se, portanto, a necessidade de se dar uma finalidade adequada ao resíduo. A digestão anaeróbia se tornou uma tecnologia muito disseminada e valorizada em outros países. Isso se deve às vantagens em gestão de resíduos e na geração de energia proporcionadas por essa tecnologia. O potencial de aplicação da vinhaça para produção de biogás é enorme, dado que é um resíduo muito rico em matéria orgânica e de grande disponibilidade no Brasil. A digestão anaeróbia precisa também ser desenvolvida para o resíduo do processo de etanol 2G, pois espera-se que as características da vinhaça gerada sejam diferentes. É importante a investigação da influência que a composição da vinhaça 2G pode ter sobre o processo da digestão anaeróbia e produção de biogás, e este foi o principal objetivo deste trabalho. Para isso, realizou-se inicialmente a caracterização de vinhaça 1G e de vinhaça 2G obtidas para o experimento deste estudo. A composição das duas vinhaças apresentou as principais diferenças para as concentrações de DQO, ácidos orgânicos (sobretudo o ácido acético), compostos fenólicos e sulfato. Foram obtidas concentrações de DQO de 30.732,80 mg O2 L-1 e 19.038,13 mg O2 L-1 para vinhaça 1G e vinhaça 2G, respectivamente. As concentrações de ácido acético e compostos fenólicos totais foram, respectivamente, 88,14% e 84,10% maiores na vinhaça 2G do que na vinhaça 1G. A concentração de sulfato na vinhaça 2G foi 28,11% menor que a concentração obtida na vinhaça 1G. A avaliação de processo de produção de biogás foi realizada em dois reatores metanogênicos, um utilizando vinhaça 1G como substrato e outro, utilizando vinhaça 2G. Os processos foram monitorados segundo a produção de biogás por DQO removida, produção de ácidos orgânicos, alcalinidade, remoção de compostos fenólicos, remoção de ânions e retenção de sólidos. Os efluentes dos reatores metanogênicos também foram caracterizados segundo o teor de cátions. O processo com vinhaça 2G teve produção de biogás quatro vezes maior que o processo com vinhaça 1G. Foram obtidos valores médios de 0,32 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 2G e 0,08 Lbiogás DQOremov-1 para o processo com vinhaça 1G. De acordo com o monitoramento dos processos por alcalinidade e concentração de ácidos orgânicos, o processo com vinhaça 2G também se mostrou mais eficiente do que o processo com vinhaça 1G no que diz respeito ao consumo de matéria orgânica. A remoção de compostos fenólicos totais teve eficiência média de 56,96% para o processo utilizando vinhaça 2G, enquanto que o processo com vinhaça 1G não foi capaz de removê-los. Infere-se que a elevada concentração de ácido acético na vinhaça 2G tenha contribuído para o processo de produção de biogás. A alta disponibilidade de acetato favorece a atividade metabólica de arqueas metanogênicas, o que é fundamental para o equilíbrio químico da conversão de matéria orgânica em biogás. / The Sucroenergetic sector expansion has favored the development of second generation ethanol technology. However, the process leads to the production of large amounts of residues, as well as the first generation process. The main residue is the vinasse, which is very pollutant. In this context it becomes clear the need of giving an appropriate application for vinasse. Anaerobic digestion has turned into a very disseminated and very well accepted technology in many countries, which is mainly due to its results as an efficient waste management and energy generation. Vinasse has a great potential for biogas production through anaerobic digestion, since it is a residue with high organic matter and in large availability in Brazil. Such technology has to be developed also for the residues obtained through second generation ethanol process. With a different process, it is expected that residues composition might also be different. It is important to look into the influence that second generation vinasse composition may bring to anaerobic digestion. The purpose of this study was to investigate the effects of second generations vinasse composition over the biogas production process. Before experiments, first and second generation vinasses were characterized. The most remarkable differences for vinasses composition were obtained for COD concentration, organic acids concentration (specially for acetic acid), phenolic compounds and sulphate. COD concentrations were 30,732.80 mg O2 L-1 and 19,038.13 mg O2 L-1 for first generation vinasse and second generation vinasse, respectively. Acetic acid and total phenolic compounds were, respectively, 88.14% and 84.10% higher for second generation vinasse than those found for first generation vinasse. Sulphate concentration for second generation vinasse was 28.11% lower than first generation vinasse\'s concentration. Biogas production process was evaluated for two different methanogenic reactors: first generation vinasse was used as substrate for one reactor and second generation vinasse was used as substrate for the second one. Processes were monitored according to biogas production by removed COD, organic acids production, alkalinity, phenolic compounds removal, anions removal and solids retention. Both reactors had their effluents characterized by cations content. In the process carried out with second generation vinasse the biogas production was four times higher than in the process carried out with first generation vinasse. The average values were 0.08 Lbiogas CODremoved-1 and 0.32 Lbiogas CODremoved-1 for first and second generation, respectively. Considering processes monitoring by alkalinity and organic acids concentrations, the process carried out with second generation vinasse was more efficient in regards to organic matter consumption. The average efficiency for total phenolic compounds removal was 56.96% for the process using second generation as substrate. On the other hand, the process with first generation vinasse was not capable of consuming them. The results obtained in this study suggest that the high acetic acid concentration in second generation vinasse have contributed to biogas production. High acetate availability promotes archaeas metabolic activity, which is fundamental for chemical balance in converting organic matter into biogas.

O objetivo principal desta pesquisa foi comparar o desempenho de dois reatores anaeróbios híbridos de biomassa imobilizada (RAHBI), em escala de laboratório, no processamento da vinhaça de cana-de-açúcar. Um (reator 1) recebendo vinhaça sem tratamento prévio e outro (reator 2) processando vinhaça previamente submetida à coagulação, utilizando-se de um biopolímero experimental a base de cálcio. Os reatores foram construídos em acrílico, com volume de 1,5 litros cada, provido de sistema de recirculação com razão igual a 3. A operação dos reatores foi dividida em duas etapas: a primeira, com duração de 69 dias, teve seu fim caracterizado por um colapso apresentado pelo reator 2. A segunda fase, com duração de 37 dias, onde se observou outro colapso. O principal parâmetro de controle no monitoramento dos reatores foi a quantificação de matéria orgânica, em termos de Demanda Química de Oxigênio (DQO). Durante a Fase I, o reator 1 apresentou eficiência de remoção média de 82,9 ± 4,4% , e o reator 2 de 72,2 ± 18,1%. A carga orgânica volumétrica (COV) média aplicada para o reator 1, durante esta fase, foi de 5,3 ± 1,3 kg DQO/\'M POT.3\'d, e para o reator 2 foi de 5,3 ± 1,6 kg DQO/\'M POT.3\'d. O colapso ocorrido no reator 2 foi evidenciada pelo decréscimo acentuado da eficiência de remoção, chegando a 33,7%. Durante a Fase II, o reator 1 apresentou eficiência de remoção média de 77,5 ± 9,4% , e o reator 2 de 79,2 ± 9,7%. A carga orgânica volumétrica (COV) média aplicada para o reator 1, durante esta fase, foi de 5,1 ± 2,4 kg DQO/\'M POT.3\'d, e para o reator 2 foi de 5,0 ± 2,3 kg DQO/\'M POT.3\'. Ao final desta fase o reator 1 apresentou eficiência de remoção de 80,9%, e o reator 2 65.8%. Foram analisados, também, alcalinidade e produção de metano (\'CH IND.4\'). Durante todas as fases, a alcalinidade dos dois reatores esteve acima de 1000 mg \'CA\'CO IND.3\'/l, indicando estabilidade, em relação a este parâmetro, dos reatores. A produção de \'CH IND.4\' do reator 1 foi de 0,0507 ± 0,0232 l \'CH IND.4\'/h e 0,0838 ± 0,0326 l \'CH IND.4\'/h nas fases I e II, respectivamente. Para o reator 2, esta produção foi de 0,0307 ± 0,0137 l \'CH IND.4\'/h e 0,0800 ± 0,0297 l \'CH IND.4\'/h, para as fases I e II, respectivamente. Foram feitos ensaios de resistência mecânica dos grânulos, análise de microscopia eletrônica de varredura (MEV), Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X (EDS) e análise da comunidade microbiana, empregando técnicas de biologia molecular. Os testes de resistência mecânica dos grânulos indicam que os grânulos contidos no inóculo, reatores 1 e 2 possuem resistência à desintegração. As análises de MEV e EDS indicam a presença do elemento cálcio com aproximadamente 22% para o inóculo, 39% para o reator 1 e 50% para o reator 2, na massa dos elementos analisados das amostras de grânulos. As análises de biologia molecular indicaram similaridades entre os reatores 1 e 2 de 66,5 e 58%, para os domínios Bacteria e Archea, respectivamente. Desta forma, supõe-se que esta diferença da biota entre os reatores não estaria contribuindo para a falha conferida no reator 2. / This research aimed at compare the performance of two hybrid anaerobic immobilized biomass (HAIB), in laboratory scale, processing vinasse from sugar cane alcohol destilery. Reactor 1 received vinasse without pre-treatment. Reactor 2 processed coagulated vinasse using a calcium-based biopolymer as coagulant. The two reactors were built in acrylic, with a volume of 1,5 liters each. The recirculation flow rate was 3. The operation of the reactors was divided in two phases: first, lasting 69 days, came to an end characterized by a failure (collapse) presented by the reactor 2. The second phase, lasting 37 days, came to an end characterized by another collapse. The main control parameter in the monitoring of the reactors was the quantification of organic matter in terms of COD. During Phase I, the reactor 1 showed average removal efficiency of 82,9 ± 4,4%, and the reactor 2 72,2 ± 18,1%. The organic loading rate (VOC) average applied to reactor 1, during this phase, was 5,3 ± 1,3 kg DQO/\'M POT.3\'d, and 5,3 ± 1,6 kg DQO/\'M POT.3\'d for the reactor 2. The failure occurred in the reactor 2 was evidenced by the sharp decrease of removal efficiency, reaching 33.7%. During Phase II, the reactor 1 showed average removal efficiency of 77,5 ± 9,4%, and the reactor 2 79,2 ± 9,7%. The average VOC applied to reactor 1, during this phase, was 5,1 ± 2,4 kg DQO/\'M POT.3\'d, and 5,0 ± 2,3 kg DQO/\'M POT.3\'d for reactor 2. At the end of this phase, the reactor 1 showed a removal efficiency of 80.9%, and the reactor 2 65.8%. Has also been analyzed, alkalinity and methane (\'CH IND.4\'). During all the phases, the alkalinity of both reactors was above 1000 mg \'CA\'CO IND.3\'/l, indicating stability in the reactors. The production of \'CH IND.4\' was 0.0507 ± 0.0232 l \'CH IND.4\'/h and 0.0326 ± 0.0838 l \'CH IND.4\'/h in phases I and II, respectively. For the reactor 2, the production of \'CH IND.4\' was 0,0307 ± 0,0137 l \'CH IND.4\'/h e 0,0800 ± 0,0297 l \'CH IND.4\'/h for the phases I and II, respectively. Assays were performed in mechanical granules strength, analysis of scanning electron microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy X-ray (EDS) and analysis of the microbial community, using molecular biology techniques. The tests of mechanical of granules strength indicate that the granules contained in the inoculum, reactors 1 and 2 are resistant to disintegration. The SEM and EDS analysis indicated the presence of calcium element with approximately 22% inoculum, 39% for reactor 1 and 50% for reactor 2, in the mass of the elements analyzed samples of granules. The microbial community analyzes indicated molecular similarity between the first and second reactor of 66.5 and 58% for Bacteria and Archea domain, respectively. Thus, it is assumed that the difference between the biota of the reactors would not be contributing to the failure given in the reactor 2.

