O hidrogênio é estudado como alternativa ao uso de combustíveis fósseis para geração de energia, uma vez que é um combustível renovável. Entre os processos de produção de hidrogênio destaca-se o processo fermentativo que possibilita unir tratamento de efluente e geração de energia. Uma das alternativas para esta produção é a utilização do reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF). Dentre os resíduos industriais que podem ser utilizados para a produção de hidrogênio está o soro de queijo que, se descartado incorretamente, pode causar danos ao meio ambiente. Neste sentido, o presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de produção contínua de hidrogênio, sob condições termófilas (55°C), a partir de diferentes concentrações de soro de queijo e tempos de detenção hidráulica (TDH) em RALF. Foram utilizados dois reatores, denominados R1 e R2 , no qual R1 manteve-se com concentração fixa de 5 gDQO.L-1, com variações de TDH de 8, 6, 4, 2, 1 e 0,5 hora e em R2 o TDH manteve-se fixo em 6 horas e variações de concentrações de 3, 5, 7 e 10 gDQO.L-1. Foi observado em R1 o comportamento de elevação de produção volumétrica de H2 (PVH) a partir da diminuição do TDH. A máxima PVH obtida foi de 2,9 L.h-1.L-1 em R1 para o TDH de 0,5 hora. No entanto, verificou-se a diminuição do rendimento de hidrogênio (HY) com a aplicação de TDHs reduzidos, alcançando valor máximo de 3,3 molH2.mol-1 lactose para o TDH de 4 horas. Para R2, o valor máximo de PVH de 0,854 L.h-1.L-1 para concentração de substrato de 7 g.L-1. Já para HY, o maior valor encontrado foi de 2,6 molH2.mol-1 lactose para a concentração de substrato de 3 g.L-1, uma vez que o aumento da concentração causou a diminuição de HY. O conteúdo de hidrogênio no biogás manteve-se na faixa de 48,2-54,2% e 39,8-48,4% para R1 e R2 respectivamente. Em ambos os reatores, os principais metabólitos encontrados nos efluentes foram ácido acético e ácido butírico. / Hydrogen is studied as an alternative to fossil fuels for power generation, since it is a renewable fuel. Between the processes of hydrogen production stands out the fermentation process that allows to merge wastewater treatment and power generation. An alternative to this production is the use of anaerobic fluidized bed reactor (AFBR). Among the industrial wastes can be used for hydrogen production is cheese whey that if improperly discarded, may cause damage to the environment. In this sense, the present study aimed to evaluate the ability of continuous hydrogen production under thermophilic conditions (55°C), from different concentrations of cheese whey and hydraulic retention time (HRT) in AFBR. Two reactors were used, denominated R1 and R2, in which R1 was maintained at a fixed concentration of 5gCOD.L-1 with variations in HRT of 8, 6, 4, 2, 1 and 0.5 hour and R2 kept fixed HRT at 6 hours, and changes in concentration of 3, 5, 7 and 10 gCOD.L-1. In R1, it was observed a volumetric H2 production (HPR) increase behavior from the HRT decrease. The maximum HPR obtained was 2.9 L.h-1.L-1 at HRT of 0.5 hour. However, there was a decrease in H2 yield (HY) with the application of reduce HRT, reaching maximum value of 3.3 molH2.mol-1 lactose at HRT of 4 hours. In R2, the maximum value of HPR was 0,854 L.h-1.L-1 for substrate concentration of 7 gCOD.L-1. The maximum HY obtained was 2.6 molH2.mol-1 lactose for concentration of 3 gCOD.L-1, once the value of HY decrease behavior from the concentration of cheese whey increase. The H2 content in biogas kept in range of 48.2-54.2% and 39.8-48.4% for R1 and R2, respectively. In both reactors, the main metabolites found were acetic and butyric acids.

