Made available in DSpace on 2014-06-11T19:29:07Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-26Bitstream added on 2014-06-13T19:17:19Z : No. of bitstreams: 1 silva_laf_me_araiq.pdf: 881872 bytes, checksum: 1ed668293818af00e17546ddfe67a5f2 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os resultados descritos neste trabalho para a produção de etanol utilizando-se a levedura IQ-AR/45-1, forneceram informações sobre os melhores suplementos nutricionais e melhor tamanho de inóculo para a fermentação em batelada alimentada. Dadas as variações na composição do melaço e o uso de uma nova levedura, faz-se necessário o estudo de suas exigências nutricionais em processos fermentativos. Experimentos preliminares em batelada simples mostraram que a adição de DAP diminuiu o tempo de fermentação, estimulou o acúmulo da biomassa e produção de etanol enquanto o ZnSO4.7H2O diminuiu o tempo da fermentação, e aumentou o acúmulo de etanol elevando a produtividade. A adição de MgSO4.7H2O produziu mais etanol, melhorou o rendimento alcoólico e a produtividade. Estes resultados obtidos em batelada simples foram transferidos para o sistema em batelada alimentada. A melhor vazão do melaço 20 % em ART foi de 0,40 mL.min-1 para um volume final de trabalho de 100,0 mL. O aumento da temperatura de fermentação de 34 ºC para 37 ºC em meio suplementado com DAP e ZnSO4.7H2O ou DAP e MgSO4.7H2O diminuiu o tempo da fermentação e a biomassa produzida, porém, com menor rendimento e maior produtividade de etanol. O tamanho do inóculo foi estudado com meio suplementado a 34ºC. As melhores condições foram obtidas no processo em batelada alimentada a 34ºC no qual foi utilizado melaço clarificado com ácido sulfúrico e uma quantidade de inóculo de (23,7±0,1) g.L-1 que levou a um tempo de fermentação de 5 horas. Nestas condições, o rendimento alcoólico foi de (79,1±0,7) % e a produtividade de (16,17±0,56) g.L-1 .h-1 / The results of the fermentative processes for ethanol production using the yeast IQ-AR/45-1, provided information about the best nutritional supplementation and inoculum size for the batch fermentation. Due to the differences in the sugarcane molasses and the use of a new yeast strain, it was necessary to study the nutritional requirements of the new yeast. Previous experiments in batch fermentation showed that the DAP addition reduced the fermentation time, enhanced the biomass and ethanol production while the ZnSO4.7H2O reduced the fermentation time and increased both the ethanol production and productivity. The addiction of MgSO4.7H2O to the molasses increased the ethanol yield and enhanced the productivity. These results obtained in batch cultures were assayed in fed-batch fermentation. Using 20 % molasses (TRS), the best flow was 0.40 mL.min-1 for a final working volume of 100.0 mL. When molasses supplemented with DAP and ZnSO4.7H2O or DAP and MgSO4.7H2O was used in the fed-batch experiments, the raise in the temperature from 34 ºC to 37 ºC led to decreases in the fermentation time, production of biomass, and ethanol yield followed by increases in ethanol productivity. The best inoculum size to the ethanol fermentation was (23.7±0.1) g.L-1 which led to a yield of (79.1±0.7) % and productivity of (16.17±0.56) g.L-1 .h-1

Resumo: Os resultados descritos neste trabalho para a produção de etanol utilizando-se a levedura IQ-AR/45-1, forneceram informações sobre os melhores suplementos nutricionais e melhor tamanho de inóculo para a fermentação em batelada alimentada. Dadas as variações na composição do melaço e o uso de uma nova levedura, faz-se necessário o estudo de suas exigências nutricionais em processos fermentativos. Experimentos preliminares em batelada simples mostraram que a adição de DAP diminuiu o tempo de fermentação, estimulou o acúmulo da biomassa e produção de etanol enquanto o ZnSO4.7H2O diminuiu o tempo da fermentação, e aumentou o acúmulo de etanol elevando a produtividade. A adição de MgSO4.7H2O produziu mais etanol, melhorou o rendimento alcoólico e a produtividade. Estes resultados obtidos em batelada simples foram transferidos para o sistema em batelada alimentada. A melhor vazão do melaço 20 % em ART foi de 0,40 mL.min-1 para um volume final de trabalho de 100,0 mL. O aumento da temperatura de fermentação de 34 ºC para 37 ºC em meio suplementado com DAP e ZnSO4.7H2O ou DAP e MgSO4.7H2O diminuiu o tempo da fermentação e a biomassa produzida, porém, com menor rendimento e maior produtividade de etanol. O tamanho do inóculo foi estudado com meio suplementado a 34ºC. As melhores condições foram obtidas no processo em batelada alimentada a 34ºC no qual foi utilizado melaço clarificado com ácido sulfúrico e uma quantidade de inóculo de (23,7±0,1) g.L-1 que levou a um tempo de fermentação de 5 horas. Nestas condições, o rendimento alcoólico foi de (79,1±0,7) % e a produtividade de (16,17±0,56) g.L-1 .h-1 / Abstract: The results of the fermentative processes for ethanol production using the yeast IQ-AR/45-1, provided information about the best nutritional supplementation and inoculum size for the batch fermentation. Due to the differences in the sugarcane molasses and the use of a new yeast strain, it was necessary to study the nutritional requirements of the new yeast. Previous experiments in batch fermentation showed that the DAP addition reduced the fermentation time, enhanced the biomass and ethanol production while the ZnSO4.7H2O reduced the fermentation time and increased both the ethanol production and productivity. The addiction of MgSO4.7H2O to the molasses increased the ethanol yield and enhanced the productivity. These results obtained in batch cultures were assayed in fed-batch fermentation. Using 20 % molasses (TRS), the best flow was 0.40 mL.min-1 for a final working volume of 100.0 mL. When molasses supplemented with DAP and ZnSO4.7H2O or DAP and MgSO4.7H2O was used in the fed-batch experiments, the raise in the temperature from 34 ºC to 37 ºC led to decreases in the fermentation time, production of biomass, and ethanol yield followed by increases in ethanol productivity. The best inoculum size to the ethanol fermentation was (23.7±0.1) g.L-1 which led to a yield of (79.1±0.7) % and productivity of (16.17±0.56) g.L-1 .h-1 / Orientador: Cecília Laluce / Coorientador: Reinaldo Marchetto / Banca: Leinig Antonio Perazolli / Banca: Douglas Wagner Franco / Mestre

Frutooligossacarídeos (FOS), açúcares não convencionais, são oligossacarídeos de ocorrência natural principalmente em produtos de origem vegetal. Os FOS são produzidos através de uma reação enzimática de transfrutosilação em resíduos de sacarose resultando em 1-kestose (GF2), nistose (GF3) e frutofuranosil nistose (GF4). Com o objetivo de produzir frutooligossacarídeos (FOS) a partir do melaço de cana-de-açúcar, linhagens das leveduras Saccharomyces cerevisiae e Kluveromyces marxianus foram cultivadas em meio contendo sacarose ou melaço de cana de açúcar. Após diferentes períodos de cultivo, foram retiradas alíquotas para analisar açúcares redutores (AR) e redutores totais (ART) pelo método do DNS (ácido 3,5-dinitrossalicílico); o crescimento celular por turbidimetria a 600nm e a viabilidade celular por coloração com azul de metileno. A produção de frutooligossacarídeos foi acompanhada por cromatografia em papel ou cromatografia líquida. Através da análise qualitativa em cromatografia em papel foi observada a presença de FOS quando o meio contendo melaço foi cultivado por Kluveromyces marxianus o mesmo não ocorrendo para o Saccharomyces cerevisiae. Em meio contendo sacarose as duas leveduras não apresentaram nenhuma atividade de produção de FOS. / Fructooligosaccharides (FOS), sugars unconventional, are oligosaccharides of naturally occurring mainly in products of plant origin. The FOS are produced through an enzymatic reaction of transfructosylation of sucrose resulting in 1-kestose (GF2), nistose (GF3) and fructofuranosyl nistose (GF4). Aiming to produce fructooligosaccharides (FOS) from sugar cane molasses, strains of yeast Saccharomyces cerevisiae and Kluveromyces marxianus were grown in medium containing sucrose or sugar cane molasses. After different periods of cultivation, aliquots were removed to analyze reducing sugars (AR) and reducing total sugars (ART) by the method of DNS (3.5- dinitrossalicilic acid), the cell growth by turbidimetry to 600nm and cell viability by staining with methylene blue. The production of fructooligosaccharides was accompanied by chromatography on paper and liquid chromatography. Through qualitative analysis on chromatography on paper was observed the presence of FOS when the medium containing molasses cultivated by Kluveromyces marxianus otherwise cultivation by Saccharomyces cerevisiae did not resulted in the production of the FOS. Both of the yeast did not show any activity for the production of FOS when the medium contained sucrose.

Orientador: Ranulfo Monte Alegre / Dissertação (mestrado) - Universidade Estsadual de Cam,pinas, Faculdade de Engenharia de Alimentos / Made available in DSpace on 2018-08-18T17:54:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AlcazarAlay_SylviaCarolina_M.pdf: 2176104 bytes, checksum: 32f8cdfe0b86e00e15edc533c76b33cb (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O interesse pela produção de ácido láctico tem crescido fortemente nos últimos anos desde a descoberta das propriedades de seus polímeros, os que apresentam caraterísticas de biodegradabilidade e biocompatibilidade; e sua aplicação como solvente ¿verde¿ ou ambientalmente saudável para os processos de misturas de solventes na indústria química. Dado o potencial econômico do ácido láctico, são necessários processos mais eficazes para sua síntese e redução dos custos de produção. Este trabalho visou aperfeiçoar o processo de produção fermentativa do ácido láctico, determinando formulações do meio de cultura que auxiliarão no desenvolvimento de tecnologias competitivas de produção. Além disso, esse trabalho propõe a utilização de matérias-primas de baixo custo e grande disponibilidade no mercado brasileiro como por exemplo melaço de cana e água de maceração de milho. A espécie selecionada para o estudo foi Lactobacillus delbrueckii, duas linhagens foram estudadas, selecionando-se a que apresentou maior velocidade de crescimento e produção de ácido láctico no meio de cultura padrão. O estudo de otimização da produção de ácido láctico foi realizado utilizando a estratégia de planejamentos experimentais. O uso de melaço de cana e água de maceração de milho como fonte de carbono e nitrogênio, em concentração de 240 gL-1 e 14 gL-1 respectivamente, possibilitou produtividade de até 57,17 gL-1 após 96 horas, com eficiência de 82% (gramas de ácido láctico produzido / grama de substrato utilizado) / Abstract: The interest in lactic acid has grown strongly in the last years since the discovery of its properties of application in production of biodegradable and biocompatible polylactate polymers and their application as "green solvent¿ or ¿safety solvent¿ to processes of mixtures of solvents in the chemical industry. Considering the commercial potential of lactic acid, more efficient processes are needed for its synthesis, reducing costs of production and turning its industrial application more atractive, as its cost still prevents it from being used in some areas. This work aimed at improving the process of fermentative lactic acid production, determining formulations that will help develop competitive technologies of production. Furthermore, the use of low cost raw materials, easily available on the brazilian market, such as sugarcane molasses and corn steep liquor is proposed. The species selected for the study was Lactobacillus delbrueckii, two strains were studied, Lactobacillus delbrueckii spp. bulgaricus, shown the greatest growth speed and lactic acid production in the standard culture medium. The optimization study of lactic acid production was performed using the strategy of experimental design, using sugarcane molasses as a carbon source and corn steep liquor as a nitrogen source allowed a productivity of up to 57,17 gL-1 after 96 hours, with 82% lactic acid yield efficiency (g lactic acid produced / g substrate utilized) using an initial concentration of 240 gL-1 and 14 gL-1 of sugarcane molasses and corn steep liquor respectively / Mestrado / Engenharia de Alimentos / Mestre em Engenharia de Alimentos

Frutooligossacarídeos (FOS), açúcares não convencionais, são oligossacarídeos de ocorrência natural principalmente em produtos de origem vegetal. Os FOS são produzidos através de uma reação enzimática de transfrutosilação em resíduos de sacarose resultando em 1-kestose (GF2), nistose (GF3) e frutofuranosil nistose (GF4). Com o objetivo de produzir frutooligossacarídeos (FOS) a partir do melaço de cana-de-açúcar, linhagens das leveduras Saccharomyces cerevisiae e Kluveromyces marxianus foram cultivadas em meio contendo sacarose ou melaço de cana de açúcar. Após diferentes períodos de cultivo, foram retiradas alíquotas para analisar açúcares redutores (AR) e redutores totais (ART) pelo método do DNS (ácido 3,5-dinitrossalicílico); o crescimento celular por turbidimetria a 600nm e a viabilidade celular por coloração com azul de metileno. A produção de frutooligossacarídeos foi acompanhada por cromatografia em papel ou cromatografia líquida. Através da análise qualitativa em cromatografia em papel foi observada a presença de FOS quando o meio contendo melaço foi cultivado por Kluveromyces marxianus o mesmo não ocorrendo para o Saccharomyces cerevisiae. Em meio contendo sacarose as duas leveduras não apresentaram nenhuma atividade de produção de FOS. / Fructooligosaccharides (FOS), sugars unconventional, are oligosaccharides of naturally occurring mainly in products of plant origin. The FOS are produced through an enzymatic reaction of transfructosylation of sucrose resulting in 1-kestose (GF2), nistose (GF3) and fructofuranosyl nistose (GF4). Aiming to produce fructooligosaccharides (FOS) from sugar cane molasses, strains of yeast Saccharomyces cerevisiae and Kluveromyces marxianus were grown in medium containing sucrose or sugar cane molasses. After different periods of cultivation, aliquots were removed to analyze reducing sugars (AR) and reducing total sugars (ART) by the method of DNS (3.5- dinitrossalicilic acid), the cell growth by turbidimetry to 600nm and cell viability by staining with methylene blue. The production of fructooligosaccharides was accompanied by chromatography on paper and liquid chromatography. Through qualitative analysis on chromatography on paper was observed the presence of FOS when the medium containing molasses cultivated by Kluveromyces marxianus otherwise cultivation by Saccharomyces cerevisiae did not resulted in the production of the FOS. Both of the yeast did not show any activity for the production of FOS when the medium contained sucrose.

Thesis (MScEng (Process Engineering))--Stellenbosch University, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Recently, improved technologies have been developed for the biobutanol fermentation process: higher butanol concentrations and productivities are achieved during fermentation, and separation and purification techniques are less energy intensive. This may result in an economically viable process when compared to the petrochemical pathway for butanol production. The objective of this study is to develop process models to compare different possible process designs for biobutanol production from sugarcane molasses. Some of the best improved strains, which include Clostridium acetobutylicum PCSIR-10 and Clostridium beijerinckii BA101, produce total solvent concentrations of up to 24 g/L. Among the novel technologies for fermentation and downstream processing, fedbatch fermentation with in situ product recovery by gas-stripping, followed by either liquid-liquid extraction or adsorption, appears to be the most promising techniques for current industrial application. Incorporating these technologies into a biorefinery concept will contribute toward the development of an economically viable process. In this study three process routes are developed. The first two process routes incorporate well established industrial technologies: Process Route 1 consist of batch fermentation and steam stripping distillation, while in Process Route 2, some of the distillation columns is replaced with a liquid-liquid extraction column. The third process route incorporates fed-batch fermentation and gas-stripping, an unproven technology on industrial scale. Process modelling in ASPEN PLUS® and economic analyses in ASPEN Icarus® are performed to determine the economic feasibility of these biobutanol production process designs. Process Route 3 proved to be the only profitable design in current economic conditions. For the latter process, the first order estimate of the total project capital cost is $187 345 000.00 (IRR: 35.96%). Improved fermentation strains currently available are not sufficient to attain a profitable process design without implementation of advanced processing techniques. Gas stripping is shown to be the single most effective process step (of those evaluated in this study) which can be employed on an industrial scale to improve process economics of biobutanol production. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Onlangse verbeteringe in die tegnologie vir die vervaardiging van butanol via die fermentasie roete het tot gevolg dat: hoër butanol konsentrasies en produktiwiteit verkry kan word tydens die fermentasie proses, en energie verbruik tydens skeiding-en suiweringsprosesse laer is. Hierdie verbeteringe kan daartoe lei dat biobutanol op ʼn ekonomiese vlak kan kompeteer met die petrochemiese vervaardigings proses vir butanol. Die doelwit van die studie is om proses modelle te ontwikkel waarmee verskillende proses ontwerpe vir die vervaardiging van biobutanol vanaf suikerriet melasse vergelyk kan word. Verbeterde fermentasie organismes, wat insluit Clostridium acetobutylicum PCSIR-10 en Clostridium beijerinckii BA101, het die vermoë om ABE konsentrasies so hoog as 24 g/L te produseer. Wat nuwe tegnologie vir fermentasie en skeidingprosesse behels, wil dit voorkom of wisselvoer fermentasie met gelyktydige verwydering van produkte deur gasstroping, gevolg deur of vloeistof-vloeistof ekstraksie of adsorpsie, van die mees belowende tegnieke is om tans in die nywerheid te implementeer. Deur hierdie tegnologie in ʼn bioraffinadery konsep te inkorporeer sal bydra tot die ontwikkeling van ʼn ekonomies lewensvatbare proses. Drie prosesserings roetes word in die studie ontwikkel. Die eerste twee maak gebruik van goed gevestigde industriële tegnologie: Proses Roete 1 implementeer enkellading fermentasie en stoom stroping distillasie, terwyl in Proses Roete 2 van die distilasiekolomme vervang word met ʼn vloeistof-vloeistof ekstraksiekolom. Die derde proses roete maak gebruik van wisselvoer fermentasie met gelyktydige verwydering van produkte deur gas stroping. Die tegnologie is nog nie in die nywerheid bewys of gevestig nie. Om die ekonomiese uitvoerbaarheid van die proses ontwerpe te bepaal word proses modellering uitgevoer in ASPEN PLUS® en ekonomiese analises in ASPEN Icarus® gedoen. Proses Roete 3 is die enigste ontwerp wat winsgewend is in huidige ekonomiese toestande. Die eerste orde koste beraming van die laasgenoemde projek se totale kapitale koste is $187 345 000.00 (opbrengskoers: 35.96%). Die verbeterde fermentasie organismes wat tans beskikbaar is, is nie voldoende om ʼn proses winsgewend te maak nie; gevorderde proses tegnologie moet geïmplementeer word. Gasstroping is bewys as die mees effektiewe proses stap (getoets in die studie) wat op industriële skaal geïmplementeer kan word om die winsgewendheid van die biobutanol proses te verbeter. / Centre for Renewable and Sustainable Energy Studies

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.

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar, e entre os principais subprodutos dessa indústria está o melaço de cana-de-açúcar. Esse substrato é rico em carboidratos, apresentando potencial para ser utilizado na digestão anaeróbia para geração de biogás. Neste estudo, priorizou-se a produção de biogás em condições termofílicas (55°C) com a finalidade de comparação do sistema de duas fases (reator acidogênico seguido de reator metanogênico) e sistema de fase única (acidogênico e metanogênico em uma mesma unidade), utilizando o melaço como substrato. O sistema de duas fases baseou-se na separação da acidogênese e metanogênese. O reator acidogênico (ASTBR – A) foi operado com carga orgânica volumétrica (COV) de 60,0 g L-1d-1 e tempo de detenção hidráulico (TDH) de 4 horas. O reator metanogênico, sequencial ao acidogênico (ASTBR – M II) foi operado em dez fases, com COV variando de 0,6 a 10,0 g L-1d-1 e TDH de 40 e 24 horas. O sistema de fase única foi composto por um reator metanogênico (ASTBR – M I) operado em nove fases com COV entre 2,5 e 10,0 g L-1d-1 e TDH de 28 h. Bicarbonato de sódio (NaHCO3) foi adicionado na proporção de 1,00 g NaHCO3 g-1DQO para todas as fases do ASTBR M II. Para o ASTBR – M I, variou-se a concentração de 1,00 a 0,00 g NaHCO3 g-1 DQO no reator. Para o ASTBR A a porcentagem de hidrogênio (H2) no biogás foi de 51%, a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) de 88,0 mL H2 L-1 h-1 e o rendimento de hidrogênio (HY) de 1,18 mol H2 molcarboidratos-1. O microrganismo predominante nesse reator foi o Thermoanaerobacterium, e a principal rota a do ácido lático. O reator ASTBR – M I sofreu acidificação após a retirada completa de alcalinizante, permitindo a detecção de H2 no biogás. Porém, a retomada da adição de NaHCO3 favoreceu o crescimento das arqueias, principalmente metanogênicas hidrogenotróficas. A comparação dos reatores metanogênicos foi realizada para fases com condições semelhantes (COV de 10 g L-1d-1 e 1,00 g NaHCO3 g-1DQO) e permitiu verificar melhor desempenho na produção de CH4 do ASTBR – M II. Em relação ao MY, a eficiência do ASTBR – M II foi 44% superior ao ASTBR M – I. / Brazil is the largest producer of sugarcane and one of the main sub-products of this industry is the molasses, which is rich in carbohydrates and can be used as a substrate for biogas production in anaerobic digestion. In this study, biogas production was evaluated under thermophilic conditions (55 °C) in a two-phases system (acidogenic reactor followed by methanogenic reactor) based on phase separation and a single-phase system (acidogenic and methanogenic microorganisms in a single unit) using molasses as the substrate. The acidogenic reactor (ASTBR-A) was operated under the organic loading rate (OLR) of 60.0 g L-1d-1 and hydraulic retention time (HRT) of 4 hours. The methanogenic reactor (ASTBR M II), which was sequential to acidogenic one, was operated in ten phases with OLR ranging from 0.6 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 40 and 24 hours. The single-phase reactor was composed of a methanogenic reactor (ASTBR -– M I) operated in nine phases with increasing OLR from 2.5 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 28 hours. Sodium bicarbonate (NaHCO3) was added in the ratio of 1.00 g NaHCO3 g-1COD in all phases of ASTBR – M II. For the ASTBR – M I, the concentration varied between 1.00 to 0.00 g NaHCO3 g-1COD. In the ASTBR – A, the percentage of hydrogen (H2) in the biogas was 51%, the volumetric hydrogen production (VHP) was 88.0 mL H2 L-1 h-1 and the hydrogen yield (HY) was 1.18 mol H2 molar-1carbohydrate. The predominant microorganism in this reactor was the Thermoanaerobacterium and the main metabolite route was the lactic acid. The ASTBR – M I suffered acidification after the complete removal of the alkalinizer allowing the detection of hydrogen in the biogas. However, the use of the alkalinizer after its complete removal from the system favored the growth of Archaeas, mainly the hydrogenotrophic methanogens. The comparison of the methanogenic reactors was carried out for phases with similar conditions (OLR of 10 g L-1d-1 and 1.00 g NaHCO3 g-1COD) and allowed to verify a better performance in the methane (CH4) production in the ASTBR – M II. Regarding the methane yield (MY), the efficiency of ASTBR – M II was 44% higher than ASTBR M – I.

