A produção de hidrogênio e intermediários químicos por processo fermentativo é uma linha de pesquisa atual e que pode representar uma alternativa ao setor sucroenergético de melhoria na eficiência produtiva e energética dos processos. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do tempo de detenção hidráulica (TDH) na produção de hidrogênio e metabólitos solúveis a partir de três reatores anaeróbios de leito granular expandido (EGSB) mesofílicos (30°C) independentes (EGSB-10, EGSB-20 e EGSB-30), operando em diferentes concentrações afluentes (10, 20 e 30 g DQO L-1, respectivamente) e submetidos a tempos de detenção hidráulica de 24, 16, 8, 4, 2 e 1 h. No EGSB-10 o processo fermentativo não foi direcionado à produção de hidrogênio, sendo gerados, no entanto, compostos de interesse comercial (ácidos acético e propiônico) como metabólitos principais. O HAc produzido pela via homoacetogênica foi quantificado entre 29 e 41,3% do HAc total produzido no reator, justificando a ausência de hidrogênio nesse reator. No EGSB-20 a produção de hidrogênio ocorreu somente no TDH de 1 h (480 kg DQO m-3 d-1), sendo a PVH igual a 4,36 ± 1,68 L d-1 L-1 e o HY 0,34 ± 0,05 mmol H2 g-1 DQO. Já o EGSB-30 apresentou produção de hidrogênio nos TDH de 2 e 1 h, sendo a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) máxima obtida no TDH de 1 h (8,77 ± 1,46 L d-1 L-1) e o maior rendimento de hidrogênio (HY) obtido no TDH de 2 h (0,33 ± 0,08 mmol H2 g-1 DQO). Em ambos os reatores (EGSB-20 e EGSB-30) a produção de hidrogênio foi favorecida pela elevação nas concentrações dos ácidos butírico e lático. A geração de ácido lático foi sugerida como fonte alternativa de carbono nesses reatores em condição de menor disponibilidade de carboidrato aos microrganismos, sendo, no entanto, uma via de baixo rendimento, o que justifica os valores reduzidos de HY. Os resultados obtidos evidenciaram a possibilidade de produção de hidrogênio e metabólitos solúveis por processo fermentativo a partir da vinhaça de cana-de-açúcar em reatores EGSB. / Hydrogen and chemical intermediates production by fermentative process is a current research line and may present an alternative to the sugarcane industry to improve the productivity and energy efficiency of the process. Moreover, this study aimed to evaluate the effect of hydraulic retention time (HRT) over the production of soluble metabolites in three independent mesophilic (30°C) expanded granular sludge bed (EGSB) reactors named EGSB-10, EGSB-20 and EGSB-30. These EGSB reactors were operated at different feed concentrations (10, 20 and 30 g DQO L-1) and hydraulic retention times of 24, 16, 8, 4, 2 e 1 h. In EGSB-10 the fermentation process was not directed towards hydrogen production. However, compounds of commercial interest (acetic and propionic acids) were produced as main metabolites. The acetic acid produced by the homoacetogenic pathway was quantified around 29 and 41.3% of total acetic acid, corroborating with the absence of hydrogen in this reactor. In EGSB-20 hydrogen production occurred only in HRT of 1 h. The hydrogen production rate (HPR) in this reactor was 4.36 ± 1.68 L d-1 L-1 and hydrogen yield (HY) was 0.34 ±0.05 mmol H2 g-1 COD. EGSB-30 presented hydrogen production in HRT of 2 and 1 h, with maximum HPR obtained in the HRT of 1 h (8.77 ± 1.46 L d-1 L-1). The highest HY was achieved in HRT of 2 h (0.33 ± 0.08 mmol H2 g-1 COD). In both rectors (EGSB-20 and EGSB-30), hydrogen production was favored by the increase of butyric and lactic acid concentrations. Lactic acid generation in the hydrogen production stages suggested the occurrence of an alternative carbon source in systems operated with carbohydrate limitation to the microorganisms. However, lactic acid generation is a metabolic route of low yield. As a consequence, HY was low in the evaluated experimental conditions. The production results evidenced the possibility of hydrogen and soluble metabolites production by fermentative process of sugarcane vinasse in EGSB reactors.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6345.pdf: 6459574 bytes, checksum: 0efe347b5498f9533e1f1366f1759ad1 (MD5) Previous issue date: 2014-10-03 / Financiadora de Estudos e Projetos / Anaerobic systems have been widely studied and used in treatment of wastewater from agriculture and others. Among the existing technologies, there are the EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactors, which have emerged as improvement of UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactors. It was sought to evaluate the performance of an EGSB reactor using synthetic swine wastewater as substrate, increasing the volumetric organic load (2, 4, 8, 10 and 15 kgCOD.m-3.d-1) and the upflow velocity (6 and 10 m.h-1). Efficiencies higher than 83% were obtained in removal of COD, however there was a buildup of volatile acids and a possible microbial imbalance after the application of the load 10 kgDQO.m-3.d-1. The reactor showed homogeneity in microorganisms along the reactor, with the presence of bacilli of different sizes, coccus, and similar to the genera Methanosaeta and Methanosarcina. It was developed a mathematical model aiming to study in more detail the hydrodynamics of EGSB, generally regarded as continuous complete mix reactors (CSTR). For that, it was used a phenomenological model based on the mass balance of the reactor, and after the adjustment to the experimental data, it was observed that the EGSB reactor can be worked as a series of five continuous complete mix reactors (CSTR), three in the tube region and two in the separator region with kinetic intrinsic rate at approximately 7,5.10-5 L.mgSSV-1.h-1 and kinetic rate constant decreasing with increase in organic load. / Sistemas anaeróbios vêm sendo muito estudados e utilizados no tratamento de efluentes agroindústrias, entre outros. Dentre as tecnologias existentes, têm-se os reatores EGSB (Expanded Granular Sludge Bed), que surgiram como aperfeiçoamento dos reatores UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Buscou-se avaliar o desempenho de um reator EGSB utilizando água residuária sintética de suinocultura como substrato, aumentando a carga orgânica volumétrica (2, 4, 8, 10 e 15 kgDQO.m-3.d-1) e a velocidade ascensional (6 e 10 m.h-1). Foram obtidas eficiências superiores a 83% na remoção de DQO, porém ocorreu acúmulo de ácidos voláteis, e provável desequilíbrio microbiano após aplicação da carga de 10 kgDQO.m-3.d-1. O reator apresentou certa homogeneidade nos microrganismos presentes ao longo do reator, com presença de bacilos de diferentes dimensões, cocos, e microrganismos semelhantes aos gêneros Methanosaeta e Methanosarcina. Desenvolveu-se um modelo matemático buscando estudar de maneira mais detalhada a hidrodinâmica do EGSB, geralmente considerados como reatores contínuos de mistura completa (CSTR). Para isto, utilizou-se um modelo fenomenológico, baseado no balanço de massa do reator, e após ajuste aos dados experimentais, observou-se que o reator EGSB pode ser trabalhado como uma série de cinco reatores contínuos de mistura completa (CSTR), sendo três na região do tubo do EGSB e dois na região do separador, com constante cinética intrínseca de aproximadamente 7,5.10-5 L.mgSSV-1.h-1 e com constante cinética aparente diminuindo com o aumento da carga orgânica.