Made available in DSpace on 2017-07-10T19:24:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Shaiane__Lucas.pdf: 2393290 bytes, checksum: 9e5c684ef130e9552f01b3191e3e8e1d (MD5) Previous issue date: 2015-02-20 / This study evaluated the hydrogen and methane production from cassava starch wastewater in reactors in series. The acidogenic and methanogenic reactors were operated in a continuous flow and trials were divided into three stages. In Stage 1, three essays for hydrogen production evaluated the effect of initial pH (6.0 and 4.5), substrate concentration (1.4, 1.1 and 2.2 g total carbohydrates.L-1) and strategies to control biomass (by disposal or change in the structure of such support material with low density polyethylene) in anaerobic reactors of fixed bed and upflow at 36 °C. The best operating condition among the evaluated ones was pH 6.0 and concentration of 1.4 g total carbohydrates.L-1, which resulted in Hydrogen Volumetric Productions (HVP) of 229 mL.L-1.d-1 and yield of 29.4 mL.g-1total carbohydrate. The best strategy to control biomass was the sort of bed with polyethylene cylinders, which provided the least changes in flow regime and excessive growth of biomass. In Stage 2, the effect of inoculum source was evaluated in two packed-bed reactors operating according to the following conditions: pH 6.0; 2 g.L-1concentration of substrate, 20 g.L-1.d-1organic loading rate (OLR) and hydraulic retention time (HRT) of 2-hour. In the inoculated reactor with autofermented effluent, the answers were: 550 mL.L-1.d-1and hydrogen yield of 38mL.g-1total carbohydrates. These values were higher than those observed for the reactor inoculated with anaerobic heat-treated sludge, which indicated that the use of simple inoculums is a viable strategy for hydrogen production under the tested conditions. In addition to these essays, the influence of ORL and HRT were also evaluated. The increase of ORL (10 to 20 g-total carbohydrates.L-1.d-1) and decrease of HRT (4 to 2 hour) resulted in a higherhydrogen production (467 mL.L-1.d-1), hydrogen percentage in the studied biogas (40%) and molar flow rate (2.16 mmol.h-1). Therefore, the average yield of 30 mL H2.g-1 total carbohydrate was the same for both conditions tested. In general, butyric acid was associated with higherhydrogen production, followed by acetic and propionic acids, besides ethanol, in the five analyzed essays. In Stage 3, methane production from the acidified effluent was evaluated in a horizontal anaerobic reactor of fixed bed and continuous flow, operated at mesophilic temperature. The operating conditions were divided into four stages, whose variations were: initial pH (5.0 and 7.0), OLR (1.54; 3.54 and 6 g-COD.L-1.d-1) and HRT (5; 1.5 and 1.1 d). The results of effluent pH greater than 7.0, volatile acidity/total alkalinity of 0.2 and 98% removal of organic matter showed that the reactor performance was not impaired by the separation of acidogenic and methanogenic stages. The highest production of methane was observed in Phase IV, with pH 5.0, 6 g.L-1.d-1 OLR and 1.1 d HRT, resulting in average values of 0.82 L.L-1.d-1 for volumetric methane production, 0.85 L.g-1CODremoved yield and 80% methane in biogas composition. The energy efficiency in the combined system was 17% higher than the one observed in the single system for the treatment of cassava starch wastewater. / Este trabalho avaliou a produção de hidrogênio e metano a partir de efluente de fecularia de mandioca em sistema combinado. Os reatores acidogênico e metanogênico foram operados em fluxo contínuo, e os ensaios divididos em três etapas. Na Etapa 1, três ensaios para produção de hidrogênio avaliaram o efeito do pH inicial (6,0 e 4,5), concentração de substrato (1,4, 1,1 e 2,2 g carboidratos totais.L-1) e estratégias de controle da biomassa (por descarte ou mudança na estruturação do material suporte de polietileno de baixa densidade) em reatores anaeróbios de leito fixo e fluxo ascendente, à temperatura de 36 C. A melhor condição operacional dentre as avaliadas foi pH 6,0 e concentração de 1,4 g carboidratos totais.L-1, que resultou em Produções Volumétricas de Hidrogênio (PVH) de 229 mL.L-1.d-1 e rendimento de 29,4 mL.g-1 carboidrato total. A melhor estratégia de controle de biomassa foi a ordenação do leito com cilindros de polietileno, a qual proporcionou menores alterações no regime de escoamento e crescimento excessivo da biomassa. Na Etapa 2, o efeito da fonte de inóculo foi avaliado em dois reatores de leito empacotado nas condições operacionais pH 6,0; concentração de substrato de 2 g.L-1, Carga Orgânica Volumétrica aplicada (COV) de 20 g.L-1.d-1 e Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) de 2 horas. No reator inoculado com efluente autofermentado verificou-se PVH de 550 mL.L-1.d-1 e rendimento de hidrogênio de 38 mL.g-1 carboidratos totais. Esses valores foram maiores que os observados para o reator inoculado com lodo anaeróbio tratado termicamente, os quais indicaram que a utilização de inóculos simples representa uma estratégia viável para produção de hidrogênio nas condições testadas. Além desses ensaios, a influência da COV e do TDH também foi avaliada. O aumento COV (de 10 para 20 g.L-1.d-1) e a redução do TDH (de 4 para 2 h) resultaram em maior produção de hidrogênio (467 mL.L-1.d-1), percentual de hidrogênio no biogás (40%) e vazão molar (2,16 mmol.h-1). Entretanto, o rendimento médio de 30 mL H2.g-1 carboidrato total foi igual para as duas condições testadas. De modo geral, o ácido butírico foi associado à maior produção de gás hidrogênio, seguido dos ácidos acético e propiônico, além de etanol, nos cinco ensaios realizados. Na Etapa 3, a produção de metano a partir do efluente acidificado foi avaliada em reator anaeróbio horizontal de leito fixo e fluxo contínuo, operado em condição mesofílica de temperatura. As condições operacionais foram divididas em quatro fases, com variação do pH inicial (5,0 e 7,0), da COV (1,54; 3,54 e 6 g DQO.L-1.d-1) e do TDH (5; 1,5 e 1,1 d). Os resultados de pH efluente superior a 7,0, relação acidez volátil/alcalinidade total de 0,2 e remoção de 98% da matéria orgânica evidenciam que o desempenho do reator não foi prejudicado pela separação das fases acidogênica e metanogênica. A maior produção de metano foi observada na Fase IV, com pH 5,0, COV de 6 g.L-1.d-1e TDH de 1,1 d, que resultou em valores médios de produção volumétrica de metano de 0,82 L.L-1.d-1, rendimento de 0,85 L.g-1DQOremovida e 80% de metano na composição do biogás. O rendimento energético no sistema combinado foi 17% superior ao observado em sistema único no tratamento de efluente de fecularia.