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar, e entre os principais subprodutos dessa indústria está o melaço de cana-de-açúcar. Esse substrato é rico em carboidratos, apresentando potencial para ser utilizado na digestão anaeróbia para geração de biogás. Neste estudo, priorizou-se a produção de biogás em condições termofílicas (55°C) com a finalidade de comparação do sistema de duas fases (reator acidogênico seguido de reator metanogênico) e sistema de fase única (acidogênico e metanogênico em uma mesma unidade), utilizando o melaço como substrato. O sistema de duas fases baseou-se na separação da acidogênese e metanogênese. O reator acidogênico (ASTBR – A) foi operado com carga orgânica volumétrica (COV) de 60,0 g L-1d-1 e tempo de detenção hidráulico (TDH) de 4 horas. O reator metanogênico, sequencial ao acidogênico (ASTBR – M II) foi operado em dez fases, com COV variando de 0,6 a 10,0 g L-1d-1 e TDH de 40 e 24 horas. O sistema de fase única foi composto por um reator metanogênico (ASTBR – M I) operado em nove fases com COV entre 2,5 e 10,0 g L-1d-1 e TDH de 28 h. Bicarbonato de sódio (NaHCO3) foi adicionado na proporção de 1,00 g NaHCO3 g-1DQO para todas as fases do ASTBR M II. Para o ASTBR – M I, variou-se a concentração de 1,00 a 0,00 g NaHCO3 g-1 DQO no reator. Para o ASTBR A a porcentagem de hidrogênio (H2) no biogás foi de 51%, a produção volumétrica de hidrogênio (PVH) de 88,0 mL H2 L-1 h-1 e o rendimento de hidrogênio (HY) de 1,18 mol H2 molcarboidratos-1. O microrganismo predominante nesse reator foi o Thermoanaerobacterium, e a principal rota a do ácido lático. O reator ASTBR – M I sofreu acidificação após a retirada completa de alcalinizante, permitindo a detecção de H2 no biogás. Porém, a retomada da adição de NaHCO3 favoreceu o crescimento das arqueias, principalmente metanogênicas hidrogenotróficas. A comparação dos reatores metanogênicos foi realizada para fases com condições semelhantes (COV de 10 g L-1d-1 e 1,00 g NaHCO3 g-1DQO) e permitiu verificar melhor desempenho na produção de CH4 do ASTBR – M II. Em relação ao MY, a eficiência do ASTBR – M II foi 44% superior ao ASTBR M – I. / Brazil is the largest producer of sugarcane and one of the main sub-products of this industry is the molasses, which is rich in carbohydrates and can be used as a substrate for biogas production in anaerobic digestion. In this study, biogas production was evaluated under thermophilic conditions (55 °C) in a two-phases system (acidogenic reactor followed by methanogenic reactor) based on phase separation and a single-phase system (acidogenic and methanogenic microorganisms in a single unit) using molasses as the substrate. The acidogenic reactor (ASTBR-A) was operated under the organic loading rate (OLR) of 60.0 g L-1d-1 and hydraulic retention time (HRT) of 4 hours. The methanogenic reactor (ASTBR M II), which was sequential to acidogenic one, was operated in ten phases with OLR ranging from 0.6 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 40 and 24 hours. The single-phase reactor was composed of a methanogenic reactor (ASTBR -– M I) operated in nine phases with increasing OLR from 2.5 to 10.0 g L-1d-1 and HRT of 28 hours. Sodium bicarbonate (NaHCO3) was added in the ratio of 1.00 g NaHCO3 g-1COD in all phases of ASTBR – M II. For the ASTBR – M I, the concentration varied between 1.00 to 0.00 g NaHCO3 g-1COD. In the ASTBR – A, the percentage of hydrogen (H2) in the biogas was 51%, the volumetric hydrogen production (VHP) was 88.0 mL H2 L-1 h-1 and the hydrogen yield (HY) was 1.18 mol H2 molar-1carbohydrate. The predominant microorganism in this reactor was the Thermoanaerobacterium and the main metabolite route was the lactic acid. The ASTBR – M I suffered acidification after the complete removal of the alkalinizer allowing the detection of hydrogen in the biogas. However, the use of the alkalinizer after its complete removal from the system favored the growth of Archaeas, mainly the hydrogenotrophic methanogens. The comparison of the methanogenic reactors was carried out for phases with similar conditions (OLR of 10 g L-1d-1 and 1.00 g NaHCO3 g-1COD) and allowed to verify a better performance in the methane (CH4) production in the ASTBR – M II. Regarding the methane yield (MY), the efficiency of ASTBR – M II was 44% higher than ASTBR M – I.

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.