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.

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No. of bitstreams: 1 DissMB.pdf: 3232973 bytes, checksum: 2ca9f79e6634a4d39d6cb45bd3047475 (MD5) Previous issue date: 2014-03-28 / Não recebi financiamento / This work aimed to evaluated the biological hydrogen production using crude glycerol as feedstock in two anaerobic reactors: (1) anaerobic fluidized bed reactor (AFBR), that allows high mass transfer, and (2) an expanded granular sludge blanket reactor, that can used with high efficiency even at high organic loading. In the AFBR, it was evaluated the influence of HRT (14, 12, 10, 8, 6, 4, 2 and 1 hour) in the hydrogen production using crude glycerol as feedstock at 5 g.L-1 and expanded clay as support material. In the EGSB, the HRT varied from 24 to 1 hour, it was used the same feedstock as that used in the AFBR. The reactors were maintained at controlled temperature at 30°C. The noculum for AFBR and EGSB was granular sludge taken from UASB reactor treating poultry slaughterhouse that was previously submitted to heat treatment. In the AFBR, the hydrogen production rate (HPR) increased from 0.08 to 0.73L.h-1.L -1 with the decrease at HRT from 14 to 1 hour, respectively. The hydrogen yield (HY) did not presented the same trend and remained almost unchanged (0.62, 0.76, 0.73, 0.75, 0.60, 0.58, 0.69, 0.85 molH2.mol-1glycerol). For this reactor, the main byproducts were 1,3-propanediol (1,3-PD), ethanol, acetic, butyric and propionic acid. The highest 1,3-PD (1,230 mg.L-1), ethanol (723 mg.L-1), acetic acid (204 mg.L-1), propionic acid (759 mg.L-1) and butyric acid (324 mg.L-1) concentration occurred at HRT of 6, 14, 8, 2, 6 hours, respectively. In the EGSB, the HPR and the HY presented the same trend: HPR increased from 0.018 to 1.708 L.h-1.L-1 and HY increased from 0.19 to 2.87 molH2.mol-1glycerol with the decrease in the HRT from 14 to 1 hour. For both reactors, the AFBR and the EGSB,the highest HPR and HY occurred at HRT of 1 hour. As well as for the AFBR, the main byproducts quantified in the EGSB were 1,3-propanediol (1,3-PD), ethanol, acetic, butyric and propionic acid. The highest 1,3-PD (1,606 mg.L -1), ethanol (400 mg.L-1), acetic acid (219 mg.L-1), propionic acid (1,075 mg.L-1) and butyric acid (248 mg.L-1) concentration occurred at HRT of 16, 12, 16, 8, 20 hours, respectively. / O presente estudo avaliou a produção biológica de hidrogênio utilizando glicerol bruto como matéria-prima em dois reatores anaeróbios: (1) reator anaeróbio de leito fluidizado (RALF), que possibilita elevada transferência de massa, e (2) um reator de leito granular expandido (EGSB), que pode apresentar alta eficiência mesmo quando aplicadas elevadas cargas orgânicas. No RALF, foi avaliada a influência do TDH (14, 12, 10, 8, 6, 4, 2 e 1 hora) na produção de hidrogênio utilizando o glicerol bruto como matéria-prima na concentração de 5 g.L-1 e argila expandida como material de suporte. No EGSB, o TDH estudado variou de 24 a 1 hora, e o substrato e a concentração foram as mesmas que os utilizadas no RALF. Os reatores foram mantidos em temperatura controlada de 30 °C. O inóculo para ambos os reatores, RALF e EGSB, foi lodo granular de reator UASB utilizado no tratamento de água residuária de abatedouro de aves, que foi previamente submetido ao tratamento térmico. No RALF, a taxa de produção de hidrogênio (HPR) aumentou de 0,08 para 0,73L.h-1.L- 1 com a diminuição do TDH de 14 para 1 hora, respectivamente. O rendimento de hidrogênio (HY) não apresentou a mesma tendência e manteve-se praticamente inalterado (0,62; 0,76; 0,73; 0,75; 0,60; 0,58; 0,69 e 0,85 molH2.mol-1glicerol) . Para este reator, os principais metabólitos foram 1,3-propanodiol (1,3-PD), etanol, ácido acético, butírico e propiônico. A maior concentração de 1,3- PD (1.230 mg.l-1), etanol (723 mg.L -1 ), ácido acético (204 mg.L-1), ácido propiônico (759 mg.L-1) e ácido butírico (324 mg.L-1) foi observada nos TDH de 6, 14, 8, 2, 6 horas, respectivamente. No EGSB, o HPR e HY apresentaram a mesma tendência: o HPR aumentou de 0,018-1,708 L.h-1.L-1 e o HY aumentou de 0,19-2,87 molH2.mol-1 glicerol com a diminuição do TDH de 14 para 1 hora. Para ambos os reatores, o RALF e o EGSB, a maior HPR e o maior HY foram observados no TDH de 1 hora. Assim como para o RALF, os principais metabólitos quantificados no EGSB foram 1,3- propanodiol (1,3-PD), etanol, ácido acético, ácido butírico e ácido propiônico. A maior concentração de 1,3- PD (1.606 mg.L-1), etanol (400 mg.L -1), ácido acético (219 mg.L-1), ácido propiônico (1.07 mg.L -1) e ácido butírico (248 mg.L -1) foi observada no TDH de 16, 12, 16, 8 e 20 horas, respectivamente.