Neste trabalho avaliou-se a influência das condições operacionais da célula a combustível microbiana (CCM) na remoção de matéria orgânica de águas residuárias e na geração de energia elétrica direta. As Hipóteses 1, 2 e 3 verificaram respectivamente as influências do tempo de detenção hidráulica (TDH), das condições mesofílica (25 ºC) e termofílica (55 ºC) de temperatura e da razão de recirculação (R) do efluente no cátodo da CCM (0, 1, 3 e 5) na geração de energia elétrica, na adesão e na comunidade microbiana e na remoção de DQO em CCM sem membrana de íon seletiva alimentada com água residuária sintética a base de sacarose. As Hipóteses 1, 2 e 3 foram aceitas. A redução do TDH permitiu maior geração de energia e dominância na comunidade microbiana e menor adesão da comunidade microbiana ao eletrodo. Enquanto que longos TDH removeram mais DQO, porém geraram menores valores de tensão elétrica. As condições termofílicas apresentaram maiores valores de tensão elétrica gerada e maior dominância da comunidade microbiana e menor adesão microbiana ao eletrodo e eficiência de remoção de DQO. A constante cinética aparente em condição termofílica ( 0,035 h-1) foi duas vezes menor que em condição mesofílica ( 0,083 h-1). O aumento da R melhorou a geração de energia e a remoção de DQO, pois houve melhor transferência de massa do meio líquido para os microrganismos e do meio gasoso para liquido e menor concentração de biomassa aderida ao eletrodo do cátodo aumentando a tensão elétrica gerada. Na Hipótese 4, verificou-se o uso e o efeito do TDH no tratamento de vinhaça de cana de açúcar em CCM sem membrana trocadora de íon seletivo operada em condição termofílica. A CCM foi capaz de remover a matéria orgânica da vinhaça de cana de açúcar e gerar energia elétrica direta, validando a Hipótese 4. As hipóteses 5, 6 e 7 avaliaram as influências da relação DQO, nitrogênio e fósforo da água residuária de produção de vinho, do tempo de retenção celular (TRC) e da configuração do eletrodo no desempenho de CCM de duas câmaras usando membrana de íon seletivo. Acataram-se as hipóteses 5, 6 e 7. O desbalanceamento entre DQO, nitrogênio e fósforo da água residuária de produção de vinho é um dos principais obstáculos para o uso desta tecnologia e a relação de DQO:N:P de 700:10:1 tem elevado potencial para gerar energia elétrica direta em CCM, embora não seja eficiente na remoção de matéria orgânica. A geração de energia aumenta com a redução do TRC, visto que há seleção dos microrganismos eletrogênicos e aumento da carga orgânica volumétrica específica reduzindo a competição por substrato. Entretanto, o TRC não influenciou a remoção de matéria orgânica, pois somente uma pequena parte da DQO foi removida similar em todos os TRC. As características físicas do eletrodo como a porosidade, a rugosidade e a densidade de área do eletrodo e a biocompatibilidade do eletrodo são fatores determinantes para aumentar o desempenho da CCM. Entre os eletrodos estudados, o feltro de carbono foi o melhor material encontrado. / In this work the influence of the operational conditions of the microbial fuel cell (MFC) were evaluated in organic matter removal from wastewater treatment and in the power generation. Hypotheses 1, 2 and 3 respectively checked the influences of hydraulic retention time (HRT), of mesophilic and thermophilic conditions (25 °C and 55 °C, respectively) and the recirculation ratio (R) of the effluent in cathode of MFC (0, 1, 3 and 5) in the power generation, microbial adhesion and community and COD removal of membraneless MFC fed with synthetic wastewater based on sucrose. Hypotheses 1, 2 and 3 have been accepted. Reducing the HRT increased the power generation and the dominance in microbial community and decreased the COD removal efficiency and microbial adhesion to the electrode. Long HRT more efficiently removed the organic matter but generated lower voltages. The thermophilic conditions yielded a more dominant microbial community that favored power generation compared with the mesophilic conditions because of reduced microbial adhesion to the electrode. The COD removal efficiencies were higher under mesophilic conditions than under thermophilic conditions due to the higher apparent kinetic constant at mesophilic conditions (0.083 h-1) than in thermophilic conditions (0.035 h-1). Increasing the R improved the power generation and the COD removal, because the mass transfer in the liquid medium for microorganisms was improved and the biomass adhered to the cathode electrode decreased increasing the voltage. In Hypothesis 4, the use and effect of HRT in treating sugar cane vinasse in membraneless MFC operated at thermophilic conditions were evaluated. The CCM was able to remove the COD of sugarcane vinasse and generate electricity directly, confirming the hypothesis 4. Hypotheses 5, 6 and 7 assessed the influences of COD, nitrogen and phosphorus ratio in winery wastewater, of sludge retention time (SRT) and of electrode configuration in dual chamber MFC. Hypotheses 5, 6 and 7 were adopted. The misbalance between COD, nitrogen and phosphorus from winery wastewater is a major obstacle to the use of this technology