A biomassa lignocelulósica é uma alternativa atrativa para o aumento na oferta de biocombustíveis, uma vez que é constituída de celulose e hemicelulose. Esses polímeros são constituídos principalmente de unidades menores de glicose e xilose, os quais por meio de bactérias anaeróbias termófilas, podem ser metabolizados em etanol. Portanto, estabeleceu-se o objetivo desse trabalho, em utilizar as principais fontes de carbono da biomassa lignocelulósica (celulose, glicose e xilose), e produzir etanol por meio da ação de consórcio microbiano selecionado a partir de inóculo termófilo e anaeróbio. O inóculo foi submetido a condição de crescimento com variação de pH (2,3,4,5,6,e 7) e variação de dois meios de cultivo em reatores em batelada, visando favorecer bactérias celulolíticas e fermentativas produtoras de etanol. Para a produção de etanol, o pH e meio de cultivo mais adequados foram 7,0 e Meio Thermoanaerobacter ethanolicus, respectivamente. A partir do inóculo enriquecido nas condições nutricionais de pH e meio de cultivo, prosseguiu-se a realização dos ensaios de produção de etanol a partir de celulose, glicose e xilose (1g/L de cada substrato), em pH 7 e meio T. ethanolicus. Os ensaios foram realizados em reator em batelada, em triplicata, a 55 ºC, ambos seguidos de um reator controle, sem adição desses substratos orgânicos. Os rendimentos de etanol foram de 1,73 mol etanol/mol glicose e 1,33 mol de etanol /mol de xilose. Para o substrato celulose obteve-se 1,88 mmol de etanol/g de celulose. Para os reatores controle de glicose, celulose e xilose, no qual o extrato de levedura foi a única fonte orgânica adicionada, a produção de etanol foi 1,27 mmol/L, 0,39 mmol/L e 1,65 mmol/L, respectivamente. Em todos os reatores foi detectado produção de ácido acético, ácido butírico e ácido propiônico. A produção de ácido acético foi de 5,73 mmol/L, 9,73 mmol/L e 14,45 mmol/L, para os reatores de glicose, celulose e xilose, respectivamente. No reator com glicose, observou-se baixo rendimento de hidrogênio (0,31 mol hidrogênio/mol glicose), e nos demais reatores não foi constatado produção desse gás. Em contrapartida, observou-se rendimentos de 6,6 mmol de metano/g de celulose e 0,68 mol de metano/mol de xilose para os respectivos reatores. Dessa forma, pode-se mencionar que em função das características do consórcio microbiano foi possível obter a degradação da celulose e metabolização da glicose e xilose em etanol. / Lignocellulosic biomass is an attractive alternative to increase biofuels proposal, as its composed of cellulose and hemicellulose. These polymers are consisted in individual molecules of glucose and xylose, through some thermophilic bacteria, can metabolize these carbohydrates in ethanol. Therefore, this study reports on using the principals carbon sources of lignocellulosic biomass (cellulose, glucose, and xylose), and producing ethanol through microbial consortium from anaerobic and thermophilic inoculum. The biomass was submitted to variation of pH (2,3,4,5,6, and 7) and two kinds of medium, due to ethanol production in batch reactors. For ethanol production, the optimized pH and medium were 7,0 and Thermoanaerobacter ethanolicus medium, respectively. The enriched culture was being cultivated in pH and medium experiments were used to ethanol production experiments that carried out in batch reactors, from cellulose, glucose and xylose were realized in triplicate and were maintained at 55 °C, in both batches had a control reactor (without these organics substrates). Positive results in ethanol yields were 1,73 mol ethanol/ mol glucose and 1,33 mol ethanol/ mol xylose. In celluloses reactors the microbial consortium was efficient in substrate degradation, however, was obtained lower ethanol yields (1,88 mol ethanol/ g cellulose). In control reactors from glucose, cellulose and xylose, that yeast extract was the unique organic source, ethanol production was 1,27 mmol/L, 0,39 mmol/L e 1,65 mmol/L, respectively. In all reactors were detected acetic, butyric and propionic acids. The acetic acid production was 5,73 mmol/L, 9,73 mmol/L e 14,45 mmol/L in glucose, cellulose and xylose reactors, respectively. For glucoses reactors were observed lower hydrogen production (0,31 mol hydrogen/ mol glucose), in the other reactors did not observed gases production. Instead of the following yields were obtained: 6,6 mmol methane/ g cellulose and 0,68 mol methane/ mol xylose. Taking this into account, microbial consortium enriched had characteristics to degrade cellulose and metabolize glucose and xylose to ethanol.

