Submitted by Neusa Fagundes (neusa.fagundes@unioeste.br) on 2018-09-06T14:03:20Z No. of bitstreams: 2 Angelo_Mari2018.pdf: 2243304 bytes, checksum: 694a2b64869c2cc929922f0f08581cd4 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-06T14:03:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Angelo_Mari2018.pdf: 2243304 bytes, checksum: 694a2b64869c2cc929922f0f08581cd4 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-01-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Cassava starch industries have produced wastewater, which is their main environmental problem. Therefore, two-phase anaerobic digestion systems represent a newsworthy treatment alternative due to their efficiency in organic load removal and biogas production capacity. Thus, this study aimed at evaluating methane production from cassava starch wastewater in a sequential batch biofilm reactor (AnSBBR) as part of a two-phase system. The evaluation was composed of two main parts: i) analysis of a methanogenic reactor performance according to the increasing organic loads; and ii) the economic availability analysis regarding the reactor scaling-up for industrial scale. In the first part of this study, some previously acidified cassava starch wastewater was used to feed a methanogenic AnSBBR reactor on laboratory scale. The reactor has been submitted to increasing applied organic volumetric loads from 3.7 to 12.0 g COD.L-1.d-1, which were established by variation between affluent concentration and cycle time of a sequential batch reactor. The affluent concentration ranged from 2.8; 4.1 and 6.0 g COD-L-1, in sequential batches with cycle time of 6, 8 and 12 hours. The reactor was carried out at 30±1oC; it was stirred by a liquid phase recirculation and has been filled with support medium composed of polyurethane foam. The results of this first stage have shown that there was an increase in the organic loading rate (OLR) due to an increase on the affluent concentration and, mainly, a decrease on the cycle time duration showed an affect on the reactor performance. Methane productivity increased due to the increase in OLR and has reached 2.7 L CH4 L-1d-1 at OLR 12.0 g COD-L-1.d-1. COD removal has also been affected by OLR increase and ranged from 94 to 60%. And, the lowest values of COD removal were ascribed to the shortest cycle times. All the experimental conditions were constant. In the second part of this study, a two-phase anaerobic digestion system was designed on an industrial scale, based on the results previously obtained. Finally, an economic feasibility analysis was developed to settle down this project, which considered a twenty-year useful life term. The results of the second phase evinced that the simple payback was 8.4 years and the discounted payback was 15.9 years. Thus, it was recorded that this project can bring forth a profit similar to the net present value (R$ 1.9 million) at the end of the project lifetime, while internal rate of return was calculated in 11.1%. These results indicated that the two-stage system is economically viable to produce methane from starch wastewater. / As indústrias de produção de fécula de mandioca têm nas águas residuárias seu principal passivo ambiental, e o sistema de digestão anaeróbia em duas fases representa uma alternativa relevante de tratamento, devido à eficiência em remover a carga orgânica e a capacidade de produção de biogás. Assim, este estudo teve como objetivo avaliar a produção de metano a partir de água residuária de fecularia em um reator em batelada sequencial com biomassa imobilizada (AnSBBR) como parte de um sistema em duas fases. A avaliação desenvolvida foi composta por duas partes principais: i) análise do desempenho do reator metanogênico em função de cargas orgânicas crescentes; ii) análise de viabilidade econômica da ampliação do reator para a escala industrial. Na primeira parte do estudo, utilizou-se água residuária de fecularia previamente acidificada para abastecer um reator AnSBBR metanogênico em escala de laboratório. O reator foi submetido a cargas orgânicas volumétricas aplicadas (COVa) de 3,7 a 12,0 g DQO L-1d-1, estabelecidas pela variação entre a concentração do afluente e o tempo de ciclo do reator em batelada sequencial. As faixas de concentração testadas foram de 2,8; 4,1 e 6,0 g DQO.L-1, em bateladas sequenciais com tempos de ciclo de 6, 8 e 12 horas. O reator foi operado na temperatura de 30±1 oC, e contou com agitação por recirculação da fase líquida e meio suporte composto por espuma de poliuretano. Os resultados da primeira etapa demonstraram que o aumento da carga orgânica volumétrica pelo incremento da concentração do afluente e, principalmente, pela redução do tempo de ciclo, influenciou no desempenho do reator. A produtividade de metano aumentou com o acréscimo da COVa e atingiu 2,7 LCH4 L-1d-1 na COVa de 12,0 g DQO L-1d-1. A remoção de DQO também foi afetada pelo aumento da COVa, tendo variado de 94 e 60%, logo, os menores valores de remoção de DQO são atribuídos aos menores tempos de ciclo. Todas as condições experimentais se mostraram estáveis. Na segunda parte do estudo, dimensionou-se um sistema de digestão anaeróbia em duas fases em escala industrial, a partir dos resultados obtidos anteriormente. Por fim, foi desenvolvida uma análise de viabilidade econômica da implantação do projeto, que considerou um período de vida útil de vinte anos. Os resultados da segunda etapa demonstraram que o payback simples foi de 8,4 anos e o payback descontado de 15,9 anos. Ao final do tempo de vida útil, o projeto gerou lucro igual ao valor presente líquido de R$ 1,89 milhão e a taxa interna de retorno foi de 11,1%. Os resultados indicaram que o sistema em duas fases para a produção de metano a partir de água residuária de fecularia é economicamente viável.

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2018-11-23T16:43:21Z No. of bitstreams: 1 Andre_Souza_2018.pdf: 3532438 bytes, checksum: 75b2d4c04117567967dd3496b7c4c303 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-23T16:43:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andre_Souza_2018.pdf: 3532438 bytes, checksum: 75b2d4c04117567967dd3496b7c4c303 (MD5) Previous issue date: 2018-09-28 / The development of societies, has always been interconnected energy sources, this way the H2 appears as a possible source. Nowadays, the biological pathway, the bacterial fermentation, has been highlighted, as it presents good productivity and low cost. The present work proposes to evaluate the potential of microbial consortia, which are easily accessible in the production of BioH2, by fermentation using the whey as a culture medium. This was done by productive complexes called PUBC (Pure Bacterial Complex), PIBC ( Pig Bacterial Complex), LACB (Land Bacterial Complex) and OXBC (Ox Bacterial Complex), where the fermentative medium was formed with 1ml of each complex and 6ml of culture medium, kept in a greenhouse with a temperature of 33ºC for a period of 07 days, where the concentration and production of the organic acids and gases were verified, resulting in 35% PUBC and 700 mLBioH2 / L (substrate) and with higher productivity of acetic acid, PIBC 36% and 1594 mLBioH2 / L, with higher concentration of butyric acid,LACB 37% and 1691 mLBioH2 / L, with higher productivity of succinic acid and OXBC 51% and 4371 mLBioH2 / L, with the productivity of organic acids divided into butyric and succinic. The results obtained showed a productive capacity of BioH2 and of organic acids, which in the case of OXBC obtained higher productive yield than works found in the current literature, making possible a new research and analysis to be done later. / O desenvolvimento das sociedades, sempre esteve interligadas as fontes energéticas, desta forma o H2 aparece como possível fonte. Atualmente a via biológica, a fermentação bacteriana, vem apresentando destaque, por apresentar boa produtividade e baixo custo. O presente trabalho propõem-se a avaliar o potencial de consórcios microbianos, de fácil acesso na produção de BioH2, por via fermentativa, utilizando o soro de leite como meio de cultivo. Esta foi realizada por complexos produtivos denominados de CBPU (Complexo Bacteriano Puro), CBPO (Complexo Bacteriano Porco), CBTE (Complexo Bacteriano Terra) e CBBO (Complexo Bacteriano Boi), onde o meio fermentativo foi formado com um 1ml de cada complexos e 6ml de meio de cultivo, mantidos em uma estufa com a temperatura em 33ºC, por um período de 07 dias, onde foi verificado a concentração e produção dos gases e ácidos orgânicos, tendo como resultado no CBPU 35% e 700 mLBioH2/L(substrato) e com maior produtividade de ácido acético, o CBPO 36% e 1594 mLBioH2/L, com maior concentração de ácido butírico, o CBTE 37% e 1691 mLBioH2/L, com maior produtividade de ácido succínico e o CBBO 51% e 4371 mLBioH2/L, com a produtividade de ácidos orgânicos dividida em butírico e succínico. Os resultados obtidos demonstraram ter capacidade produtiva de BioH2 e de ácidos orgânicos, que no caso do CBBO obteve rendimento produtivo maior que trabalhos encontrados na literatura atual, possibilitando um direcionamento para novas pesquisas e análises a serem feitas posteriormente.

A presente pesquisa teve como proposta avaliar o reator anaeróbio, operado de forma descontínua ou descontínua alimentada, contendo biomassa imobilizada em suporte inerte e com recirculação da fase líquida (AnSBBR) aplicado à produção de biohidrogênio a partir da codigestão de glicerina (efluente da produção de biodiesel) e soro de leite (efluente da produção de laticínios). A estabilidade, os índices de desempenho (referentes à produtividade e rendimento molar do hidrogênio) e o fator de conversão (entre biogás produzido e matéria orgânica consumida) foram analisados em função da composição afluente (porcentagem de cada substrato alimentado ao sistema), da variação da carga orgânica, do tempo de enchimento e da temperatura (20, 25, 30 e 35ºC). Os ensaios foram realizados em diferentes proporções dos substratos utilizando-se variadas cargas orgânicas volumétricas (10,3; 17,1 e 24,0 gDQO.L-1.d-1), as quais foram modificadas em função: (i) da concentração afluente (3, 5 e 7 gDQO.L-1) e (ii) do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h, ou seja, 6, 8 e 12 ciclos diários). Também foram realizados ensaios para a produção de biometano a partir da codigestão proposta nesta pesquisa (com COAV de 7,6 gDQO.L-1.d-1) em diferentes proporções de mistura. Para a produção de biometano, a condição com 75% de soro e 25% de glicerina (base DQO) obteve os melhores resultados: produtividade molar de 101,8 molCH4.m-3.d-1 e rendimento por carga aplicada de 13,3 molCH4.kgDQO-1; o que representa um aumento de produtividade de cerca de 9% e 30% quando comparado com a digestão anaeróbia de soro e glicerina puros, respectivamente. A produção de metano no melhor ensaio aconteceu predominantemente pela rota hidrogenotrófica. Para a produção de biohidrogênio, a maior produtividade e rendimento do reator foram obtidas no ensaio operado com razão de mistura de 75% soro e 25% glicerina, com 7 gDQO.L-1 de concentração afluente, tempo de ciclo de 3 h e tempo de enchimento de 1,5 h (modo batelada alimentada - COAV de 23,9 kgDQO.m-3.d-1), a 30°C: foi obtida uma produtividade molar de 129,0 molH2.m-3.d-1 e rendimento de 5,4 molH2.kgDQO-1. Esses resultados representam um aumento de produtividade de 145% em relação a mono-digestão do soro na condição inicial, o que indica o benefício significativo da adição de glicerina ao afluente, provavelmente devido à sua capacidade tamponante, e a otimização das condições operacionais. A adição de glicerina e o aumento da COAV balancearam as rotas de produção de hidrogênio, sendo produzido de forma mais equilibrada pelas vias do ácido acético, butírico e valérico. A caracterização do consórcio microbiano desse ensaio indicou que a comunidade microbiana presente no AnSBBR foi dominada por Ethanoligenens e Megasphaera. / The current research evaluated an anaerobic reactor, operated in batch or fed-batch mode, containing immobilized biomass in inert support and with recirculation of the liquid phase (AnSBBR), applied to the production of biohydrogen co-digesting glycerin (effluent from biodiesel production process) and whey (effluent from dairy industry). Stability, performance (regarding productivity and molar hydrogen yield) and conversion factor (between biogas produced and organic matter consumed) were analyzed according to the percentage of each substrate fed to the system, organic loading rate, filling time and temperature (20, 25, 30 and 35ºC). Assays were carried out using different substrates proportions and organic loading rates (10.3; 17.1 and 24.0 gCOD.L-1.d-1), which have been modified in function of: (i) influent concentration (3, 5 and 7 gCOD.L-1) and (ii) cycle length (4, 3 and 2 h, i.e. 6, 8 and 12 cycles daily). Assays were also carried out aiming for biomethane production using the proposed co-digestion (with AVOL of 7.6 gDQO.L-1.d-1) with different proportions of substrate mixture. For biomethane production, the assay conducted with 75% whey and 25% glycerin (COD basis) obtained the best results: molar productivity of 101.8 molCH4.m-3.d-1 and yield per applied load of 13.3 molCH4. kgCOD-1; which is an increase in productivity of about 9% and 30% when compared with the anaerobic mono-digestion of whey and glycerin, respectively. Methane production in this assay came mainly from the hydrogenotrophic route. For biohydrogen production, the highest productivity and yield were achieved in the assay operated with 75% whey and 25% glycerin, with 7 gCOD.L-1 of influent concentration, 3 h of cycle time and filling time of 1.5 h (fed batch mode - AVOL of 23.9 kgCOD.m-3.d-1), at 30°C: a molar productivity of 129.0 molH2.m-3.d-1 and yield of 5.4 molH2.kgCOD-1 were obtained. These results represent a productivity increase of 145% in relation to whey mono-digestion at its initial condition, which indicates the significant benefit of glycerin addition to the influent, probably due to its buffering capacity, and improvement of operational conditions. The addition of glycerin and the increase in AVOL balanced the hydrogen production routes, since hydrogen was produced similarly by the acetic, butyric and valeric acid routes. The characterization of the microbial consortium of this assay indicated that the microbial community present in the AnSBBR was dominated by Ethanoligenens and Megasphaera.

O presente trabalho de pesquisa teve como objetivo principal avaliar o efeito da carga orgânica volumétrica aplicada (COVA) na produção de hidrogênio usando o reator AnSBBR com recirculação operado em batelada e biomassa imobilizada. Para este efeito, o reator foi operado a 30ºC com dois tempos de ciclo (3 e 4 h), alimentado com três concentrações afluentes (3000, 4000 e 5000 mgDQO.L-1), uma velocidade de recirculação de 30 L.h-1, usando glicerol como única fonte de carbono e a biomassa de uma estação de tratamento de abatedouro de aves. A combinação destes fatores fez com que o reator fosse operado com seis cargas orgânicas volumétricas aplicadas diferentes (7565, 9764, 12911, 10319, 13327 e 16216 mgDQO.L-1.d-1). Os resultados mostraram que não existiu uma tendência clara entre a carga orgânica aplicada e a produção de hidrogênio. Porém, os melhores resultados quanto à produção de hidrogênio foram atingidos quando o reator foi operado com 4 horas de tempo de ciclo e alimentado com uma concentração afluente de 5000 mgDQO.L-1 (COVA de 12911 mgDQO.L-1.d-1), sendo sua produtividade molar média de hidrogênio (PrM) de 67,5 molH2.m-3.d-1. Esta condição também atingiu o melhor rendimento molar de hidrogênio por carga orgânica aplicada RMCAS,m e o melhor rendimento molar de hidrogênio por carga orgânica removida (RMCRS,m), sendo estes de 5,2 e 21,1 molH2.kgDQO-1, respectivamente. Adicionalmente foi estudada a diferença na produção de hidrogênio entre o uso de biomassa pré-tratada e não tratada termicamente, cuja análise de variância (ANOVA) mostrou que a diferença não foi estatisticamente significativa. Finalmente o reator foi operado usando glicerina bruta industrial para comparar os resultados com aqueles obtidos operando com glicerol, observando-se uma clara desvantagem na produção de hidrogênio quando foi usada glicerina bruta. Em geral, o reator AnSBBR operado em batelada sequencial apresentou resultados promissores na produção de hidrogênio usando glicerol como fonte de carbono, porém estudos mais profundos ainda são necessários no intuito de otimizar o sistema para a utilização de glicerina bruta. / This study evaluated the influence of applied volumetric organic load on biohydrogen production in an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) with 3.5 L of liquid medium and treating 1.5 L of glycerin based wastewater per cycle at 30ºC. The reactor was operated with two cycle periods (3 and 4 hours), three influent concentrations (3000, 4000 and 5000 mgCOD.L-1), recirculation rate of 30 L.h-1 and an inoculum from a poultry slaughterhouse. Six applied volumetric organic loads (AVOLCT) were generated from the combination of cycle period and influent concentrations (7565, 9764, 12911, 10319, 13327 e 16216 mgCOD.L-1.d-1). There was not a clear relation between the applied volumetric organic load and hydrogen production. However, the highest hydrogen molar production (MPr: 67.5 molH2.m-3 .d-1) was reached when the reactor was operated with a cycle period of 4 h and an influent concentration of 5000 mgCOD.L-1 (AVOLCT: 12911 mgCOD.L-1. d-1). This condition also reached the highest molar yield per removed load based on organic matter (MYRLC,m: 5.2 molH2.kgCOD-1) and the highest molar yield per applied load based on organic matter (MYALC,m: 21.1 molH2.kgCOD-1). In addition, it was studied whether existed or not a statistical significant difference on molar productivity averages pre-treating and not pre-treating the inoculum. It was observed that this was not statistically significant (p>0.05). Finally, the reactor was operated using crude glycerol as a sole source of carbon to evaluate hydrogen production. The disadvantage on hydrogen production when crude glycerol was used comparing to pure glycerol was clearly observed. The AnSBBR used on hydrogen production experiments operated with pure glycerol as a sole carbon XIV source showed an important potential. Nevertheless, additional studies are required in order to optimize results.

O aproveitamento da energia luminosa por bactérias que produzem hidrogenases poderia aumentar a eficiência do processo de produção de biohidrogênio. Neste trabalho, foi realizada a clonagem do gene que codifica a proteorrodopsina (PR) do isolado metagenômico SAR86 num plasmídeo de expressão para bactérias Gram-negativas. PR é uma proteína ligada ao cromóforo retinal, que, sob iluminação, promove o efluxo de prótons através da membrana celular. O excesso de prótons na face externa da membrana pode servir como substrato para a hidrogenase, resultando em maior eficiência na produção de hidrogênio (2H+ + 2e→ H2). O plasmídeo contendo o gene da PR foi utilizado na transformação genética das bactérias Cupriavidus necator e Escherichia coli, que produzem diversas hidrogenases. Enquanto a PR não se mostrou funcional em C. necator, na linhagem recombinante de E. coli, cultivada em presença de luz e retinal, foi obtido um aumento de até 2,17 vezes na produção de H2 em relação ao cultivo no escuro, desde que a linhagem estivesse produzindo a hidrogenase endógena HYD-4. / The utilization of light energy by hydrogenase producing bacteria could increase the efficiency of the biohydrogen production process. In the present work, the gene coding for proteorhodopsin (PR) of the SAR86 metagenomic lineage was cloned in an expression plasmid for Gram-negative bacteria. PR is an apoprotein linked to the chromophore retinal, which, upon illumination, promotes proton efflux across the cell membrane. The excess of protons on the plasma membrane surface may serve as a substrate for hydrogenases, resulting in a higher efficiency of hydrogen production (2H+ + 2e→ H2). The plasmid containing the PR gene was used to transform the Gram-negative bacteria Cupriavidus necator and Escherichia coli which produce several hydrogenases. Whereas PR did not display functionality in C. necator, in the recombinant E. coli cells, grown under illumination in the presence of retinal, an enhancement up to 2.17 fold in H2 production was found, relative to cells grown under darkness, provided that the cells were expressing the endogenous HYD-4 hydrogenase.

Este estudo investigou a aplicação de um reator anaeróbio operado em bateladas sequenciais com biomassa imobilizada (AnSBBR) com agitação na produção de biohidrogênio tratando água residuária sintética a base de sacarose, sendo o desempenho do biorreator avaliado de acordo com a influência conjunta do tempo de alimentação, do tempo de ciclo, da concentração afluente e da carga orgânica volumétrica aplicada (COVAS). O biorreator, com capacidade útil de 5,6 L, foi dividido em 3 partes: volume de meio tratado por ciclo de 1,5 L, volume residual de meio de 2,0 L e volume de suporte inerte com biomassa de 2,1 L. Foram aplicadas 6 condições experimentais de COVAS de 9,0 a 27,0 gDQO.L-1.d-1, combinado diferentes concentrações afluentes (3500 e 5400 mgDQO.L-1), tempos de ciclo (4, 3 e 2h), sendo tempo de enchimento do reator (tC) correspondente a 50% ao tempo de ciclo. Os resultados mostraram que o aumento COVAS contribuiu para a queda no consumo de sacarose de 99% para 86% e para o aumento do rendimento molar por carga removida (RMCRC,n) de 1,02 molH2.molSAC-1 na COVAS de 9,0 gDQO.L-1.d-1 até atingir o valor máximo de 1,48 molH2.molSAC-1 na COVAS de 18,0 gDQO.L-1.d-1 com queda a partir desse ponto. O aumento da COVAS resultou no aumento da produtividade molar volumétrica (PrM) de 24,5 para 81,2 molH2.m-3.d-1. A maior produtividade molar específica (PrME) obtida foi de 8,71 molH2.kgSVT-1.d-1 para a COVAS de 18,0 gDQO.L-1.d-1. A diminuição do tempo de ciclo resultou na diminuição do consumo de sacarose e no aumento da PrM. Foi verificado também que a diminuição do tC de 4h para 3h contribuiu para o aumento da PrME. O aumento da concentração afluente resultou na diminuição do consumo de sacarose apenas na faixa de 2h, no aumento do RMCRC,n e da PrM em todas as faixas de tC, e no aumento da PrME nas faixas de 4h e 3h. A estratégia de alimentação mostrou ser um parâmetro operacional de grande importância, sendo o aumento do tempo de enchimento responsável pelo aumento do consumo de sacarose, da PrM, da PrME e do RMCRC,n para todas as COAVS investigadas. Em todas as condições, houve o predomínio do ácido acético seguido pelo etanol, ácido butírico e propiônico. / This study investigated the feasibility of an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) with agitation on biohydrogen production treating synthetic wastewater from sucrose, the performance of the bioreactor was evaluated according the combined influence of fill time, cycle period, influent concentration and applied organic loading rate (COAVS) . The bioreactor, with working volume of 5,6L, was divided in 3 parts: 1,5L of fed volume per cycle, 2,0L of residual medium and 2,1L of inert support and biomass. The reactor was operated under six operating conditions with different COAVS ranging from 9,0 to 27,0 gCOD.L-1.d-1, obtained by the combination of different influent concentrations (3500 e 5400 mgCOD.L-1), cycle periods (4, 3 e 2h) and fill time corresponding to 50% of cycle period. The results showed that increasing COAVS resulted in lesser sucrose removal from 99% to 86% and improved yield per removed loading rate (RMCRC,n) of 1,02 molH2.molSUC-1 in COAVS of 9,0 gCOD.L-1.d-1 to maximum value of 1,48 molH2.molSUC-1 in COAVS of 18,0 gCOD.L-1.d-1 decreasing after that. Increasing COAVS improved molar productivity (PrM) from 24,5 to 81,2 molH2.m-3.d-1. The higher specific molar productivity (PrME) obtained was 8,71 molH2.kgTVS-1.d-1 in COAVS of 18,0 gCOD.L-1.d-1. Decreasing cycle period resulted in less sucrose consumption and increased PrM. It was observed that decreasing cycle period of 4h to 3h improved PrME. Increasing influent concentration resulted in less sucrose degradation only on range of 2h, in an increase of RMCRC,n and in an increase of PrM in all ranges of tC, and increased PrME on ranges of 4h and 3h. In all operational conditions, the main intermediate metabolic was acetic acid followed by ethanol, butyric and propionic acids. The feeding strategy had a great effective on hydrogen production, longer fill times resulted in better sucrose removal, PrM, PrME and RMCRC,n for all COAVS investigated.

A produção de biocombustíveis apresenta-se como uma eficiente alternativa para superar as limitações econômico-ambientais inerentes à comercialização e utilização de combustíveis fósseis. O etanol caracteriza-se como um dos principais biocombustíveis alternativos, sendo as destilarias de cana-de-açúcar importantes exemplos de biorrefinarias, as quais, analogamente à indústria do petróleo, objetivam a obtenção de um espectro de (bio)produtos e/ou bioenergia a partir da biomassa vegetal. Embora nas atuais biorrefinarias de cana-de-açúcar a matéria-prima seja convertida em etanol, açúcar e eletricidade, uma fração considerável da energia da cana (como matéria orgânica) ainda é perdida na vinhaça. Potenciais impactos negativos da fertirrigação, i.e., aplicação direta da vinhaça no solo agrícola, também constituem outra relevante limitação do atual gerenciamento desta água residuária no Brasil. A biodigestão anaeróbia apresenta grande potencial de aplicação no tratamento da vinhaça, objetivando-se a redução de sua carga orgânica poluente concomitantemente à recuperação de bioenergia a partir do biogás. Embora tal processo potencialize a extração de energia da cana-de-açúcar na biorrefinaria, a literatura de referência ainda é escassa em termos da definição de parâmetros que viabilizem a implantação da biodigestão nas destilarias brasileiras. Neste contexto, neste estudo apresenta-se um panorama holístico da aplicação da biodigestão anaeróbia no tratamento da vinhaça de cana-de-açúcar, definindo-se condições operacionais para uma eficiente e estável conversão da matéria orgânica em hidrogênio e metano em sistemas em duas fases (acidogênico + metanogênico) termofílicos (55ºC). Diferentes cenários para produção de energia a partir do biogás também foram estudados a partir da aplicação de ferramentas de simulação, buscando-se fornecer aspectos técnicos, econômicos e ambientais da implantação das plantas de biodigestão da vinhaça na indústria sucroalcooleira brasileira. Em termos experimentais, os resultados mostraram a habilidade do reator acidogênico para manter produções contínuas de biohidrogênio em longo prazo (240 dias), sendo a aplicação de estratégias operacionais específicas, p.ex. controle do pH e da concentração de biomassa no reator, imperativa para recuperação dos sistemas submetidos a perdas de desempenho. Na fase metanogênica, a aplicação de cargas orgânicas crescentes (até 30 kgDQO m-3 d-1) em um reator convencional de manta de lodo e um reator de leito fixo estruturado indicou um desempenho muito superior do sistema com células aderidas, especialmente em termos da estabilidade operacional em longo prazo (240 dias). Finalmente, com relação à avaliação tecnológica da biodigestão, demostrou-se a viabilidade do escalonamento dos sistemas anaeróbios com separação de fases para o tratamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar, independentemente do tipo de uso proposto para o hidrogênio: não recuperação, venda como produto de valor agregado, produção de biohythane ou injeção no reator metanogênico. Os resultados também apontaram o papel determinante da alcalinização dos sistemas para melhorar o desempenho econômico ambiental da biodigestão, podendo superar efeitos da redução dos custos de investimento em alguns casos. Em suma, espera-se que os resultados apresentados neste trabalho sirvam como referência aos tomadores de decisão da indústria sucroalcooleira, suprindo lacunas de informações e destacando a viabilidade da implantação da biodigestão como tecnologia central para o processamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar no Brasil. / The production of biofuels comprises an efficient alternative to overcome the economicenvironmental drawbacks inherent to the trade and use of fossil fuels. Ethanol is one of the main alternative biofuels, with sugarcane distilleries characterized as important examples of biorefineries, which, similarly to the oil industry, aim to obtain a spectrum of (bio)products and/or bioenergy from the vegetal biomass. Although the raw material is converted into ethanol, sugar and electricity in the current sugarcane biorefineries, a considerable fraction of the energy from sugarcane (as organic matter) is still wasted in vinasse. Potential negative impacts from fertirrigation, i.e., the direct application of vinasse into the agricultural soil, also comprise another relevant drawback of the current management of this wastewater in Brazil. Anaerobic biodigestion has great potential of application in the treatment of vinasse, aiming to reduce its polluting organic load concomitantly to the bioenergy recovery from biogas. Although this process enhances the energy extraction from sugarcane in the biorefinery, the reference literature still lacks on the definition of parameters that encourage the implementation of biodigestion in Brazilian distilleries. In this context, this study presents a holistic overview of the application of biodigestion in the treatment of sugarcane vinasse, defining operating conditions for an efficient and stable conversion of the organic matter into hydrogen and methane in two-phase (acidogenic + methanogenic) thermophilic systems (55ºC). Different scenarios for the production of bioenergy from biogas were also studied by using simulation tools, aiming to provide technical, economic and environmental aspects of the implementation of vinasse biodigestion plants in the Brazilian sucro-alcohol industry. In experimental terms, the results showed the ability of the acidogenic reactor to maintain a continuous long-term (240 days) biohydrogen production, characterizing the application of specific operating strategies, e.g. control of the pH and biomass concentration inside the reactor, as imperative for the recovery of systems subjected to performance losses. In the methanogenic phase, the application of increasing organic loadings (up to 30 kgCOD m-3 d-1) to a conventional sludge blanket reactor and a structured-bed reactor indicated a much superior performance of the adhered cell system, especially in terms of the long-term operating stability (240 days). Finally, regarding the technological assessment of the biodigestion, the feasibility of scaling-up anaerobic systems with phase separation to the treatment of vinasse in sugarcane biorefineries was demonstrated, regardless of the type of use proposed for hydrogen: non-recovery, sale as a value-added product, biohythane production or injection into the methanogenic reactor. The results also pointed out the determining role of the alkalinization of the systems to improve the economic-environmental performance of biodigestion, in order to overcome the effects of the reduction of investment costs in some cases. In short, it is expected that the results presented in this study will serve as reference to decision-makers in the sucro-alcohol industry, filling information gaps and highlighting the feasibility of implementing biodigestion.

O presente trabalho de pesquisa teve como objetivo principal avaliar o efeito da carga orgânica volumétrica aplicada (COVA) na produção de hidrogênio usando o reator AnSBBR com recirculação operado em batelada e biomassa imobilizada. Para este efeito, o reator foi operado a 30ºC com dois tempos de ciclo (3 e 4 h), alimentado com três concentrações afluentes (3000, 4000 e 5000 mgDQO.L-1), uma velocidade de recirculação de 30 L.h-1, usando glicerol como única fonte de carbono e a biomassa de uma estação de tratamento de abatedouro de aves. A combinação destes fatores fez com que o reator fosse operado com seis cargas orgânicas volumétricas aplicadas diferentes (7565, 9764, 12911, 10319, 13327 e 16216 mgDQO.L-1.d-1). Os resultados mostraram que não existiu uma tendência clara entre a carga orgânica aplicada e a produção de hidrogênio. Porém, os melhores resultados quanto à produção de hidrogênio foram atingidos quando o reator foi operado com 4 horas de tempo de ciclo e alimentado com uma concentração afluente de 5000 mgDQO.L-1 (COVA de 12911 mgDQO.L-1.d-1), sendo sua produtividade molar média de hidrogênio (PrM) de 67,5 molH2.m-3.d-1. Esta condição também atingiu o melhor rendimento molar de hidrogênio por carga orgânica aplicada RMCAS,m e o melhor rendimento molar de hidrogênio por carga orgânica removida (RMCRS,m), sendo estes de 5,2 e 21,1 molH2.kgDQO-1, respectivamente. Adicionalmente foi estudada a diferença na produção de hidrogênio entre o uso de biomassa pré-tratada e não tratada termicamente, cuja análise de variância (ANOVA) mostrou que a diferença não foi estatisticamente significativa. Finalmente o reator foi operado usando glicerina bruta industrial para comparar os resultados com aqueles obtidos operando com glicerol, observando-se uma clara desvantagem na produção de hidrogênio quando foi usada glicerina bruta. Em geral, o reator AnSBBR operado em batelada sequencial apresentou resultados promissores na produção de hidrogênio usando glicerol como fonte de carbono, porém estudos mais profundos ainda são necessários no intuito de otimizar o sistema para a utilização de glicerina bruta. / This study evaluated the influence of applied volumetric organic load on biohydrogen production in an anaerobic sequencing batch biofilm reactor (AnSBBR) with 3.5 L of liquid medium and treating 1.5 L of glycerin based wastewater per cycle at 30ºC. The reactor was operated with two cycle periods (3 and 4 hours), three influent concentrations (3000, 4000 and 5000 mgCOD.L-1), recirculation rate of 30 L.h-1 and an inoculum from a poultry slaughterhouse. Six applied volumetric organic loads (AVOLCT) were generated from the combination of cycle period and influent concentrations (7565, 9764, 12911, 10319, 13327 e 16216 mgCOD.L-1.d-1). There was not a clear relation between the applied volumetric organic load and hydrogen production. However, the highest hydrogen molar production (MPr: 67.5 molH2.m-3 .d-1) was reached when the reactor was operated with a cycle period of 4 h and an influent concentration of 5000 mgCOD.L-1 (AVOLCT: 12911 mgCOD.L-1. d-1). This condition also reached the highest molar yield per removed load based on organic matter (MYRLC,m: 5.2 molH2.kgCOD-1) and the highest molar yield per applied load based on organic matter (MYALC,m: 21.1 molH2.kgCOD-1). In addition, it was studied whether existed or not a statistical significant difference on molar productivity averages pre-treating and not pre-treating the inoculum. It was observed that this was not statistically significant (p>0.05). Finally, the reactor was operated using crude glycerol as a sole source of carbon to evaluate hydrogen production. The disadvantage on hydrogen production when crude glycerol was used comparing to pure glycerol was clearly observed. The AnSBBR used on hydrogen production experiments operated with pure glycerol as a sole carbon XIV source showed an important potential. Nevertheless, additional studies are required in order to optimize results.

The great energy potential and no pollutant gas emissions are hydrogen characteristics (H2) that enable its use as fuel. In addition to these advantages, the hydrogen gas can also be obtained from anaerobic processes using organic compounds, such as wastewater from agribusiness. The dairy industries are placed in this framework of possibilities, considering that during the product manufacturing processes, it generates a large volume of wastewater with a high concentration of organic matter and carbohydrates (lactose), making these attractive effluents to produce H2. However, most studies realized until now have used the cheese whey or isolated lactose as a substrate. In this work, the production of H2 from the actual effluent was collected in the dairy industry, in addition to whey powder and isolated lactose, to analyze the viability of using the sheep rumen and natural fermentation as inoculants to these three different substrates. For this, we used two anaerobic fluidized bed reactors. The first reactor (R1) was inoculated with rumen, and the second reactor (R2) was performed auto fermentation of the dairy effluent. Both with the same configuration and operated continuously. The hydraulic retention time varied between 6h and 4h until the stabilization phase, which was kept at 2h. The results showed that the presence of the rumen has a great influence in the production of H2. About the metabolites products in the process, acetic acid and ethanol were those most present during operation of both reactors. The maximum yield was 1.66mol.H2/mol.carbohydrate and occurred in R1 when cheese whey was used as substrate. The reactor, which used the natural fermentation procedure, was more viable than the reactor with inoculum, only when the substrate was the dairy effluent. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O grande potencial energético e a não emissão de gases poluentes, são características do hidrogênio (H2) que viabilizam a sua utilização como combustível. Além dessas vantagens, o gás hidrogênio também pode ser obtido a partir de processos anaeróbios, utilizando compostos orgânicos, como por exemplo, águas residuárias das agroindústrias. As indústrias de laticínios estão inseridas nesse quadro de possibilidades, tendo em vista que durante os processos de fabricação dos produtos, é gerado um grande volume de efluentes com alta concentração de matéria orgânica e carboidrato (lactose), o que torna esses efluentes atrativos para produção de H2. Entretanto, a maioria das pesquisas realizadas até o momento, utilizaram o soro de queijo ou a lactose isolada como substrato. Neste trabalho, também foi estudada a produção de H2 a partir do efluente real coletado na indústria de laticínios, além do soro de queijo em pó e da lactose isolada, com o objetivo de analisar a viabilidade da utilização do rúmen ovino e da fermentação natural como inóculos desses três substratos. Para isso, foram utilizados dois reatores anaeróbios de leito fluidificado. O Reator 1 (R1) foi inoculado com rúmen, e no Reator 2 (R2) foi realizada a autofermentação do efluente de laticínio. Ambos com mesma configuração e operados de forma contínua. O tempo de detenção hidráulica variou entre 6h e 4h, até atingir a fase de estabilização, onde foi mantido em 2h. Os resultados mostraram que a presença do rúmen teve grande influência na produção de H2. Dos metabólitos envolvidos no processo, o ácido acético e o etanol foram os que estiveram mais presentes durante a operação de ambos os reatores. O rendimento máximo foi de 1,66 mol.H2/mol.carboidrato e ocorreu no R1, quando utilizou-se o soro de queijo como substrato. O R2, reator onde utilizou-se o procedimento de fermentação natural, mostrou-se mais viável que o R1 apenas quando o substrato foi o efluente de laticínio real.

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2018-10-04T18:06:39Z No. of bitstreams: 1 Mabel_Arantes_2018.pdf: 2059864 bytes, checksum: 831822ad4d3c7ce18c2fda6d1319af80 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-04T18:06:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mabel_Arantes_2018.pdf: 2059864 bytes, checksum: 831822ad4d3c7ce18c2fda6d1319af80 (MD5) Previous issue date: 2018-09-06 / The biological production of hydrogen (bioH2) through anaerobic fermentation of residual carbon sources is an interesting way to combine the environmental adequation of agro-industrial wastewaters to the generation of value-added products. Wastewaters with fermentable carbon sources have high potential to produce bioH2, being possible using different inoculum and biological reactors. It is the case found in brewery wastewater, generated in large amount at Brazil and around the world, and there are only few studies about it. In this context, this work studied the production of bioH2 by an anaerobic reactor operated in sequencing batch with immobilized biomass, AnSBBR, from brewery wastewater, using two inocula: mixed culture from the natural fermentation of synthetic wastewater based on sucrose and pure culture of Klebsiella pneumoniae, immobilized in expanded clay. Were evaluated the effects of influent concentration (2,8 a 7,2 gTRS L-1), volumetric organic load (2,6 a 12,6 gTRS (L day)-1) and cycle time (12 h e 24 h), in assays taking from 9 to 16 cycles. The inocula gotten through natural fermentation showed potential to produce bioH2 in preliminary experiments (shaken bottles, 0,5 L) but, in the tests on the reactor the production was low, instable and brief (less than 7 days). The pure inocula K. pneumoniae showed a good adaptability to the residue, in activity through the whole experiment. The raise in the volumetric organic load (VOLc) up to 12,6 gTRS (L day)-1 and the reduction of the cycle from 24 h to 12 h had a positive effect in the production and, under those conditions, the best values for the evaluation parameters ahead were obtained: volumetric productivity average of 0,9 LH2 (L day)-1, molar flow rate up to 10,8 mmolH2 h-1, molar yield average de 3,9 molH2 KgTRS-1, with H2 content in biogas between 18 and 42% and TRS and COD removal efficiency of 89% and 23%, respectively, with a predominance of acetic and butyric pathways. Those results indicate a promising production of H2 from brewery wastewater using K. pneumoniae as inocula in AnSBBR reactor, contributing to the development of the bioH2 technology by the proposal of a new inocula to achieve a higher use of this wastewater potential. / A produção biológica de hidrogênio (bioH2) por meio de fermentação anaeróbia de fontes de carbono residuais é uma forma interessante de aliar a adequação ambiental de efluentes agroindustriais à geração de produto de valor agregado. Águas residuárias que possuam fontes de carbono fermentescíveis apresentam alto potencial para a produção de bioH2, o que é possível com diferentes inóculos e reatores biológicos. É o caso da água residuária de cervejaria, gerada em grandes quantidades no Brasil e no mundo e para a qual poucos estudos foram realizados até o momento. Neste contexto, o presente trabalho avaliou a produção de biohidrogênio em reator anaeróbio operado em bateladas sequenciais com biomassa imobilizada, AnSBBR, a partir de água residuária de cervejaria, empregando dois inóculos: cultura mista proveniente da fermentação natural de meio sintético à base de sacarose e cultura pura de Klebsiella pneumoniae, suportados em argila expandida. Foram avaliados os efeitos da concentração afluente (2,8 a 7,2 gART L-1), da carga orgânica volumétrica aplicada (2,6 a 12,6 gART (L dia)-1) e do tempo de ciclo (12 h e 24 h) em ensaios com duração entre 9 e 16 ciclos. O inóculo obtido por fermentação natural apresentou potencial para produção de bioH2 em ensaios preliminares (frascos agitados, 0,5 L) mas na avaliação em reator a produção foi baixa, instável e breve (período inferior a 7 dias). Já o inóculo puro, K. pneumoniae apresentou boa adaptação ao resíduo e atividade durante todo o período avaliado. O aumento da carga orgânica volumétrica aplicada (COVc) até 12,6 gART (L dia)-1 e a redução do tempo ciclo de 24 h para 12 h tiveram um efeito positivo sobre a produção e nestas condições foram obtidos os melhores valores para os parâmetros de avaliação: produtividade volumétrica de H2 média de 0,9 LH2 (L dia)-1, vazão molar de H2 máxima de 10,8 mmolH2 h-1, rendimento de H2 médio de 3,9 molH2 KgART-1, com teor de H2 no biogás entre 18 e 42% e eficiência média de remoção de ART e de DQO de 89% e 23%, respectivamente, com predomínio das rotas metabólicas acética e butírica. Estes resultados indicam uma produção promissora de H2 a partir de água residuária de cervejaria empregando K. pneumoniae como inóculo em reator AnSBBR, contribuindo para o desenvolvimento da tecnologia do bioH2 ao propor um novo inóculo para o aproveitamento do potencial de uso desta água residuária.