and COD:N:P ratio of 700:10:1 had high potential to generate power in MFC, although it is not effective in removing organic matter. The power generation increases with the reduction of the SRT, since there were the selection of bioeletrogenic microorganisms and increased the volumetric organic load rate reducing competition for substrate. However, the SRT did not affect the removal of organic matter, because only a small part of COD was removed regardless of SRT. Physical characteristics of the electrode as porosity, roughness and the electrode area density and the biocompatibility of the electrode are key factors to increase the performance of CCM. The carbon felt was the best studied material having the highest values of porosity, roughness and the electrode area density.

Atualmente as usinas sucroalcooleiras conseguem exportar à matriz elétrica brasileira os excedentes de eletricidade gerados nelas; essa eletricidade é gerada através da combustão direta da biomassa residual da cana-de-açúcar o que requer menor investimento em equipamentos e controle técnico em comparação aos processos de pirólise e gaseificação. Embora o poder calorífico da cana-de-açúcar seja documentado em diversos trabalhos na literatura, em nenhum deles é registrado o histórico de disponibilidade hídrica no solo durante o crescimento da planta; deste modo levanta-se a hipótese que as plantas sob stress hídrico tendo um maior teor de fibra, apresente um poder calorífico diferenciado das plantas que não passaram por stress hídrico. O objetivo deste estudo foi apresentar o poder calorífico, a energia útil e cinzas da biomassa particionada seca de oito variedades de cana-de-açúcar (V1, V2, V3, V4. V5, V6, V7 e V8), submetidas a diferentes disponibilidades hídricas no solo durante o processo de crescimento das plantas através da irrigação por gotejamento (L50, L75, L75* e L100) sob diferentes processos de maturação com base em déficit hídrico na fase final de crescimento (M1, M2, M3 e M4). Determinou-se o poder calorifico superior da biomassa particionada em açúcar, bagaço, bainhas, folhas, perfilhos mortos, ponteiro e raízes de cana-de-açúcar utilizando um calorímetro isoperibólico Parr 6200, seguindo a norma ASTM D5468-02. A produção da cana-de-açúcar analisada foi realizada em ambiente protegido na Escola Superior de Agricultura \"Luiz de Queiroz\" (USP). A análise de variância univariada (ANOVA), de cada variável de resposta, correspondeu a um delineamento de três blocos casualizados com esquema experimental de parcelas sub-subdivididas (split-split-plot); resultando um total de 396 unidades experimentais. Em cada parcela, foram plantadas duas touceiras de cana (réplicas). A média observada do poder calorifico superior obtido para o bagaço, as bainhas, as folhas e os ponteiros, respectivamente, foi 18,16; 17,21; 17,64; e 17,84 MJ⋅kg-1. A ordem de grandeza do potencial energético da cana-de-açúcar é dada principalmente pela biomassa. A energia total média medida foi 1241,87 GJ⋅ha-1 (71,41 t MS) e a energia útil média estimada foi 660,29 GJ⋅ha-1 (36,90 t MS). Estimou-se que em média são produzidas 0,54 toneladas de cinzas por hectare. / Currently sugar mills generate electricity over their needs, exporting the surplus to the Brazilian energy matrix; this electricity is generated through direct combustion of the residual biomass, which requires less investment in equipment and technical control compared with the pyrolysis and gasification processes. Although the caloric value of the residual canes is documented by several studies in the literature, no recorded studies consider their qualitative aspect. This work hypothesis suggest that plants subject to water stress have a relative higher fiber content, thus a different calorific value. The objective of this study is to retrieve the calorific value, the useful energy and ashes from dried biomass of eight sugarcane varieties (V1, V2, V3, V4. V5, V6, V7 and V8) under different water availability in the soil during the growth process of plants by drip irrigation (L50, L75, L75 and L100 *) in different ripening processes based water deficit in the final growth stage (M1, M2, M3 and M4). The gross calorific value of biomass was determined by partitioned it into sugar, bagasse, sheaths, leaves, dead tillers, hand and roots using a isoperibol calorimeter Parr 6200, following ASTM D5468-02 normative. The experiment was carried in a greenhouse at the \"Luiz de Queiroz\" College of Agriculture (USP) in Piracicaba-SP. The univariate analysis (ANOVA), for each response variable, corresponded to a randomized block (split-split-plot design); resulting in 396 experimental units. In each plot were planted two clumps of cane. The gross calorific value average observed obtained for bagasse, sheaths, leaves and pointers was, respectively 18.16; 17:21; 17.64; and 17.84 MJ⋅kg-1. The order of magnitude of the energy potential of sugarcane was given mainly by biomass. The measurement of average total energy was 1241.87 GJ⋅ha-1 (71.41 t MS) and average estimated useful energy was 660.29 GJ⋅ha-1 (36.90 t MS). It is estimated that on average 0.54 tons of ash per hectare are produced.

Esse trabalho investigou a influência de diferentes origens e pré-tratamentos do inóculo na produção de biohidrogênio em reatores anaeróbios de leito fixo e fluxo ascendente. Aparas de polietileno de baixa densidade foram usadas como material suporte para fixação da biomassa e os reatores foram operados com 2 h de tempo de detenção hidráulica (TDH) e a 25ºC, alimentados com efluente sintético a base de sacarose. Duas fontes de inóculo foram estudadas: lodo anaeróbio de reator UASB aplicado ao tratamento de água residuária de abatedouro de aves (D) e lodo anaeróbio de reator UASB aplicado ao tratamento de água residuária de suinocultura (S); além da autofermentação (A), quando não há nenhum inóculo no reator. Além disso, dois tipos de pré-tratamento térmico (T) e ácido (A) foram avaliados. Os rendimentos de hidrogênio foram de 2,1, 2,0, 2,0,1,0, 1,0, 0,7, 0,7 mol \'H IND.2\' mol-1 sacarose quando os reatores foram inoculados com A, DT, DA, D, SA, ST e S, respectivamente. Nessa nomenclatura, a primeira letra se refere à origem do inóculo e a segunda, ao pré-tratamento. Embora hidrogênio (20-78%) e dióxido de carbono (21-55%) tenham sido os principais produtos no biogás, metano foi detectado nos reatores inoculados com D, DA, S, ST e SA no início e no final da operação. A produção volumétrica máxima de hidrogênio (61,6 mL \'H IND.2\' h-1.L-1) foi obtida quando DA foi usado com inóculo. Porém, o menor valor (15,1 mL \'H IND.2\' h-1.L-1) foi observado usando o inóculo S. Quando o reator não foi inoculado (A), a produção volumétrica de hidrogênio foi 47,3 mL \'H IND.2\' h-1.L-1. Etanol, ácido butírico e acético foram os principais produtos \'metabólicos detectados na fase líquida. Em resumo, os resultados demonstraram que há influência da origem e do pré-tratamento do inóculo em todos os parâmetros analisados. Inóculos sem pré-tratamento resultaram em menor rendimento de hidrogênio do que os observados nos experimentos com inóculos pré-tratados devido a seleção das bactérias produtoras de hidrogênio (BPH). Ademais, embora o pré-tratamento térmico tenha gerado os maiores valores de rendimento, o pré-tratamento ácido resultou em uma operação mais estável com os maiores valores médios. A autofermentação teve desempenho semelhante aos DT e DA e pode ser uma alternativa para a produção biológica de hidrogênio, pois seleciona as BPH naturalmente. / This paper investigated the influence of different inoculums and pretreatment of seed sludge on the biohydrogen production in up-flow anaerobic fixed-bed reactors. Particles of low-density polyethylene were used as support for biomass attachment and the reactor was operated with hydraulic retention time (HRT) of 2 h at 25ºC, fed with a sucrose-based synthetic wastewater. Two sources of inoculums were studied: anaerobic sludge from an UASB (up-flow anaerobic sludge blanket) reactor applied to treat poultry slaughterhouse wastewater (Sl) and anaerobic sludge from an UASB reactor treating swine wastewater (Sw), besides the autofermentation (A), with no inoculation of the reactor. In addition, two kinds of pretreatment heat (He) and acid (Ac) shock were evaluated. Hydrogen yields were 2.1, 2.0, 2.0,1.0, 1.0, 0.7, 0.7, mol \'H IND.2\' mol-1 sucrose when the reactors were inoculated with A, SlHe, SlAc, SwAc, Sl, Sw, and SwHe, respectively. In this nomenclature, the first two letters refer to source and the others refer to pretreatment. Although hydrogen (20-78%) and carbon dioxide (21-55%) have been the main gaseous products in the biogas, methane was detected in Sl, SlAc, Sw, SwHe and SwAc at the beginning and in the last days of the operation. Optimal \'H IND.2\' production rate (61.6 mL \'H IND.2\' h-1 L-1) was obtained when SlAc was used as seed sludge. On the other hand, the smallest value (15.1 mL \'H IND.2\' h-1 L-1) were observed using Sw inoculums. When the reactor was not inoculated (A), \'H IND.2\' production rate was 47.3 mL \'H IND.2\' h-1 L-1. Ethanol, butyric acid and acetic acid were the main soluble products detected in the liquid phase. In summary, the results have demonstrated that there are influences of the source and the pretreatment of the seed sludge in all parameters analyzed. Inoculums without pretreatment resulted in hydrogen productivity lower than those observed for experiments with pretreated inoculums due the selection of hydrogen producing bacteria (HPB). Furthermore, although the heat shock has generated the highest values of hydrogen yield, the acid-shock provided more stable operation with the highest average values. Besides, the autofermentation had almost the same performance than SlAc and SlHe and could be an alternative for biological hydrogen production due to natural selection of HPB.

A palha de cana-de-açúcar tem sido uma importante matéria prima para aumentar a produção de bioenergia no Brasil. Porém a dinâmica das emissões de gases de efeito estufa no campo devido à prática de remoção de palha ainda não é totalmente compreendida. O objetivo deste trabalho foi quantificar as emissões de GEE do solo devido à remoção da palha de cana-de-açúcar com e sem adição de nitrogênio. Foram realizados dois experimentos com câmaras amostrais de gás mantidas em condições naturais com quatro tratamentos: sem palha, 3, 6 e 12 Mg ha-1, os quais equivalem as intensidades de 100, 75, 50 e 0% de remoção. O primeiro foi conduzido por 180 dias sem adição de N e o segundo experimento conduzido por 100 dias, foi adicionado 80 kg ha-1 de N no sulfato de amônio e 32 kg ha-1 de N na vinhaça. Conjuntamente ao experimento 1, foi conduzido um ensaio de decomposição com as mesmas quantidades de palha limitadas por caixas plásticas sem fundo (0,3 x 0,5 m). No Experimento 1 a presença de palha aumentou 35 - 45% os fluxos acumulados N2O e CO2 em relação ao solo descoberto. O influxo de CH4 aumentou 40% na presença total de palha (12 Mg ha-1) em relação ao sem palha. O fator de emissão de N2O encontrado para a palha em decomposição foi de 0,02%. No Experimento 2 ocorreu uma intensificação das emissões devido à adubação nitrogenada, com isso as emissões em razão das quantidades de palhas não foram significantes. O fator de emissão médio foi de 0,42%. Os resultados indicam que a palha, sem N, possui um efeito na emissão de GEE e, que para manter o estoque de C do solo, é necessário a manutenção de pelo menos 6 Mg ha-1 para compensar as perdas de CO2 por respiração. Este trabalho contribuirá para os cálculos de pegada de carbono do bioetanol e na decisão da usina sobre a intensidade de remoção de palha de cana-de-açúcar para a produção de energia e etanol 2G / Sugarcane straw has been point out as an important feedstock to increase bioenergy production in Brazil However, the field greenhouse gas (GHG) emission dynamic due straw removing management is not completely understood yet. Two experiments were conducted with gas sampling chambers that was kept under natural conditions with four treatments: bare soil, 3, 6 and 12 Mg ha-1, which is approximately the equivalent of the 100, 75, 50 and 0 % intensities of removing. The first was conducted for 180 days without the N addition and the second experiment was conducted for 100 day and its was added 80 kg ha-1 N in ammonium sulfate and 32 kg ha-1 N in the vinasse. Parallely to the experiment 1, a decomposing trial was conducted with the same straw amounts in a side limited bottomless plastic boxes (0.3 x 0.5 m). In Experiment 1, the presence of straw increased 35-45% the N2O and CO2 accumulated flux compared to the bare soil. While the influx of CH4 increased by 40% in the maximum straw amount (12 Mg ha-1) compared to zero. The N2O emission factor found for the straw decomposition was 0.02%. In Experiment 2 occurred an intensification of emissions due to nitrogen fertilization which raised the average emission factor for 0.42%. Thus emission due straw quantities were not significant. The results indicate that the straw without N has an effect of GHG emissions, and in order to maintain the C stock in soil is need keep at least 6 Mg ha-1 of straw to compensate for the loss of CO2 thru respiration. This work will contribute to the bioethanol carbon footprint calculation and in the grower decision taking of straw removing intensity for energy and 2G ethanol

A concentração de CO2 na atmosfera tem aumentado progressivamente nos últimos anos. Este aumento é atribuído em sua maior parte à ação humana e à atividades como mudanças no uso da terra, desflorestamento e uso de combustíveis fósseis. É previsto que as mudanças do clima decorrentes desse aumento do CO2 irão impactar de forma significativa na agricultura. A cana-de-açúcar é uma planta de grande importância na economia mundial devido ao seu uso na indústria sucroalcoleira. Neste sentido, conhecer como o aumento de CO2 irá impactar nesta cultura é de importância estratégica para o país e para o mundo. Experimentos com cana-de-açúcar cultivada em elevado CO2 têm demonstrado aumento na taxa de fotossíntese, biomassa e no conteúdo de sacarose. Especula-se que a maior taxa de fotossíntese observada nesses experimentos é regulada por meio da taxa de transporte de elétrons, uma vez que genes relacionados a este processo foram observados com maior expressão em alto CO2. No entanto, os mecanismos que envolvem este processo ainda são desconhecidos. Com o objetivo de compreender os mecanismos envolvidos na regulação e funcionamento da fotossíntese em cana-de-açúcar, este trabalho apresenta dados sobre o ciclo diário de fotossíntese e carboidratos não estruturais, bem como dados fisiológicos, bioquímicos e de expressão gênica de plantas cultivadas em atmosfera enriquecida de CO2. Os resultados obtidos mostram que a regulação da fotossíntese em alto CO2 é dada pela manutenção do crescimento que esta condição proporciona às plantas, uma vez que o cultivo no vaso limita o crescimento na raiz e leva a um possível déficit hídrico. Genes e proteínas relacionados direta ou indiretamente ao processo de transporte de elétrons foram encontrados com expressão diferencial, corroborando os dados obtidos nas medidas in vivo. Por outro lado, os dados mostram pouca variação no sistema de captação de CO2, indicando que a principal regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar ocorre por meio do sistema de captura de luz. Foram observados proteínas e genes relacionados com o conteúdo de açúcares e com o crescimento, que podem ser pontos importantes de regulação da fotossíntese em cana-de-açúcar. Com os dados obtidos foi possível inferir que o aumento do CO2 na atmosfera irá beneficiar as plantas de