Orientador: Ribeiro, Clóvis Augusto / Banca: Salvador Claro Neto / Banca: Eder Tadeu Gomes Cavalheiro / Banca: Luciana Camargo de Oliveira / Banca: Evaneide Nascimento Lima / Resumo: O crescimento na produção brasileira de cana-de-açúcar devido, principalmente, à obtenção de açúcar e álcool é motivado pelo aumento na exportação deste subproduto e produção de veículos bicombustíveis, respectivamente. Desta maneira, há maior geração de bagaço, embora possuindo inúmeras utilidades, muitas vezes existe um excesso remanescente do total gerado. Assim, são necessários estudos que viabilizem o uso deste resíduo. Neste trabalho foi estudada a modificação da fração lignocelulósica durante o processo de compostagem e biodigestão anaeróbia do bagaço de cana-de-açúcar. Amostras foram coletadas em diferentes períodos para ambos os processos (0 (cru), 7; 45; 60; 90; 120; 272 dias; 1 ano e 1 ano e 2 meses) e acompanhadas por meio de parâmetros como: pH, umidade, temperatura, presença de metais e demanda química de oxigênio. A caracterização foi feita com o auxílio de técnicas termoanalíticas (TG/DTG/DTA e DSC) e espectroscopia na região do infravermelho. As amostras provenientes dos processos aeróbios e anaeróbios foram submetidas às extrações de lignina, utilizando-se dioxano/HCl (9:1) e, de celulose e hemicelulose, as quais foram obtidas do resíduo sólido resultante da extração de lignina. O comportamento térmico e espectros de infravermelho dessas substâncias foram avaliados e, comparadas suas degradações e modificações na ausência e presença de oxigênio. Os resultados obtidos mostraram que a digestão anaeróbia é mais lenta que a compostagem na decomposição de seus constituintes, principalmente, lignina e celulose/hemicelulose, fato comprovado por suas respectivas curvas de Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC); além da constatação de modificações nas estruturas de lignina e celulose ao longo dos dois processos, bem como, fortes evidências... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The growth in the Brazilian sugarcane production, mainly, due to obtain sugar and alcohol is motivated by the increase in export of this subproduct and production of flex-fuel vehicles, respectively. This way, there is a larger bagasse generation, although having many uses, often there is an excess remaining of the total generated. Thus, studies are needed that allow the use of this waste. The modification lignocellulosic fraction during composting and anaerobic biodigestion process of sugarcane bagasse was studied in this work. Samples were collected in different periods for both process (0 (raw); 7; 45; 60; 90; 120; 272 days and 1 year and 1 year and 2 months) and monitored by parameters, such as: pH, humidity, temperature, presence of metals and chemical oxygen demand. The characterization was made with help of thermoanalytical techniques (TG/DTG/DTA e DSC) and infrared spectroscopy. The samples from aerobic and anaerobic process were submitted to lignin extraction, using dioxane/ HCl (9:1), and hemicelluloses/cellulose extraction which were obtained from solid residue resulting of lignin extraction. The thermal behavior and infrared spectra from these substances were evaluated and then compared their degradation and changes in the oxygen presence and absence. The obtained results have showed that anaerobic digestion is slower than composting in its constituents decomposition, mainly, lignin and cellulose/hemicellulose, as demonstrated by their respective curves of Differential Scanning Calorimetry (DSC); besides verifying changes in the cellulose and lignin structures through the two process, as well as, strong evidences of lignin in the cellulose extract and, rare assignments of cellulose to lignin extracted. Concerning to humification, a greater tendency for composting samples was observed, mainly... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor