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

Ensaios em reator em batelada foram conduzidos para avaliar a produção biológica de hidrogênio a partir de diferentes concentrações de celulose (E1:2,0 g.L-1; E2: 5,0 g.L-1 e E3: 10,0 g.L-1) em pH inicial de 6,8 a 37°C. O objetivo do trabalho foi analisar o lodo de estação de tratamento de efluentes de indústria de papel e celulose como inóculo para obtenção de um consórcio celulolítico e fermentativo. Os ensaios foram monitorados por 16 dias com análises de carboidratos, DQO, pH, ST, STV, biogás, ácidos orgânicos e álcoois, além de análises de caracterização filogenética do Domínio Bacteria. Nos três ensaios, a produção de hidrogênio foi detectada a partir do quarto dia, provavelmente devido ao tempo necessário para hidrólise da celulose. Os dados de produção de hidrogênio foram ajustados ao modelo de Gompertz modificado, sendo calculado o potencial máximo de produção de H2 (P) de 1,23 mmol para E1, 3,14 mmol para E2 e 2,33 mmol para E3. Para os ensaios E1 e E2 observou-se rendimentos de H2 semelhantes; ou seja, de 0,62 mmol H2.g-1 de celulose. Para o ensaio E3 observou-se 0,23 mmol H2.g-1 de celulose. Ácido butírico foi o principal ácido orgânico observado em 2,2, 1,8 e 2,2 g.L-1 para E1, E2 e E3, respectivamente. A fase de diminuição da produção de H2 foi acompanhada pela evolução de metano, ácido acético e sulfeto nos três ensaios. Na visualização microscópica de amostras dos ensaios foi possível averiguar a presença de variedade de formas e arranjos bacterianos corroborando para heterogeneidade do inóculo. Em relação à análise filogenética foram identificados, com mais de 95% de similaridade, gêneros de bactérias reconhecidamente produtoras de H2 e associadas a ambiente com substratos lignocelulósicos, tais como, Clostridium sp., Klebsiella sp. e Raoultella sp., além de consumidoras de H2 Clostridium sp., por homoacetogênese e Desulfovibrio sp. por sulfetogênese. A partir das análises dos resultados, foi possível afirmar que houve produção biológica de hidrogênio a partir de celulose como substrato e lodo de ETE industrial como inóculo. / Batch assays in anaerobic reactors were conducted to evaluate the biological production of hydrogen from different concentrations of cellulose ( E1: 2.0 g.L-1; E2: 5.0 g.L-1 and E3: 10.0 g.L-1) in initial pH of 6.8 at 37 ° C. The aim of this study was analize the sludge of a treatment plant of pulp and paper industry wastewater as inoculum in the anaerobic reactors. The assays were monitored for 16 days by analyses of total soluble carbohydrates, COD, pH, TS, TVS, biogas and organic acids and alcohols. Phylogenetic characterization was carried out for microrganisms of the Bacteria Domain by cloning and sequencing analysis. The hydrogen production was detected on the fourth day of the incubation for the three experimental conditions, probably due to the period required for cellulose hydrolysis. Hydrogen production data were adjusted to the modified Gompertz model, and the maximum hydrogen production potential (P) were 1.23 mmol for E1, 3.14 mmol for E2 and 2.33 mmol for E3. Similar hydrogen yields were observed for assays E1 and E2; ie 0.62 mmol H2.g-1 of cellulose. For E3 the yield was 0.23 mmol H2.g-1 cellulose. Butyric acid was the major organic acid observed with 2.2, 1.8 and 2.2 g.L-1 to E1, E2 and E3, respectively. Hydrogen depletion in the biogas was accompanied by the evolution of methane, acetic acid and sulfide in the three tests. By means of microscopic visualization of microrganisms samples it was possible to determine the presence of a variety of bacterial shapes and confirming the heterogeneity of the inoculum. Regarding phylogenetic analysis, there were identified, with more than 95% similarity, genera of bacteria known as hydrogen producers or related with environments associated with lignocellulosic substrates such as Clostridium sp. Klebsiella sp. and Raoultella sp., consuming genere were also detedted, such Clostridium sp. by homoacetogênese and Desulfovibrio sp. by sulfidogenesis.

Ensaios em reator em batelada foram conduzidos para avaliar a produção biológica de hidrogênio a partir de diferentes concentrações de celulose (E1:2,0 g.L-1; E2: 5,0 g.L-1 e E3: 10,0 g.L-1) em pH inicial de 6,8 a 37°C. O objetivo do trabalho foi analisar o lodo de estação de tratamento de efluentes de indústria de papel e celulose como inóculo para obtenção de um consórcio celulolítico e fermentativo. Os ensaios foram monitorados por 16 dias com análises de carboidratos, DQO, pH, ST, STV, biogás, ácidos orgânicos e álcoois, além de análises de caracterização filogenética do Domínio Bacteria. Nos três ensaios, a produção de hidrogênio foi detectada a partir do quarto dia, provavelmente devido ao tempo necessário para hidrólise da celulose. Os dados de produção de hidrogênio foram ajustados ao modelo de Gompertz modificado, sendo calculado o potencial máximo de produção de H2 (P) de 1,23 mmol para E1, 3,14 mmol para E2 e 2,33 mmol para E3. Para os ensaios E1 e E2 observou-se rendimentos de H2 semelhantes; ou seja, de 0,62 mmol H2.g-1 de celulose. Para o ensaio E3 observou-se 0,23 mmol H2.g-1 de celulose. Ácido butírico foi o principal ácido orgânico observado em 2,2, 1,8 e 2,2 g.L-1 para E1, E2 e E3, respectivamente. A fase de diminuição da produção de H2 foi acompanhada pela evolução de metano, ácido acético e sulfeto nos três ensaios. Na visualização microscópica de amostras dos ensaios foi possível averiguar a presença de variedade de formas e arranjos bacterianos corroborando para heterogeneidade do inóculo. Em relação à análise filogenética foram identificados, com mais de 95% de similaridade, gêneros de bactérias reconhecidamente produtoras de H2 e associadas a ambiente com substratos lignocelulósicos, tais como, Clostridium sp., Klebsiella sp. e Raoultella sp., além de consumidoras de H2 Clostridium sp., por homoacetogênese e Desulfovibrio sp. por sulfetogênese. A partir das análises dos resultados, foi possível afirmar que houve produção biológica de hidrogênio a partir de celulose como substrato e lodo de ETE industrial como inóculo. / Batch assays in anaerobic reactors were conducted to evaluate the biological production of hydrogen from different concentrations of cellulose ( E1: 2.0 g.L-1; E2: 5.0 g.L-1 and E3: 10.0 g.L-1) in initial pH of 6.8 at 37 ° C. The aim of this study was analize the sludge of a treatment plant of pulp and paper industry wastewater as inoculum in the anaerobic reactors. The assays were monitored for 16 days by analyses of total soluble carbohydrates, COD, pH, TS, TVS, biogas and organic acids and alcohols. Phylogenetic characterization was carried out for microrganisms of the Bacteria Domain by cloning and sequencing analysis. The hydrogen production was detected on the fourth day of the incubation for the three experimental conditions, probably due to the period required for cellulose hydrolysis. Hydrogen production data were adjusted to the modified Gompertz model, and the maximum hydrogen production potential (P) were 1.23 mmol for E1, 3.14 mmol for E2 and 2.33 mmol for E3. Similar hydrogen yields were observed for assays E1 and E2; ie 0.62 mmol H2.g-1 of cellulose. For E3 the yield was 0.23 mmol H2.g-1 cellulose. Butyric acid was the major organic acid observed with 2.2, 1.8 and 2.2 g.L-1 to E1, E2 and E3, respectively. Hydrogen depletion in the biogas was accompanied by the evolution of methane, acetic acid and sulfide in the three tests. By means of microscopic visualization of microrganisms samples it was possible to determine the presence of a variety of bacterial shapes and confirming the heterogeneity of the inoculum. Regarding phylogenetic analysis, there were identified, with more than 95% similarity, genera of bacteria known as hydrogen producers or related with environments associated with lignocellulosic substrates such as Clostridium sp. Klebsiella sp. and Raoultella sp., consuming genere were also detedted, such Clostridium sp. by homoacetogênese and Desulfovibrio sp. by sulfidogenesis.