cana-de-açúcar, sendo que pontos de regulação descritos neste trabalho têm potencial de utilização como ferramentas que auxiliem na determinação de cultivares mais produtivos. / The atmospheric CO2 concentration has been increasing progressively along the last years. This increase is attributed mainly to humans action and to land use changes, deforestation and fossil fuel burning. Is it predicted that the global climate changes resulting from CO2 increase will impact significantly agriculture. Sugarcane is very important for worlds economy due to its use for sugar and alcohol industry. In this way, the knowledge of how sugarcane will respond at elevated CO2 is important to design strategies for biofuel production and use in Brazil and in the world. In experiments with sugarcane grown under elevated CO2 sugarcane plants have shown an increase in photosynthesis, biomass and sucrose content. It was then speculated that the higher photosynthesis observed in these experiments might be regulated by electron transport rates, since genes related to this process were observed with higher expression in elevated CO2. However, the mechanisms that are related with this process are still unknown. The aim of this thesis was to understand the mechanisms related in the regulation and functioning of photosynthesis in sugarcane in elevated CO2. This work presents data about diurnal cycle of photosynthesis and non structural carbohydrates, physiology, biochemistry and gene expression. The results show that photosynthesis regulation in elevated CO2 is linked with the plant growth that remains under these conditions, since the pots cause roots growth limitations and leads a possibly water deficit. Genes and proteins were found that are related directly or indirectly to electron transport process as seen from differential expression. This corroborates the data obtained from in vivo measurements. On the other hand, our data show little variation in CO2 capture system, indicating that the mainly regulations of photosynthesis in sugarcane occurs due changes in light capture system. Proteins and genes have been observed that associated with sugar content and growth. These might be key for understanding regulation of photosynthesis in sugarcane. With the data obtained it is possible to speculate that elevation of CO2 will benefit the sugarcane plants in the future. Also, the regulation points described in this work have potential to be used as tools to help finding more productive cultivars.

A produção de biocombustíveis apresenta-se como uma eficiente alternativa para superar as limitações econômico-ambientais inerentes à comercialização e utilização de combustíveis fósseis. O etanol caracteriza-se como um dos principais biocombustíveis alternativos, sendo as destilarias de cana-de-açúcar importantes exemplos de biorrefinarias, as quais, analogamente à indústria do petróleo, objetivam a obtenção de um espectro de (bio)produtos e/ou bioenergia a partir da biomassa vegetal. Embora nas atuais biorrefinarias de cana-de-açúcar a matéria-prima seja convertida em etanol, açúcar e eletricidade, uma fração considerável da energia da cana (como matéria orgânica) ainda é perdida na vinhaça. Potenciais impactos negativos da fertirrigação, i.e., aplicação direta da vinhaça no solo agrícola, também constituem outra relevante limitação do atual gerenciamento desta água residuária no Brasil. A biodigestão anaeróbia apresenta grande potencial de aplicação no tratamento da vinhaça, objetivando-se a redução de sua carga orgânica poluente concomitantemente à recuperação de bioenergia a partir do biogás. Embora tal processo potencialize a extração de energia da cana-de-açúcar na biorrefinaria, a literatura de referência ainda é escassa em termos da definição de parâmetros que viabilizem a implantação da biodigestão nas destilarias brasileiras. Neste contexto, neste estudo apresenta-se um panorama holístico da aplicação da biodigestão anaeróbia no tratamento da vinhaça de cana-de-açúcar, definindo-se condições operacionais para uma eficiente e estável conversão da matéria orgânica em hidrogênio e metano em sistemas em duas fases (acidogênico + metanogênico) termofílicos (55ºC). Diferentes cenários para produção de energia a partir do biogás também foram estudados a partir da aplicação de ferramentas de simulação, buscando-se fornecer aspectos técnicos, econômicos e ambientais da implantação das plantas de biodigestão da vinhaça na indústria sucroalcooleira brasileira. Em termos experimentais, os resultados mostraram a habilidade do reator acidogênico para manter produções contínuas de biohidrogênio em longo prazo (240 dias), sendo a aplicação de estratégias operacionais específicas, p.ex. controle do pH e da concentração de biomassa no reator, imperativa para recuperação dos sistemas submetidos a perdas de desempenho. Na fase metanogênica, a aplicação de cargas orgânicas crescentes (até 30 kgDQO m-3 d-1) em um reator convencional de manta de lodo e um reator de leito fixo estruturado indicou um desempenho muito superior do sistema com células aderidas, especialmente em termos da estabilidade operacional em longo prazo (240 dias). Finalmente, com relação à avaliação tecnológica da biodigestão, demostrou-se a viabilidade do escalonamento dos sistemas anaeróbios com separação de fases para o tratamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar, independentemente do tipo de uso proposto para o hidrogênio: não recuperação, venda como produto de valor agregado, produção de biohythane ou injeção no reator metanogênico. Os resultados também apontaram o papel determinante da alcalinização dos sistemas para melhorar o desempenho econômico ambiental da biodigestão, podendo superar efeitos da redução dos custos de investimento em alguns casos. Em suma, espera-se que os resultados apresentados neste trabalho sirvam como referência aos tomadores de decisão da indústria sucroalcooleira, suprindo lacunas de informações e destacando a viabilidade da implantação da biodigestão como tecnologia central para o processamento da vinhaça nas biorrefinarias de cana-de-açúcar no Brasil. / The production of biofuels comprises an efficient alternative to overcome the economicenvironmental drawbacks inherent to the trade and use of fossil fuels. Ethanol is one of the main alternative biofuels, with sugarcane distilleries characterized as important examples of biorefineries, which, similarly to the oil industry, aim to obtain a spectrum of (bio)products and/or bioenergy from the vegetal biomass. Although the raw material is converted into ethanol, sugar and electricity in the current sugarcane biorefineries, a considerable fraction of the energy from sugarcane (as organic matter) is still wasted in vinasse. Potential negative impacts from fertirrigation, i.e., the direct application of vinasse into the agricultural soil, also comprise another relevant drawback of the current management of this wastewater in Brazil. Anaerobic biodigestion has great potential of application in the treatment of vinasse, aiming to reduce its polluting organic load concomitantly to the bioenergy recovery from biogas. Although this process enhances the energy extraction from sugarcane in the biorefinery, the reference literature still lacks on the definition of parameters that encourage the implementation of biodigestion in Brazilian distilleries. In this context, this study presents a holistic overview of the application of biodigestion in the treatment of sugarcane vinasse, defining operating conditions for an efficient and stable conversion of the organic matter into hydrogen and methane in two-phase (acidogenic + methanogenic) thermophilic systems (55ºC). Different scenarios for the production of bioenergy from biogas were also studied by using simulation tools, aiming to provide technical, economic and environmental aspects of the implementation of vinasse biodigestion plants in the Brazilian sucro-alcohol industry. In experimental terms, the results showed the ability of the acidogenic reactor to maintain a continuous long-term (240 days) biohydrogen production, characterizing the application of specific operating strategies, e.g. control of the pH and biomass concentration inside the reactor, as imperative for the recovery of systems subjected to performance losses. In the methanogenic phase, the application of increasing organic loadings (up to 30 kgCOD m-3 d-1) to a conventional sludge blanket reactor and a structured-bed reactor indicated a much superior performance of the adhered cell system, especially in terms of the long-term operating stability (240 days). Finally, regarding the technological assessment of the biodigestion, the feasibility of scaling-up anaerobic systems with phase separation to the treatment of vinasse in sugarcane biorefineries was demonstrated, regardless of the type of use proposed for hydrogen: non-recovery, sale as a value-added product, biohythane production or injection into the methanogenic reactor. The results also pointed out the determining role of the alkalinization of the systems to improve the economic-environmental performance of biodigestion, in order to overcome the effects of the reduction of investment costs in some cases. In short, it is expected that the results presented in this study will serve as reference to decision-makers in the sucro-alcohol industry, filling information gaps and highlighting the feasibility of implementing biodigestion.

Nessa pesquisa foram testadas tanto CCM com membranas e sem membranas que tinham por característica reproduzir sistemas de tratamento de esgoto sanitário. A etapa experimental desse trabalho foi dividida entre o Brasil (ensaios com CCM sem a MTP e utilizando esgoto sanitário) e Portugal (ensaios com CCM tradicionais de uma e duas câmaras, utilizando água residuária sintética e a bactéria Lactobacillus pentosus). A execução em dois locais diferentes resultou em um maior aprofundamento e desenvolvimento da pesquisa. As CCM foram avaliadas principalmente quanto ao potencial elétrico e eficiência da degradação de compostos orgânicos (esgoto sanitário e água residuária sintética). Para os dados obtidos no Brasil, as três configurações apresentaram maior diferença na potência em função do modo de operação. A operação intermitente apresentou a maior potência (11 mW/m2) para a CCM cilíndrica de fluxo ascendente, enquanto que operação continua a maior potência (4,2 mW/m2) foi obtida para a CCM retangular de fluxo horizontal, a qual também apresentava uma maior facilidade na manutenção quanto aos eletrodos (adição/remoção). A CCM cúbica de fluxo ascendente devido a sua concepção simples demandava um sistema complementar para o aumento da remoção de DQO. Apesar da baixa potência mensurada para os ensaios realizados no Brasil há de se pontuar que os mesmos foram obtidos para reatores sem membranas e utilizando o esgoto sanitário, o qual apresentou grande sazonalidade. Para a etapa realizada em Portugal, foi possível realizar quinze diferentes ensaios e mais um ensaio específico de crescimento. A maior potência (10,37 mW/m2) foi obtida para CCM de câmara dupla operada de modo contínuo para um tempo de detenção hidráulico (TDH) de 20 horas. A maior potência obtida para a CCM de câmara única foi de 5,53 mW/m2 quando houve a adição do extrato de levedura (função teórica de mediador). A potência da CCM, na maioria das vezes, esteve relacionada à proporção de sólidos voláteis e totais, SV/ST, quantidade de bactérias, pH, características de operação e por fim a configuração da CCM. O ensaio de crescimento revelou a correlação da potência em função da quantidade de bactérias inseridas da massa do biofilme (SV) e mostra-se como uma ferramenta na avaliação da potência das CCM. / In this research were tested MFC with membranes and without membrane that aimed to reproduce the characteristics of sewage treatment systems. The experimental phase of this work was divided between Brazil (MFC membrane-less using sewage) and Portugal (MFC tests with traditional single and dual chamber, using synthetic wastewater and Lactobacillus pentosus bacteria). The performance in two different locations resulted in a further deepening and development of research. The MFC were evaluated primarily on the electric potential and efficiency of degradation of organic compounds (sewage and synthetic wastewater). For data obtained in Brazil, the three patterns showed greater difference in power as a function of the operating mode. The intermittent operation showed the highest power (11 mW/m2) for the MFC cylindrical upflow, while operation continues the increased power (4.2 mW/m2) was obtained for the rectangular horizontal flow CCM, which also had an easier maintenance as the electrodes (addition/removal). The upflow cubic MFC because of its simple design required a complementary system to increase the COD removal. Despite the low power measured for tests conducted in Brazil there to point out that they were obtained for reactors without membranes and using the sanitary sewer, which showed a high seasonality. To step held in Portugal, was possible fifteen different tests and more individual test growth. The higher power (10.37 mW/m2) was obtained for MFC dual chamber continuously operated for a hydraulic retention time (HRT) of 20 hours. The greater potency obtained for the single chamber MFC was 5.53 mW/m2 when there was the addition of yeast extract (theoretical mediator function). The potency of MFC, most often been related to the proportion of total solids and volatile, VS/TS, the amount of bacteria, pH, operating characteristics, and finally the configuration of the MFC. The growth assay revealed the correlation power as a function of the quantity of bacterial biofilm mass inserted (VS) and shows up as a tool in assessing the potency of the MFC.

O etanol (álcool etílico) tem sido cada vez mais estudado e testado como combustível alternativo para substituição do uso de alguns derivados de petróleo em motores de combustão interna. O presente trabalho procura abordar o emprego do etanol na forma vaporizada em motores do ciclo Otto, objetivando a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico total. Deste modo, um motor para teste de octanagem (motor CFR) foi equipado com um vaporizador de álcool instalado no coletor de escapamento, e após uma série de ensaios, várias análises puderam ser feitas. Essas considerações procuraram se ater a aspectos como rendimento térmico, relação ar/combustível, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape, assim como potência e eficiência volumétrica, levando em conta, sempre, a sua influência no funcionamento geral do motor. Ficou constatado que o motor movido a etanol vaporizado apresenta rendimento consideravelmente maior, menor consumo de combustível e funcionamento mais suave que aqueles verificados quando o mesmo motor e alimentado com álcool líquido. / The ethanol (ethyl alcohol) has been studied more and more as alternative fuel to replace some petroleum derivatives for internal combustion engines. The attached study examines the application of vaporized ethanol for Otto cycle engines, searching for better levels of total thermal efficiency. Therefore, an engine for test of octane number (CFR motor) was equipped with an alcohol vaporizer installed inside the escape pipe, and after many experiences, several analysis were made. The various analysis included aspects as thermal efficiency, air/fuel ratio, advance ignition, escape temperature, power and volumetric efficiency, always considering their influence on the operation of the engine. It was confirmed that the engine moved by vaporized ethanol presents higher thermal efficiency, smaller fuel consumption and smoother working than in case of alimentation by liquid alcohol.

O álcool etílico ou etanol vem se tornando, neste novo século, uma importante referência para estudos e aplicações que procuram um combustível alternativo ao uso de derivados de petróleo em motores de combustão interna. Neste trabalho, o uso do etanol vaporizado pelos gases de escape em motores do ciclo Otto busca a obtenção de melhores níveis de rendimento térmico e emissões de poluentes. Assim sendo, um motor de 1.0 litro foi montado em laboratório com um trocador de calor instalado ao lado do coletor de escapamento, e uma série de testes foram feitos, possibilitando uma cuidadosa análise quanto a rendimento térmico, relação ar/álcool, ângulo de avanço da centelha, temperatura de escape e gases de emissão, entre outros aspectos. Conclui-se que o motor a álcool vaporizado, em certos regimes de funcionamento, apresenta rendimento maior e emissões menores que aqueles verificados no motor a álcool líquido. / The ethyl alcohol or ethanol is becoming, in this new century, an important reference for studies and applications that search for an alternative fuel to be used in internal combustion engines, replacing oil derivatives. In this study, an Otto cycle engine is fueled with ethanol vaporized by the exhaust gases, aiming for better levels of thermal efficiency and exhaust emissions. Therefore, a 1.0 liter engine with a heat exchanger connected to the exhaust manifold was prepared in a test bench, and several tests were made, which allowed a criterious analysis about air/alcohol ratio, spark ignition time, exhaust temperature and exhaust emissions, and others. It was concluded that the engine fueled with vaporized alcohol presents, in some operation points, higher thermal efficiency and less emissions compared to the case of engine fueled with liquid alcohol.