O hidrogênio é estudado como alternativa ao uso de combustíveis fósseis para geração de energia, uma vez que é um combustível renovável. Entre os processos de produção de hidrogênio destaca-se o processo fermentativo que possibilita unir tratamento de efluente e geração de energia. Uma das alternativas para esta produção é a utilização do reator anaeróbio de leito fluidificado (RALF). Dentre os resíduos industriais que podem ser utilizados para a produção de hidrogênio está o soro de queijo que, se descartado incorretamente, pode causar danos ao meio ambiente. Neste sentido, o presente estudo teve como principal objetivo avaliar a capacidade de produção contínua de hidrogênio, sob condições termófilas (55°C), a partir de diferentes concentrações de soro de queijo e tempos de detenção hidráulica (TDH) em RALF. Foram utilizados dois reatores, denominados R1 e R2 , no qual R1 manteve-se com concentração fixa de 5 gDQO.L-1, com variações de TDH de 8, 6, 4, 2, 1 e 0,5 hora e em R2 o TDH manteve-se fixo em 6 horas e variações de concentrações de 3, 5, 7 e 10 gDQO.L-1. Foi observado em R1 o comportamento de elevação de produção volumétrica de H2 (PVH) a partir da diminuição do TDH. A máxima PVH obtida foi de 2,9 L.h-1.L-1 em R1 para o TDH de 0,5 hora. No entanto, verificou-se a diminuição do rendimento de hidrogênio (HY) com a aplicação de TDHs reduzidos, alcançando valor máximo de 3,3 molH2.mol-1 lactose para o TDH de 4 horas. Para R2, o valor máximo de PVH de 0,854 L.h-1.L-1 para concentração de substrato de 7 g.L-1. Já para HY, o maior valor encontrado foi de 2,6 molH2.mol-1 lactose para a concentração de substrato de 3 g.L-1, uma vez que o aumento da concentração causou a diminuição de HY. O conteúdo de hidrogênio no biogás manteve-se na faixa de 48,2-54,2% e 39,8-48,4% para R1 e R2 respectivamente. Em ambos os reatores, os principais metabólitos encontrados nos efluentes foram ácido acético e ácido butírico. / Hydrogen is studied as an alternative to fossil fuels for power generation, since it is a renewable fuel. Between the processes of hydrogen production stands out the fermentation process that allows to merge wastewater treatment and power generation. An alternative to this production is the use of anaerobic fluidized bed reactor (AFBR). Among the industrial wastes can be used for hydrogen production is cheese whey that if improperly discarded, may cause damage to the environment. In this sense, the present study aimed to evaluate the ability of continuous hydrogen production under thermophilic conditions (55°C), from different concentrations of cheese whey and hydraulic retention time (HRT) in AFBR. Two reactors were used, denominated R1 and R2, in which R1 was maintained at a fixed concentration of 5gCOD.L-1 with variations in HRT of 8, 6, 4, 2, 1 and 0.5 hour and R2 kept fixed HRT at 6 hours, and changes in concentration of 3, 5, 7 and 10 gCOD.L-1. In R1, it was observed a volumetric H2 production (HPR) increase behavior from the HRT decrease. The maximum HPR obtained was 2.9 L.h-1.L-1 at HRT of 0.5 hour. However, there was a decrease in H2 yield (HY) with the application of reduce HRT, reaching maximum value of 3.3 molH2.mol-1 lactose at HRT of 4 hours. In R2, the maximum value of HPR was 0,854 L.h-1.L-1 for substrate concentration of 7 gCOD.L-1. The maximum HY obtained was 2.6 molH2.mol-1 lactose for concentration of 3 gCOD.L-1, once the value of HY decrease behavior from the concentration of cheese whey increase. The H2 content in biogas kept in range of 48.2-54.2% and 39.8-48.4% for R1 and R2, respectively. In both reactors, the main metabolites found were acetic and butyric acids.

A digestão anaeróbia tem se apresentado como um processo de grande interesse sob a ótica da potencial produção de energia renovável (H2 e CH4), considerando-se a ampla variedade de compostos orgânicos que podem ser utilizados. Neste estudo desejou-se avançar na compreensão do sistema de reatores anaeróbios de duas fases (acidogênico seguido de metanogênico) operados em condições termofílicas (55°C), alimentados com melaço da cana-de-açúcar, subproduto da indústria sucroalcooleira. Os experimentos foram conduzidos em reatores anaeróbios de leito fixo estruturado com fluxo ascendente e o melaço foi diluído com água de abastecimento, para adequação da concentração aos processos de tratamento de águas residuárias. Na 1ª Etapa dois reatores acidogênicos foram operados em paralelo para avaliar diferentes formas de inoculação e meios suportes, a fim de manter a produção continua e estável de hidrogênio. Para isso foram aplicadas diferentes cargas orgânicas (2,5, 5 e 10 gDQO.L-1) que resultam em COV de 30, 60 e 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, com TDH fixo de 2 horas. A expressão do gene hidrogenase foi detectado em ambos os reatores, mas em maior proporção no reator inoculado com lodo de reator UASB e usando como material suporte a espuma de poliuretano. Sequencialmente a este reator, foi acoplado um reator metanogênico, alimentado com efluente do reator acidogênico, estabilizado nas condições apresentadas, e operado com COV crescentes de 1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gDQO.Lreator-1.dia-1 e consequente diminuição do TDH de 240, 96, 48, 32, 24, 16 e 12 horas. O reator acidogênico na 2ª etapa foi operado por 417 dias consecutivos e COV de 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, produzindo hidrogênio continuamente, alcançado valores de produção bruta de H2 de 7,60 LH2.dia-1. O reator metanogênico foi operado por 251 dias consecutivos, produzindo metano e alcançado valores de produção bruta de CH4 de 5,90 LCH4.dia-1. A eficiência de remoção de DQO do sistema de reatores foi de aproximadamente 90%, com contribuição aproximadamente de 10% para o reator acidogênico e contribuição aproximadamente de 80% para o reator metanogênico. O reator acidogênico alcançou rendimento de produção de hidrogênio por kg de melaço aplicado de 392 LH2.kgmelaço-1 e o reator metanogênico de 387 LCH4.kgmelaço-1. Para finalidade de comparações e aplicabilidade, o ganho energético global do sistema de reatores de duas fases foi de aproximadamente 5,7 kWh.kgmelaço-1 (1,4 kWh.kgmelaço-1 para o reator acidogênico e 4,3 kWh.kgmelaço-1 para o reator metanogênico). A produção continua de H2 obtida neste estudo está relacionada à associação das vias dos ácidos produtores de hidrogênio já consolidados pela literatura pertinente (acético e butírico) e pela produção de hidrogênio pela rota do ácido lático, devido a associação entre as comunidades de microrganismos estabelecidas no reator. O sequenciamento massivo MiSeq mostrou a seleção de diversos gêneros de microrganismos com redundância funcional e pertencentes principalmente aos Filos Firmicutes, Proteobacteria e Thermotogae, tais como Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium e Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella e Petrobacter (Proteobacteria) e Fervidobacterium (Thermotogae). Microrganismos produtores de ácido lático também foram selecionados tais como: Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus e Trichococcus. Dos pontos de vista científico e tecnológico este estudo deu mais um passo para a compreensão dos bioprocessos envolvidos nos sistemas anaeróbios em dois estágios produzindo H2 e CH4 continuamente por longo período de tempo. / Anaerobic digestion has shown as an interesting process for renewable energy production (H2 and CH4), for a wide variety of organic compounds (carbon source). This study aimed to advance the understanding of a two-stage process anaerobic system (acidogenic bioreactor followed by methanogenic bioreactor) under thermophilic condition (55°C) fed with molasses, a sugarcane industry by-product. The experiments were conducted at up-flow structured bed reactors and sugarcane molasses was diluted with tap water, to adjust the concentration to the wastewater treatment. At first stage two acidogenic reactors were operated in parallel to evaluate different source of inocula and support bed, to obtain continuous and stable hydrogen production. It was applied 2.5, 5 and 10 gCOD.L-1 resulting in OLR of 30, 60 and 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours of hydrogenase gene was detected in both reactors but with higher number of copies of the gene in the reactor that showed higher hydrogen production: the reactor sed with sludge of UASB reactor and using polyurethane foam as support material. To this reactor was coupled a methanogenic reactor fed with effluent from acidogenic reactor and operated with increasing OLR (1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gCOD.Lreactor-1.day-1) decreasing the HRT (240, 96, 48, 32, 24, 16 and 12 hours). The acidogenic reactor was operated during 471 days with OLR of 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours, with continuous hydrogen production with a gross production of 7.60 LH2.day-1. The methanogenic reactor was operated for 251 days, with continuous methane production of up to 5.90LCH4.day-1. The COD removal efficiency using the two-stage system was approximately 90% , with 10% contribution by the acidogenic reactor and 80% contribution by the methanogenic reactor. The acidogenic reactor achieved hydrogen yield per kg of applied molasses equal to 392 LH2.kgmolases-1. The methanogenic reactor achieved methane yield per kg of applied molasses equal to 387 LCH4.kgmolasses-1. For comparison and applicability purposes, the overall energy yield using the two stage reactor system was approximately 5.7 kWh.kgmolasses-1 (Acidogenic reactor 1.4 kWh.kgmolasses-1 and Methanogenic reactor 4.3 kWh.kgmolasses-1). The continuous production of H2 obtained in this study is related to the association of the hydrogen producer acids pathway established by the relevant literature (acetic and butyric) and the hydrogen production by the lactic acid pathway due to the microorganisms association established in the reactor. Metagenomic analysis by MiSeq Plataform revealed that hydrogen production was due the selection of microorganisms with functional redundancy mainly of Phyla Firmicutes, Proteobacteria and Thermotogae, such as Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium, Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella and Petrobacter (Proteobacteria) and Fervidobacterium (Thermotogae). Genera of acid latic producers, such as Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus and Trichococcus, were also selected. From the scientific and technological point of view this study has taken another step towards the understanding of bioprocesses involving two stage anaerobic systems for a long term continuous production of H2 and CH4.

A digestão anaeróbia tem se apresentado como um processo de grande interesse sob a ótica da potencial produção de energia renovável (H2 e CH4), considerando-se a ampla variedade de compostos orgânicos que podem ser utilizados. Neste estudo desejou-se avançar na compreensão do sistema de reatores anaeróbios de duas fases (acidogênico seguido de metanogênico) operados em condições termofílicas (55°C), alimentados com melaço da cana-de-açúcar, subproduto da indústria sucroalcooleira. Os experimentos foram conduzidos em reatores anaeróbios de leito fixo estruturado com fluxo ascendente e o melaço foi diluído com água de abastecimento, para adequação da concentração aos processos de tratamento de águas residuárias. Na 1ª Etapa dois reatores acidogênicos foram operados em paralelo para avaliar diferentes formas de inoculação e meios suportes, a fim de manter a produção continua e estável de hidrogênio. Para isso foram aplicadas diferentes cargas orgânicas (2,5, 5 e 10 gDQO.L-1) que resultam em COV de 30, 60 e 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, com TDH fixo de 2 horas. A expressão do gene hidrogenase foi detectado em ambos os reatores, mas em maior proporção no reator inoculado com lodo de reator UASB e usando como material suporte a espuma de poliuretano. Sequencialmente a este reator, foi acoplado um reator metanogênico, alimentado com efluente do reator acidogênico, estabilizado nas condições apresentadas, e operado com COV crescentes de 1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gDQO.Lreator-1.dia-1 e consequente diminuição do TDH de 240, 96, 48, 32, 24, 16 e 12 horas. O reator acidogênico na 2ª etapa foi operado por 417 dias consecutivos e COV de 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, produzindo hidrogênio continuamente, alcançado valores de produção bruta de H2 de 7,60 LH2.dia-1. O reator metanogênico foi operado por 251 dias consecutivos, produzindo metano e alcançado valores de produção bruta de CH4 de 5,90 LCH4.dia-1. A eficiência de remoção de DQO do sistema de reatores foi de aproximadamente 90%, com contribuição aproximadamente de 10% para o reator acidogênico e contribuição aproximadamente de 80% para o reator metanogênico. O reator acidogênico alcançou rendimento de produção de hidrogênio por kg de melaço aplicado de 392 LH2.kgmelaço-1 e o reator metanogênico de 387 LCH4.kgmelaço-1. Para finalidade de comparações e aplicabilidade, o ganho energético global do sistema de reatores de duas fases foi de aproximadamente 5,7 kWh.kgmelaço-1 (1,4 kWh.kgmelaço-1 para o reator acidogênico e 4,3 kWh.kgmelaço-1 para o reator metanogênico). A produção continua de H2 obtida neste estudo está relacionada à associação das vias dos ácidos produtores de hidrogênio já consolidados pela literatura pertinente (acético e butírico) e pela produção de hidrogênio pela rota do ácido lático, devido a associação entre as comunidades de microrganismos estabelecidas no reator. O sequenciamento massivo MiSeq mostrou a seleção de diversos gêneros de microrganismos com redundância funcional e pertencentes principalmente aos Filos Firmicutes, Proteobacteria e Thermotogae, tais como Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium e Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella e Petrobacter (Proteobacteria) e Fervidobacterium (Thermotogae). Microrganismos produtores de ácido lático também foram selecionados tais como: Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus e Trichococcus. Dos pontos de vista científico e tecnológico este estudo deu mais um passo para a compreensão dos bioprocessos envolvidos nos sistemas anaeróbios em dois estágios produzindo H2 e CH4 continuamente por longo período de tempo. / Anaerobic digestion has shown as an interesting process for renewable energy production (H2 and CH4), for a wide variety of organic compounds (carbon source). This study aimed to advance the understanding of a two-stage process anaerobic system (acidogenic bioreactor followed by methanogenic bioreactor) under thermophilic condition (55°C) fed with molasses, a sugarcane industry by-product. The experiments were conducted at up-flow structured bed reactors and sugarcane molasses was diluted with tap water, to adjust the concentration to the wastewater treatment. At first stage two acidogenic reactors were operated in parallel to evaluate different source of inocula and support bed, to obtain continuous and stable hydrogen production. It was applied 2.5, 5 and 10 gCOD.L-1 resulting in OLR of 30, 60 and 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours of hydrogenase gene was detected in both reactors but with higher number of copies of the gene in the reactor that showed higher hydrogen production: the reactor sed with sludge of UASB reactor and using polyurethane foam as support material. To this reactor was coupled a methanogenic reactor fed with effluent from acidogenic reactor and operated with increasing OLR (1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gCOD.Lreactor-1.day-1) decreasing the HRT (240, 96, 48, 32, 24, 16 and 12 hours). The acidogenic reactor was operated during 471 days with OLR of 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours, with continuous hydrogen production with a gross production of 7.60 LH2.day-1. The methanogenic reactor was operated for 251 days, with continuous methane production of up to 5.90LCH4.day-1. The COD removal efficiency using the two-stage system was approximately 90% , with 10% contribution by the acidogenic reactor and 80% contribution by the methanogenic reactor. The acidogenic reactor achieved hydrogen yield per kg of applied molasses equal to 392 LH2.kgmolases-1. The methanogenic reactor achieved methane yield per kg of applied molasses equal to 387 LCH4.kgmolasses-1. For comparison and applicability purposes, the overall energy yield using the two stage reactor system was approximately 5.7 kWh.kgmolasses-1 (Acidogenic reactor 1.4 kWh.kgmolasses-1 and Methanogenic reactor 4.3 kWh.kgmolasses-1). The continuous production of H2 obtained in this study is related to the association of the hydrogen producer acids pathway established by the relevant literature (acetic and butyric) and the hydrogen production by the lactic acid pathway due to the microorganisms association established in the reactor. Metagenomic analysis by MiSeq Plataform revealed that hydrogen production was due the selection of microorganisms with functional redundancy mainly of Phyla Firmicutes, Proteobacteria and Thermotogae, such as Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium, Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella and Petrobacter (Proteobacteria) and Fervidobacterium (Thermotogae). Genera of acid latic producers, such as Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus and Trichococcus, were also selected. From the scientific and technological point of view this study has taken another step towards the understanding of bioprocesses involving two stage anaerobic systems for a long term continuous production of H2 and CH4.