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

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 pressão do homem sobre os recursos naturais vem se intensificando no mundo, e nesse sentido, atualmente tem evidenciado um apelo mais significativo para as questões ambientais e quando possível associar o uso destes ao aspecto econômico. Nessa ótica esse trabalho tem o objetivo de avaliar de forma teórica o potencial de produção de biogás, um subproduto oriundo da digestão anaeróbia, e os aspectos de viabilidade técnica, econômica e ambiental para enquadrá-lo como possível fonte de geração de energia elétrica na ETE Norte/Palmas-TO. Através de aplicação de modelos matemáticos teóricos obteve-se um volume de biogás de 558.232,30 m³ ano-1, onde foi considerada uma concentração de 70% de metano que corresponde ao volume de 390.762,61m³ ano-1. Com esse volume convertido em potencial elétrico resultou em 75kW, equivalendo a 32,8% da demanda de energia elétrica da ETE. A análise de viabilidade econômica considerou dois cenários: receita com e sem venda de crédito de carbono. Com a venda dos créditos de carbono o VPL obtido foi de R$ 1.399.831,73, a TIR de 47,61% e Payback descontado de 2 anos e 6 meses. Já no caso da não adoção da venda dos créditos de carbono, apresentou VPL de R$ 1.014.270,87 e TIR de 46,48% e Payback de 2 anos e 7 meses. Esses valores tiveram como base cálculo a TMA de 12% e vida útil de projeto de 10 anos. Os dois casos garantem viabilidade financeira, porem no caso com a venda de créditos de carbono, vislumbrou-se indicadores financeiros mais atraentes, mesmo considerando o alto investimento na implantação de projetos de MDL. / The pressure on natural resources has been intensifying in the world, and in that sense, currently has evidenced a more significant appeal for environmental issues and when possible to associate the use of these economic aspect. In this perspective this work aims to assess the theoretical potential of biogas production, a byproduct from the anaerobic digestion, and aspects of technical, economic and environmental feasibility to frame it as a possible source of power generation in PTS North/Palmas-TO. Through application of theoretical mathematical models produced a volume of biogas from 558,232.30 m ³ year-1, where he was considered a concentration of 70% of methane that corresponds to the volume of 390,762,61 m³ year-1. With this volume converted to electric potential resulted in 75kW, equivalent to 32.8% of the electric energy demand PTS. The economic feasibility analysis considered two scenarios: recipe with and without carbon credit sale. With the sale of carbon credits the NPV obtained was R$ 1,399,831.73, the IRR of 47.61% and discounted Payback of 2 years and 6 months. In the case of non-adoption of the sale of carbon credits, presented in NPV R$ 1,014,270.87 and IRR of 46.48% and Payback of 2 years and 7 months. These values were based on calculating the TMA of 12% and lifespan of 10 years project. The two cases ensures financial viability, but in this case by selling carbon credits, envisioned financial indicators more attractive, even considering the high investment in CDM projects.

A produção brasileira de etanol atinge volumes superiores a 20 bilhões de litros ao ano, sendo que para cada litro de álcool produzido são gerados cerca de 13 litros de vinhaça, resíduo do processo de destilação para obtenção do etanol. Devido à alta concentração de carga orgânica desse resíduo, algumas propostas para destinação deste é o reaproveitamento dessa matéria por meio da fertirrigação, porém, esta atividade ao longo do tempo confere ao solo e aos mananciais próximos características indesejáveis. Considerando o grande volume de vinhaça produzido, é necessário que novas tecnologias tragam soluções e melhores resultados para o tratamento desse resíduo com alta carga orgânica. O tratamento anaeróbio da vinhaça vem demonstrando ser uma linha de tecnologia muito vantajosa entre as possíveis opções de tratamento. Além conseguir uma remoção aproximada de 50% da carga orgânica desse resíduo, há a geração de metano e hidrogênio, gases combustíveis que podem ser reaproveitados como energia no processo. Entendendo, portanto, essa necessidade, este estudo realizou a avaliação de um modelo cinético adaptado, tendo como base o ADM1, através da sua simulação na plataforma EMSO, analisando as variáveis e coeficientes que regem a cinética da fase acidogênica para a produção de hidrogênio. Nos modelos avaliados, para o reator em batelada foi possível verificar uma previsão da tendência das reações com o modelo, apresentando, para o consumo de substrato avaliado entre os dados do modelo e os dados experimentais um r² de 0,97. A produção de hidrogênio avaliada para o reator em batelada teve convergência com os resultados experimentais avaliados, apresentando r² de 0,95. Dessa forma, o modelo batelada conseguiu prever os dados experimentais ao longo do tempo. Para o modelo APBR, os dados modelados conseguiram convergir com a curva do modelo para os dados de pH, com variação média em 9% entre os valores. Não foi possível chegar a uma conclusão sobre o modelo conseguir descrever o comportamento do reator para a produção de hidrogênio e consumo de substrato, visto que os dados experimentais não apresentaram uma tendência, de qualquer forma, a variação entre os valores experimentais e modelados para as duas variáveis foi de 7%. / The ethanol production in Brazil overtake volumes of 20 billion of litters per year and for each litter of alcohol is produced about 13 litter of vinasse, waste from distillation for alcohol production. Due the high charge of organic matter in this waste, some proposals for the destination of vinasse is the reuse of this in the fertigation, although this activity over time provide to soil and water sources nearby undesirable characteristics with respect to quality. Taking account the volume of produced vinasse, it´s necessary that new technology bring solutions and better results for the treatment of this waste with high charge of organic matter. The vinasse anaerobic treatment has been showing as an option of technology very advantageous among the other possibilities of treatment. The treatment gets about 50% of organic matter removal and also can produce hydrogen and methane, two combustion gases that have the possibility of them use as energy in the process. In this context, new studies for the feasibility and structuring of the factor and variables of the vinasse treatment process bring great benefits and readiness for the real application. Understanding, therefore, this requirement, the research realize an evaluation of a kinetic personalized model, based on ADM1, through the simulation in EMSO platform, finding the parameters and calibrating the variables e coefficients that takes the kinetics of acidogenic stage for the hydrogen production. In a model built for batch reactor, was possible to verify the preview of reaction’s tendency, showing, for the substrate uptake data, comparing between the experimental data and the model data a r² of 0,97. The hydrogen production evaluated for the batch reactor had a convergence with the experimental results, getting a r² of 0,95. In this way, the batch model could preview the experimental data over time. For APBR, the modified model results was able to converge with the experimental data for pH, with a variation of 9% between the values. It has not been possible to reach a conclusion if the model can describe the behavior of the reactor for hydrogen production and consumption of substrate, whereas the experimental data did not show a trend, anyway, the variation between experimental and modeled values for both variables was about 7%.

Este trabalho investigou o efeito da dosagem de cobalto sobre o desempenho de um reator anaeróbio termofílico de leito estruturado alimentado com vinhaça de cana-de-açúcar. Os experimentos foram divididos em três fases. Na Fase 1, o reator foi submetido a crescentes carga orgânica volumétrica aplicada (COVa), iniciando-se com 2 e atingindo 10 gDQO l-1 d-1. Na Fase 2, o reator foi submetido a uma COVa de 10 gDQO l-1 d-1 e a adição CoCl2, nas concentrações de Co2+ de 1, 2, 3, 4, 5 e 6 mg l-¹. Na Fase 3, a suplementação de Co2+ foi suprimida a fim de verificar dependência do sistema ao micronutriente, ou se o Co2+ retido no biofilme, durante a suplementação, ainda estaria causando efeitos positivos no tratamento da vinhaça. Ao final das Fases 1 e 3 foi realizado o perfil espacial para obter as constantes cinéticas aparente de primeira ordem (K1), para verificar se houve alteração na velocidade de reação da vinhaça. Os valores de remoção da DQO solúvel e a produção de biogás na Fase 1 aumentaram proporcionalmente ao aumento da COVa, alcançando o valor máximo de 74% e 190,6 ml h-1, respectivamente, ao final da operação da Fase 1. Na operação da Fase 2, observou-se que a suplementação de cobalto afetou positivamente o reator de leito estruturado. A conversão de DQO atingiu o valor máximo de 100% durante a suplementação de 5 mgCo2+ l-1, juntamente com a maior PVM de 124,0 mlCH4 h-1 l-1. A vazão de biogás atingiu um valor médio de 231,2 ml h-1, o que reflete um aumento médio de 17,6% em comparação a Fase 1. Na Fase 3, foi possível observar um decréscimo na remoção de DQO solúvel de 5,4% em relação a Fase de suplementação de cobalto e um aumento na produção de biogás de 8,8% àquela Fase. Este aumento, provavelmente, se deve ao acúmulo de cobalto no lodo, ocasionando no aumento da atividade metonogênica específica das arqueias, logo o sistema acumulou menos ácidos intermediários durante a degradação da vinhaça. As constantes cinéticas aparentes de primeira ordem para remoção de DQO do perfil da Fase 1 e Fase 3 apresentaram os valores de 0,0580 h-1 e 0,0955 h-1, respectivamente, o que representa um significativo aumento na velocidade de reação da Fase 3 em relação a Fase 1, ratificando a hipótese de acúmulo de cobalto no lodo após a supressão do cobalto, evidenciando o efeito positivo da suplementação de cobalto sobre a cinética do processo anaeróbio. A produção média de energia teve um aumento de 31,0% (Fase2) e 25,4% (Fase 3), em relação a última etapa da Fase 1 (COVa de 10 gDQO l-1 d-1). A suplementação de cobalto afeta positivamente o tratamento anaeróbio termofílico da vinhaça, sendo visto o maior efeito sobre a produção de biogás, porém não sobre o aumento na fração de metano do biogás gerado. Esse efeito deve-se ao aumento da COV removida promovida pela suplementação de cobalto, cujo incremento chegou a 44% quando a suplementação de 5 mgCo2+ l-1 foi aplicada. / In this study, the effect of cobalt dosage on the performance of a thermophilic anaerobic structured bed reactor fed with vinasse sugarcane was investigated. The experiments were divided into three phases. In Phase 1, the reactor was submitted to an increasing volumetric organic load (OLR), starting with 2 and reaching 10 gCOD l-1 d-1. In Phase 2, the reactor was subjected to an OLR of 10 gCOD l-1 d-1 and an addition of CoCl2, with Co2+ concentrations of of 1, 2, 3, 4, 5, and 6 mg l-¹. In Phase 3, supplemental Co2+ was suppressed in order to verify the system's dependence on the micronutrient, or if the Co2+ retained in the biofilm during supplementation would still be causing positive effects in the treatment of vinasse. At the end of Phases 1 and 3 was performed the spatial profile for the apparent first order rate constants (K1), to verify that the vinasse was no change in reaction speed. The values of soluble COD removal and biogas production in Phase 1 increased proportionally to the increase of the pit, reaching the maximum value of 74% and 190,6 ml h -1, respectively, at the end of the Phase 1 operation. In the operation of Phase 2, it was observed that the cobalt supplementation positively affected the structured bed reactor. The COD conversion reached a maximum value of 100% during the supplementation of 5 mgCo2+ l-1, along with a higher value of PVM, 124,0 mlCH4 h-1 l-1. The biogas flow rate reached an average of 231,2 ml h-1, which reflects an average increase of 17,6% compared to Phase 1. In Step 3, it was possible to observe a decrease of 5,4% in the removal of soluble COD, compared to the cobalt supplementation phase and an increase in the biogas production of 8,8% compared with the same phase. This increase is probably due to the accumulation of cobalt in the mud, causing an increase in the specific activity of the methanogenic archaeas thus, the system accumulated less acid intermediates during the degradation of vinasse. The values of apparent first order rate constants for removal of COD (K1) in the profiles of Phase 1 and Phase 3 were of 0,0580 and 0,0955 h-1, respectively, which represents a significant increase in the reaction speed in Phase 3, when compared to Phase 1, confirming the hypothesis of cobalt accumulation in the mud after the suppression of cobalt, showing the positive effect of cobalt supplementation on the kinetics of the anaerobic process. The average output power was increased by 31,0% (Phase2) and 25,4% (Phase 3), regarding the last step of Phase 1 (OLR of 10 gCOD l-1 d-1). The cobalt supplementation affects positively the thermophilic anaerobic treatment of vinasse, having the greatest effect on the biogas production, however not on the increase of the methane fraction in the generated biogas. This effect is due to an increase in the removal of OLR, promoted by the cobalt supplementation, which reached an increment of 44% when applied a supplementation of 5 mgCo2+ l-1. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES