A indústria sucroalcooleira nacional, fruto da política de autonomia energética da década de 70, busca no aumento de portifólio produtivo a melhora da eficiência produtiva e energética. A produção de hidrogênio e metabólitos dissolvidos por processo biológico é uma linha de pesquisa relativamente recente, porém, que pode representar uma alternativa para esse setor, maximizando a produção de energia e ampliando a produção de compostos de alto valor agregado. Partindo destes preceitos, o objetivo deste trabalho foi avaliar a produção de hidrogênio e ácidos orgânicos por meio da fermentação escura a partir de compostos da indústria sucroalcooleira; sacarose (RS), caldo (RC), melaço (RM) e vinhaça (RV) a 5.000 mg DQO L-1, em reatores anaeróbios de leito fluidificado termofílicos (55°C), submetidos a tempos de detenção hidráulica (TDH) de 8, 6, 4, 2 e 1h. O inóculo utilizado foi obtido a partir de lodo de reator de manta de lodo metanogênico empregado na biodigestão de vinhaça de cana-de-açúcar em faixa termofílica de temperatura (55°C). As produtividades volumétricas de hidrogênio (PVH) mais elevadas foram obtidas quando em operação em TDH de 1h, sendo 194,9; 501,4; 303,4 e 40,7 mL H2 h-1 L-1 para RS, RC, RM e RV, respectivamente. Os melhores rendimentos de hidrogênio (HY) foram logrados em distintos TDH; 1,97; 3,01; 2,5 e 0,65 mol H2 mol- 1 sacarose quando RS, RC, RM e RV foram operados em 4, 6, 2 e 1h, respectivamente. Na fase de maior PVH, os metabólitos dissolvidos predominantes resumiram-se a ácido lático, ácido acético, ácido butírico, ácido propiônico, ácido málico e etanol, condicionados ao substrato empregado em cada reator. Assim, evidenciou-se a possibilidade de produção de hidrogênio, ácidos orgânicos e etanol por meio da fermentação escura aplicada aos substratos desta indústria, confirmando que a produção de energia e produtos de elevado valor agregado pode ser uma aplicação alternativa para seus compostos. / The national sugarcane industry, coming from the energy policy autonomy of the 70s, seeks increase its portfolio productive improvement of productive and energy efficiency. Hydrogen and dissolved metabolites production by biological process is a relatively recent research line, however it, may represent an alternative for this sector, maximizing energy production and increasing the value-added compounds production. Based on these principles, the aim of this study was to evaluate the hydrogen and dissolved metabolites production by means of the dark fermentation from compounds of the sugarcane industry; sucrose (RS), sugarcane juice (RC), molasses (RM) and vinasse (RV) with 5,000 mg COD L- 1in thermophilic anaerobic fluidized bed reactor (55°C) submitted to hydraulic retention time (HRT) of 8, 6, 4, 2, and 1h. The inoculum was obtained from methanogenic upflow anaerobic sludge blanket reactor employed to digestion of sugarcane stillage in thermophilic temperature range (55°C). The highest hydrogen production rates (HPR) of these reactors were obtained when operating in HRT 1h, which were 194.9, 501.4, 303.4, and 40.7 mL H2 h-1 L-1 to RS, RC , RM, and RV respectively. The best hydrogen yield (HY) were duped in differents HRT; 1.97, 3.01, 0.65, and 2.5 mol H2 mol-1 sacarose when RS, RC , RM, and RV were operated in 4, 6, 2, and 1h , respectively. When were produced the biggest HPR, the predominant dissolved metabolites were lactic acid, acetic acid, butyric acid, propionic acid, malic acid and ethanol, dependent on the substrate used in each reactor. Therefore, evidence of the possibility of hydrogen, organic acids and ethanol production by dark fermentation applied to substrates that industry, confirming that the production of energy and high value-added products may be an alternative application for their compounds.

Um reator anaeróbio com biomassa imobilizada operado em bateladas sequenciais com recirculação da fase liquida (AnSBBR) foi aplicado à produção de biohidrogênio. Foram tratados 1.9 L de meio por ciclo, analisando a influência da variação da carga orgânica volumétrica (COAV) através da variação da concentração do afluente sintético a base de sacarose. A concentração afluente variou entre 3600 e 5400 mgDQO/L e os tempos de ciclo de 4, 3 e 2 horas obtendo, dessa maneira, as cargas orgânicas volumétricas de 9, 12, 13,5, 18 e 27 gDQO/L. O sistema foi inoculado com lodo proveniente de um UASB aplicado ao tratamento de águas residuárias de abatedouro de aves. Foram utilizados diferentes indicadores de rendimento para averiguar a estabilidade e o efeito da carga orgânica aplicada ao sistema sobre a produção de biohidrogênio. Os indicadores utilizados tiveram como base a quantidade de mols de \'H IND.2\' produzidos por dia em relação à massa de sólidos voláteis no interior do reator e às cargas orgânicas aplica e removida, tanto em termos de matéria orgânica (DQO) quanto de carboidratos (sacarose) aplicados. Os resultados mostraram estabilidade do sistema na produção de biohidrogênio e consumo de substrato. Em todas condições experimentais, em termos de cargas orgânicas aplicada e removida obteve-se comportamento análogo com uma redução deste indicador em função do aumento da carga orgânica. O melhor rendimento obtido foi de 4,16 mol-\'H IND.2\'/kg-SAC.d para a carga orgânica de 9 gDQO/L.d (concentração afluente de 3600 mgDQO/L e tempo de ciclo de 4 h), sendo a composição de \'H IND.2\' no biogás de 36% (64% de \'CO IND.2\' e 0% de \'CH IND.4\'). Os compostos metabólitos presentes de modo mais significativo foram o etanol, ácido acético e ácido butírico. A morfologia da microbiologia no interior do reator não apresentou variações significativas entre as diferentes condições experimentais, sendo composta por bacilos, endósporos e filamentos. / A reactor with immobilized biomass anaerobic sequencing batch operated with recirculation of the liquid phase (AnSBBR) was applied to the production of biohydrogen. The influence of the applied volumetric organic load was studied by varying the concentration of influent 3600 e 5400 mgDQO/L and cycle times of 4, 3 and 2 hours getting this way, the volumetric organic loads of 9, 12, 13.5, 18 and 27 gDQO/L. The system was inoculated with sludge from a UASB applied to the treatment of wastewater from poultry slaughterhouse. Different performance indicators were used to ascertain the stability and the effect of the organic load applied to the system on the production of biohydrogen. The indicators used were based on the number of moles of \'H IND.2\' produced per day on the mass of volatile solids inside the reactor and the organic loads applied and removed, both in terms of organic matter (COD) and carbohydrate (sucrose) applied. The results showed system stability in the production of bio-hydrogen and substrate consumption. In all experimental conditions in terms of organic loads applied and removed analogous behavior was obtained a reduction of the indicator as a function of the increase in organic load. The best yield was 4.16 mol-\'H IND.2\'/kg-SAC.d for the organic load of 9 gDQO/L.d (influent concentration of 3600 mgDQO/L and time cycle of 4 h), and the composition of \'H IND.2\' in the biogas 36% (64% 0% \'CO IND.2\' and \'CH IND.4\'). The compounds metabolites present more significantly were ethanol, acetic acid and butyric acid. The morphology of microbiology within the reactor showed no significant variations between different experimental conditions, consisting of bacilli, and filaments endospores.

O uso intensificado de combustíveis fósseis como fonte de energia, vê-se a necessidade do desenvolvimento de novas tecnologias, principalmente as renováveis, como o hidrogênio, que possui vantagens por ser elemento abundante no universo, ser renovável e não poluente. A utilização de microalgas e cianobactérias é uma alternativa para a produção de biohidrogênio a partir da quebra da água e de compostos orgânicos. De acordo com isso, nesta pesquisa foram testados diversos fatores físico-químicos e nutricionais nas condições de cultivo de cepas de Chlamydomonas spp. e Anabaena spp. Para tanto, cepas selecionadas foram cultivadas em duas fases experimentais, a primeira aeróbia e a segunda anaeróbia, para proporcionar produção de hidrogênio por biofotólise direta anaeróbia, via hidrogenase, sob privação de enxofre para a clorofícea, e de nitrogênio para a cianobactéria, estimulando para esta também a produção por biofotólise indireta, via nitrogenase. A cepa com melhor produtividade de hidrogênio, de cada gênero, foi selecionada para a etapa de otimização das fases experimentais de cultivo. Durante os ensaios foram realizadas análises de produção máxima, velocidade de produção, volume e produtividade de hidrogênio, além de análises de concentração de biomassa, físico-químicas, bioquímicas e geração de subprodutos. O método utilizado foi eficiente para produção de hidrogênio e ficou comprovada a diferença de produção de hidrogênio entre diferentes cepas. Anabaena sp. obteve produtividade média de hidrogênio quatro vezes maior, aproximadamente de 76,8 µmol.L-1.h-1, comparada a C. reinhardtii, com média de 18,6 µmol.L-1.h-1. / The intensifying use of fossil fuels as energy source, one sees the need to develop new technologies, especially renewable, such as hydrogen. This has advantages because hydrogen is an abundant element in the universe, be renewable and non-polluting. The use of microalgae and cyanobacteria is an alternative for the production of bio-hydrogen of breaking water and organic compounds. Accordingly, in this study were tested several physic-chemical factors and nutrition in growing conditions of Chlamydomonas spp. and Anabaena spp. strains. For this purpose, strains selected were cultured in two experimental phases, first aerobic and second anaerobic, to hydrogen production by direct biofotolise anaerobic, via hydrogenase, under sulfur deprived to chlorofycea, and nitrogen to cyanobacterium, for this also to production by indirect biofotolise, via nitrogenase. The strain with highest productivity of hydrogen, of each gender, was selected for the optimization of the experimental stages of cultivation. During the tests were analyzes of maximum production, velocity, volume and productivity of hydrogen, and analysis of biomass concentration, physic-chemical, biochemical and generation of by-products. The method used was efficient for the production of hydrogen and was different between strains. Anabaena sp. obtained average yield four times highest, approximately 76.8 µmol. L-1.h-1compared to C. reinhardtii, averaging 18.6 µmol. L-1.h-1.

A digestão anaeróbia termofílica é uma opção vantajosa para efluentes descartados a altas temperaturas, além de estimular rotas mais eficientes de produção de H2. No entanto, os resultados da literatura divergem bastante, os rendimentos de H2 são inferiores ao valor teórico possível e poucos estudos avaliaram diferentes configurações para indicar a mais eficiente. Assim, este estudo avaliou a produção de H2 a partir da sacarose em três tipos de reator: reator anaeróbio de fluxo ascendente e manta de lodo (UASB), reator tubular de fluxo ascendente com leito empacotado (TCS) e sem material suporte (TSS), operados a 55°C. Os tempos de detenção hidráulica (TDH) aplicados ao reator UASB foram 12, 6 e 2 h e aos reatores TCS e TSS foram 2 e 0,5 h. Pré-tratamento térmico (100°C por 15 min) foi aplicado ao inóculo metanogênico do UASB e TCS e TSS foram auto inoculados. O efeito de nutrientes e a concentração nutricional ótima para a produção de H2 foram investigados através de ensaios em batelada. Com TDH de 2 h, o material suporte afetou a transferência de massa, resultando em menor teor de H2 no biogás quando presente, porém, maior conversão de sacarose e produção de H2. O pré-tratamento térmico não inibiu a metanogênese, sendo as condições operacionais mais importantes para a seleção dos microrganismos. TCS e TSS com TDH de 0,5 h apresentaram produção de H2 similar e o material suporte afetou apenas as rotas metabólicas. Entre todas as operações, TCS e UASB com TDH de 2 h alcançaram os maiores valores de rendimento de H2 (YH2), respectivamente, 1,99 ± 0,36 e 2,56 ± 0,84 molH2.mol-sac-1, através da via metabólica do etanol. TCS2 também demonstrou estabilidade e, apesar de o U2 ter gerado maiores porcentagens de H2 no biogás, pode ser apontado como o mais eficiente para a produção de H2. A relação C:N:P, Fe+2 e Ni+2 tiveram efeito significativo sobre a produção de H2, e YH2 ótimo foi estimado para concentrações de 4,53 mgFe+2.L-1 e 0,045 mgNi+2.L-1. / The thermophilic anaerobic digestion is a suitable option for wastewater discharged at high temperatures; in addition, it is suitable for more efficient pathways for H2 production. However, the results found in literature have divergences; the H2 yields are lower than the theoretical possible value and only few studies evaluated different types of reactors and defined the more advantageous one. Therefore, this study evaluated H2 production from sucrose in three types of reactor: upflow anaerobic sludge blanket (UASB), upflow tubular reactor with packed-bed (TCS) and without support materials (TSS), operated at 55°C. The hydraulic retention time (HRT) applied to UASB reactor was 12, 6 and 2h and to TCS and TSS was 2 and 0.5h.Thermal pretreatment (at 100°C, for 15 min) was applied to the methanogenic inoculum of UASB and TCS and TSS was inoculated through natural fermentation process. The effect of nutrients and the optimal concentration of t nutrients for H2 production were evaluated through batch assays. At HRT of 2h, the support material affected the mass transferring, leading to lower content of H2 in the biogas when it is used; however, in this condition it was found higher sucrose conversion and H2 production. The operational conditions showed to be more efficient for methanogenesis than pretreatment. TCS and TSS at HRT of 0.5h presented similar H2 production and the support material affected only the metabolic pathways. Among all the conditions assessed, TCS and UASB at HRT of 2h reached the highest values of H2 yield highest YH2, respectively, 1.99 ± 0.36 and 2.56 ± 0.84 molH2.mol-sac-1, through ethanol pathway. TCS2 demonstrated stability production also and, despite the U2 have achieved higher percentage of H2 in biogas, it can be pointed out as more efficient for H2 production. The ratio C:N:P, Fe+2 and Ni+2 showed significant effect on H2 production, and the optimal YH2 was estimated for 4.53 mgFe+2.L-1 e 0.045 mgNi+2.L-1.

Orientador: Pedro Magalhães Sobrinho / Resumo: O Brasil tem uma grande capacidade para produzir biocombustíveis devido a sua extensa área territorial com grande produtividade de matéria-prima para este setor. O Governo Federal vem investindo bastante neste setor, pois além de ser estratégico economicamente, também tem grandes vantagens na luta contra o aquecimento global. Desde 2005, ano em que se iniciou a comercialização do biodiesel em caráter voluntário, até 2017 a produção cresceu de 736 m3/ano para 4291294 m3/ano. Isto se deu devido a política de aumento obrigatório da porcentagem de biodiesel misturado ao diesel de petróleo de forma gradativa até o nível de 10% (B10) em 2018. Neste trabalho propõe-se um sistema de cogeração utilizando um motor de combustão interna (queimando gás natural), um queimador suplementar e uma caldeira de recuperação para gerar energia elétrica e vapor superaquecido necessário para o processo de reforma a vapor do glicerol; comparando-o com outro sistema proposto por Galarza (2017) que utiliza microturbina à gás. Este sistema será estudado para uma planta capaz de produzir 17820 m3/ano de biodiesel operando 7920 h/ano. Foi escolhido um motor de combustão interna com potência de 200 kW e consumo de 42,9 kg/h, pois foi o motor com menor consumo, mas que mantêm o nível de temperatura dos gases de exaustão (471,8 ºC). Energeticamente o sistema se demonstrou viável, mas possui grande perda de calor na chaminé que poderia ser aproveitada, como na produção de água quente por exemplo. A análise ex... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Brazil has a large capacity to produce biofuels due to its extensive land area with high productivity of raw material for this sector. The Federal Government has been investing a lot in this sector, since besides being economically strategic, it also has great advantages in the fight against global warming. Since 2005, when the commercialization of biodiesel began on a voluntary basis, by 2017 production increased from 736 m3/year to 4291294 m3/year. This was due to the policy of mandatory increase of the percentage of biodiesel mixed with petroleum diesel gradually until the level of 10% (B10) in 2018. In this work, a cogeneration system is proposed using an internal combustion engine (burning natural gas), an additional burner and a recovery boiler to generate electrical energy and superheated steam necessary for the steam reforming process of glycerol; comparing it with another system proposed by Galarza (2017) that uses microturbine to gas. This system will be studied for a plant capable of producing 17820 m3/year of biodiesel operating at 7920 hours per year. An internal combustion engine with a power of 200 kW and a consumption of 42.9 kg/h was chosen, because it was the engine with the lowest consumption, but it maintains the level of temperature of exit (471.8 ºC). Energetically the system has proven viable, but it has great heat loss in the chimney that could be better used, as in the production of hot water for example. Exergetic analysis helps to understand the sys... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Um reator anaeróbio com biomassa imobilizada e agitação mecânica foi operado em bateladas sequenciais com efluente sintético a base de sacarose visando à produção de biohidrogênio. O sistema foi inoculado com lodo proveniente de um reator anaeróbio metanogênico. Foram avaliados a produção de biohidrogênio, os rendimentos por carga aplicada e removida, a estabilidade e eficiência do reator quando submetido a diferentes cargas orgânicas volumétricas aplicada (COAV 9,0; 12,0 ;13,5; 18,0; 18,0 e 27,0 kgDQO/\'M POT.3\'.d), as quais foram modificadas em função da concentração afluente (3600 e 5400 mgDQO/L) e do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h). O reator apresentou uma capacidade remoção da matéria orgânica (DQO) estável e próxima a um valor de 18%, e uma boa capacidade de conversão de carboidratos (sacarose) a qual permaneceu entre 83 e 97% ao longo da operação. Verificou-se uma diminuição do desempenho de remoção do reator com o aumento da carga orgânica aplicada e, além disso, valores crescentes de concentração afluente (e tempos de ciclo iguais) e tempos de ciclo menores (e concentrações afluente iguais) resultaram em eficiências menores de conversão. Houve predominância dos ácidos acético, butírico e propiônico com o aumento da carga orgânica, e de etanol em todas as condições. A maior concentração de biohidrogênio no biogás (24-25%) foi atingida nas condições com COAV de 12,0 e 13,5 kgDQO/\'M POT.3\'.d; a maior velocidade de produção diária (0,139 mol/d) foi atingida na condição com COAV de 18,0 kgDQO/\'M POT.3\'.d; e os maiores rendimentos de produção molares por carga aplicada e removida foram 2,83 e 3,04 mol \'H IND.2\'/kgSAC, respectivamente, na condição com COAV de 13,5 kgDQO/\'M POT.3\'.d. Não se verificou uma tendência de modificação do rendimento de biohidrogênio do reator em função da concentração afluente para tempos de ciclo iguais e do tempo de ciclo para concentrações afluente iguais, concluindo-se sobre a necessidade do estudo do comportamento do processo em função da carga orgânica aplicada e também das variáveis que definem a carga orgânica aplicada. / A mechanically stirred anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass treated sucrose-based synthetic wastewater to produce biohydrogen. The system was inoculated with sludge from an anaerobic methanogenic reactor. The following have been assessed: production of biohydrogen, yield per applied and removed load, reactor stability and efficiency under different applied volumetric organic loads applied (AVOL - 9.0, 12.0, 13.5, 18.0, 18. 0 and 27.0 kgDQO/\'M POT.3\'.d), which were modified according to the influent concentration (3600 and 5400 mgDQO/L) and cycle time (4, 3 and 2 h). The reactor\'s ability to remove organic matter (COD) remained stable and close to a value of 18%, and the system shows good ability to convert carbohydrates (sucrose) which remained between 83 and 97% during the operation. There was a decrease in removal performance of the reactor with increasing applied organic load, and furthermore, increasing influent concentration (at constant cycle length) and cycle lengths (at constant influent concentrations) resulted in lower conversion efficiencies. Under all conditions, as organic load increased there was a predominance of acetic, propionic and butyric acid, as well as ethanol. The highest concentration of bio-hydrogen in the biogas (24-25%) was achieved at conditions with AVOL of 12.0 and 13.5 kgDQO/\'M POT.3.d, the highest daily production rate (0.139 mol/d ) was achieved at AVOL of 18.0 kgDQO/\'M POT.3\'.d, and the highest production yields per removed and applied load were 2.83 and 3.04 mol \'H IND.2\'/kgSAC, respectively, at AVOL of 13.5 kgDQO/\'M POT.3\'.d. Biohydrogen yield showed no tendency to change with varying influent concentration at constant cycle length neither with varying cycle length at constant influent concentrations, indicating the need to study the behavior of the process as a function of applied organic load as well as of the variables which define the applied organic load.

A presente pesquisa teve como proposta avaliar o reator anaeróbio, operado de forma descontínua ou descontínua alimentada, contendo biomassa imobilizada em suporte inerte e com recirculação da fase líquida (AnSBBR) aplicado à produção de biohidrogênio a partir da codigestão de glicerina (efluente da produção de biodiesel) e soro de leite (efluente da produção de laticínios). A estabilidade, os índices de desempenho (referentes à produtividade e rendimento molar do hidrogênio) e o fator de conversão (entre biogás produzido e matéria orgânica consumida) foram analisados em função da composição afluente (porcentagem de cada substrato alimentado ao sistema), da variação da carga orgânica, do tempo de enchimento e da temperatura (20, 25, 30 e 35ºC). Os ensaios foram realizados em diferentes proporções dos substratos utilizando-se variadas cargas orgânicas volumétricas (10,3; 17,1 e 24,0 gDQO.L-1.d-1), as quais foram modificadas em função: (i) da concentração afluente (3, 5 e 7 gDQO.L-1) e (ii) do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h, ou seja, 6, 8 e 12 ciclos diários). Também foram realizados ensaios para a produção de biometano a partir da codigestão proposta nesta pesquisa (com COAV de 7,6 gDQO.L-1.d-1) em diferentes proporções de mistura. Para a produção de biometano, a condição com 75% de soro e 25% de glicerina (base DQO) obteve os melhores resultados: produtividade molar de 101,8 molCH4.m-3.d-1 e rendimento por carga aplicada de 13,3 molCH4.kgDQO-1; o que representa um aumento de produtividade de cerca de 9% e 30% quando comparado com a digestão anaeróbia de soro e glicerina puros, respectivamente. A produção de metano no melhor ensaio aconteceu predominantemente pela rota hidrogenotrófica. Para a produção de biohidrogênio, a maior produtividade e rendimento do reator foram obtidas no ensaio operado com razão de mistura de 75% soro e 25% glicerina, com 7 gDQO.L-1 de concentração afluente, tempo de ciclo de 3 h e tempo de enchimento de 1,5 h (modo batelada alimentada - COAV de 23,9 kgDQO.m-3.d-1), a 30°C: foi obtida uma produtividade molar de 129,0 molH2.m-3.d-1 e rendimento de 5,4 molH2.kgDQO-1. Esses resultados representam um aumento de produtividade de 145% em relação a mono-digestão do soro na condição inicial, o que indica o benefício significativo da adição de glicerina ao afluente, provavelmente devido à sua capacidade tamponante, e a otimização das condições operacionais. A adição de glicerina e o aumento da COAV balancearam as rotas de produção de hidrogênio, sendo produzido de forma mais equilibrada pelas vias do ácido acético, butírico e valérico. A caracterização do consórcio microbiano desse ensaio indicou que a comunidade microbiana presente no AnSBBR foi dominada por Ethanoligenens e Megasphaera. / The current research evaluated an anaerobic reactor, operated in batch or fed-batch mode, containing immobilized biomass in inert support and with recirculation of the liquid phase (AnSBBR), applied to the production of biohydrogen co-digesting glycerin (effluent from biodiesel production process) and whey (effluent from dairy industry). Stability, performance (regarding productivity and molar hydrogen yield) and conversion factor (between biogas produced and organic matter consumed) were analyzed according to the percentage of each substrate fed to the system, organic loading rate, filling time and temperature (20, 25, 30 and 35ºC). Assays were carried out using different substrates proportions and organic loading rates (10.3; 17.1 and 24.0 gCOD.L-1.d-1), which have been modified in function of: (i) influent concentration (3, 5 and 7 gCOD.L-1) and (ii) cycle length (4, 3 and 2 h, i.e. 6, 8 and 12 cycles daily). Assays were also carried out aiming for biomethane production using the proposed co-digestion (with AVOL of 7.6 gDQO.L-1.d-1) with different proportions of substrate mixture. For biomethane production, the assay conducted with 75% whey and 25% glycerin (COD basis) obtained the best results: molar productivity of 101.8 molCH4.m-3.d-1 and yield per applied load of 13.3 molCH4. kgCOD-1; which is an increase in productivity of about 9% and 30% when compared with the anaerobic mono-digestion of whey and glycerin, respectively. Methane production in this assay came mainly from the hydrogenotrophic route. For biohydrogen production, the highest productivity and yield were achieved in the assay operated with 75% whey and 25% glycerin, with 7 gCOD.L-1 of influent concentration, 3 h of cycle time and filling time of 1.5 h (fed batch mode - AVOL of 23.9 kgCOD.m-3.d-1), at 30°C: a molar productivity of 129.0 molH2.m-3.d-1 and yield of 5.4 molH2.kgCOD-1 were obtained. These results represent a productivity increase of 145% in relation to whey mono-digestion at its initial condition, which indicates the significant benefit of glycerin addition to the influent, probably due to its buffering capacity, and improvement of operational conditions. The addition of glycerin and the increase in AVOL balanced the hydrogen production routes, since hydrogen was produced similarly by the acetic, butyric and valeric acid routes. The characterization of the microbial consortium of this assay indicated that the microbial community present in the AnSBBR was dominated by Ethanoligenens and Megasphaera.

The pH is an important parameter in anaerobic reactors, may influence the rate of hydrogen production and inhibit the action of microorganisms hidrogenotróficos, it may affect the activity of hydrogenase as well as the route of metabolism. In this context, the present research aimed to study the best operating condition in relation to the pH factor in Anaerobic Fluidized Bed Reactor (RALF) for enhanced biological production of hydrogen from wastewater processing cassava (manipueira) plus supplements. The reactor used in laboratory scale possessed height of 190 cm and total volume 4192 cm3 net volume used was 2.7 L. It was used as support material for microbial adhesion, expanded clay having a diameter of 2.8 to 3.35 mm. For starting the reactor was used as the inoculum, an anaerobic lagoon sludge that was liquid swine waste, it has undergone a heat treatment so that there was a selection of microorganisms, resulting mainly in anaerobic hidrogenotróficos . It was used for room temperature operation of the reactor (25 to 30°C), and the hydraulic retention time (HRT) was applied 2 h. For substrate (cassava), took it a Chemical Oxygen Demand (COD) theoretical initial 4000 mg.L- 1. For this study we evaluated different pH values in the range 4.0 to 5.3 . In this sense, according to the results obtained can be said that the experiment was effective for biohydrogen production from cassava in RALF, observing an optimum pH of 4.9 with a production volume checked 0,31 L/h/L and 3.5 mol H2/mol yield glucose, a conversion rate of hydrogen in cassava 88%. The route of butyric acid fermentation is the most prevalent in this pH value. The percentages of metabolites soluble in this pH were: 4% acetic acid, 54% butyric acid, 4% propionic acid, 22% caproic acid and 16% ethanol. / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O pH é um parâmetro fundamental em reatores anaeróbios, podendo influenciar na velocidade de produção de hidrogênio e inibir a ação de microrganismos hidrogenotróficos, pois pode afetar a atividade da hidrogenase, bem como na via de metabolismo. Neste contexto, a presente pesquisa objetivou estudar a melhor condição operacional em relação ao fator pH em Reator Anaeróbio de Leito Fluidificado (RALF) para uma maior produção biológica de hidrogênio a partir da água residuária do processamento da mandioca (a manipueira) acrescida de suplementos. O reator utilizado, em escala de laboratório, possuía altura de 190 cm e volume total 4192 cm3, o volume útil utilizado foi 2,7 L. Utilizou-se, como material suporte para adesão microbiana, a argila expandida com diâmetro de 2,8 à 3,35 mm. Para a partida do reator utilizou-se, como inóculo, lodo de uma lagoa anaeróbia que tratava resíduo líquido de suinocultura, o mesmo passou por um tratamento térmico para que houvesse uma seleção de microrganismos, resultando principalmente nos anaeróbios hidrogenotróficos. Utilizou-se a temperatura ambiente para a operação do reator (25 a 30 °C), e o Tempo de Detenção Hidráulica (TDH) aplicado foi de 2h. Para o substrato (manipueira), adotou-se uma Demanda Química de Oxigênio (DQO) teórica inicial de 4000 mg.L-1. Para este estudo foram avaliados diferentes valores de pH, na faixa de 4,0 a 5,3. Neste sentido, de acordo com os resultados verificados pode-se dizer que a realização do experimento foi eficiente para a produção de biohidrogênio a partir da manipueira em RALF, observando-se um pH ótimo de 4,9 com uma produção volumétrica verificada de 0,31 L/h/L e rendimento de 3,5 mol H2/mol glicose, a uma taxa de conversão de manipueira em hidrogênio de 88%. A rota fermentativa do ácido butírico foi a que predominou neste valor de pH. As percentagens dos metabólitos solúveis no pH de 4,9 foram: 4% de ácido acético, 54% de ácido butírico, 4% de ácido propiônico, 22% de ácido capróico e 16% de etanol.

Um reator anaeróbio com biomassa imobilizada e agitação mecânica foi operado em bateladas sequenciais com efluente sintético a base de sacarose visando à produção de biohidrogênio. O sistema foi inoculado com lodo proveniente de um reator anaeróbio metanogênico. Foram avaliados a produção de biohidrogênio, os rendimentos por carga aplicada e removida, a estabilidade e eficiência do reator quando submetido a diferentes cargas orgânicas volumétricas aplicada (COAV 9,0; 12,0 ;13,5; 18,0; 18,0 e 27,0 kgDQO/\'M POT.3\'.d), as quais foram modificadas em função da concentração afluente (3600 e 5400 mgDQO/L) e do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h). O reator apresentou uma capacidade remoção da matéria orgânica (DQO) estável e próxima a um valor de 18%, e uma boa capacidade de conversão de carboidratos (sacarose) a qual permaneceu entre 83 e 97% ao longo da operação. Verificou-se uma diminuição do desempenho de remoção do reator com o aumento da carga orgânica aplicada e, além disso, valores crescentes de concentração afluente (e tempos de ciclo iguais) e tempos de ciclo menores (e concentrações afluente iguais) resultaram em eficiências menores de conversão. Houve predominância dos ácidos acético, butírico e propiônico com o aumento da carga orgânica, e de etanol em todas as condições. A maior concentração de biohidrogênio no biogás (24-25%) foi atingida nas condições com COAV de 12,0 e 13,5 kgDQO/\'M POT.3\'.d; a maior velocidade de produção diária (0,139 mol/d) foi atingida na condição com COAV de 18,0 kgDQO/\'M POT.3\'.d; e os maiores rendimentos de produção molares por carga aplicada e removida foram 2,83 e 3,04 mol \'H IND.2\'/kgSAC, respectivamente, na condição com COAV de 13,5 kgDQO/\'M POT.3\'.d. Não se verificou uma tendência de modificação do rendimento de biohidrogênio do reator em função da concentração afluente para tempos de ciclo iguais e do tempo de ciclo para concentrações afluente iguais, concluindo-se sobre a necessidade do estudo do comportamento do processo em função da carga orgânica aplicada e também das variáveis que definem a carga orgânica aplicada. / A mechanically stirred anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass treated sucrose-based synthetic wastewater to produce biohydrogen. The system was inoculated with sludge from an anaerobic methanogenic reactor. The following have been assessed: production of biohydrogen, yield per applied and removed load, reactor stability and efficiency under different applied volumetric organic loads applied (AVOL - 9.0, 12.0, 13.5, 18.0, 18. 0 and 27.0 kgDQO/\'M POT.3\'.d), which were modified according to the influent concentration (3600 and 5400 mgDQO/L) and cycle time (4, 3 and 2 h). The reactor\'s ability to remove organic matter (COD) remained stable and close to a value of 18%, and the system shows good ability to convert carbohydrates (sucrose) which remained between 83 and 97% during the operation. There was a decrease in removal performance of the reactor with increasing applied organic load, and furthermore, increasing influent concentration (at constant cycle length) and cycle lengths (at constant influent concentrations) resulted in lower conversion efficiencies. Under all conditions, as organic load increased there was a predominance of acetic, propionic and butyric acid, as well as ethanol. The highest concentration of bio-hydrogen in the biogas (24-25%) was achieved at conditions with AVOL of 12.0 and 13.5 kgDQO/\'M POT.3.d, the highest daily production rate (0.139 mol/d ) was achieved at AVOL of 18.0 kgDQO/\'M POT.3\'.d, and the highest production yields per removed and applied load were 2.83 and 3.04 mol \'H IND.2\'/kgSAC, respectively, at AVOL of 13.5 kgDQO/\'M POT.3\'.d. Biohydrogen yield showed no tendency to change with varying influent concentration at constant cycle length neither with varying cycle length at constant influent concentrations, indicating the need to study the behavior of the process as a function of applied organic load as well as of the variables which define the applied organic load.

Submitted by Neusa Fagundes (neusa.fagundes@unioeste.br) on 2017-09-15T14:04:06Z No. of bitstreams: 1 Cristiane_Andreani2017.pdf: 1929530 bytes, checksum: 1b502a71b320a47e157f59e19b8978c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-15T14:04:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cristiane_Andreani2017.pdf: 1929530 bytes, checksum: 1b502a71b320a47e157f59e19b8978c7 (MD5) Previous issue date: 2017-02-16 / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Estado do Paraná (FA) / Anaerobic sequencing batch biofilm reactors (AnSBBR) have been used successfully in wastewater treatment. Currently, this setting has been used for biological production of hydrogen from synthetic and complexes substrates with reasonable results in stability and productivity. Considering the good performance achieved by such configuration, an AnSBBR reactor with a 6.0-L total capacity and a 4.3-L useful volume (2.3-L residual volume and 2.0-L treated volume by cycle) was evaluated, since its goal was hydrogen production, whose substrate was cassava wastewater. Eight experimental conditions were evaluated, in which four volumetric organic loads were applied (5.0; 12.0; 14 and 18 gCarb.L-1 d-1) calculated according to influent concentration (2,000; 3,200; 4,200; 4,700 and 5,000 mgCarb.L-1) and cycle time (4; 3 and 2 h). The AnSBBR feeding of the system was carried out by varying the reactor filling time. Thus, assays were carried out in: i) batch, in which the reactor filling occurs in 20 minutes; and ii) fed- batch, in which the reactor filling occurs during 50% of the total cycle time. Reactor inoculation was carried out with mixed cultures from autofermentation of cassava wastewater and anaerobic sludge that was thermally treated. The highest molar productivities were 36 molH2.m-3.d-1, while volumetric productivity was 2.2 LH2.L-1.d-1 (applied volumetric organic load of 14 g.L-1.d-1) and molar yield was 4.9 molH2.kg-1Carb (applied volumetric organic load of 12 g.L-1.d-1) in assays with the highest cycle times (4 h), inoculated with anaerobic sludge and autofermented cassava wastewater. Lactic acid and bacteriocin nisin were recorded in all the studied assays, consequently, it is evident the presence of lactic bacteria. Therefore, the total hydrogen absence can be explained in both assays, inoculated with autofermented cassava wastewater. / Reatores anaeróbios operados em bateladas sequenciais com biomassa imobilizada (AnSBBR) têm sido utilizados com sucesso no tratamento de águas residuárias. Atualmente, essa configuração vem sendo utilizada para produção biológica de hidrogênio a partir de substratos sintéticos e complexos com bons resultados em termos de estabilidade e produtividade. Tendo em vista os bons desempenhos alcançados por tal configuração, foi realizada a avaliação de um reator AnSBBR, com capacidade total de 6,0 L e volume útil de 4,3 L (2,3 L volume residual e 2,0 L volume tratado por ciclo), destinado à produção de hidrogênio, cujo substrato foi água residuária de fecularia de mandioca. Foram avaliadas oito condições experimentais, nas quais foram aplicadas quatro cargas orgânicas volumétricas (5,0; 12,0; 14,0 e 18 gCarb.L-1.d-1), calculadas em função da concentração afluente (2000; 3200; 4200; 4700 e 5000 mgCarb.L-1) e do tempo de ciclo (4, 3 e 2 h). A alimentação do sistema foi realizada pela variação do tempo de enchimento do reator. Dessa forma, foram conduzidos ensaios em: i) batelada, em que a alimentação ocorre em 20 minutos; e ii) batelada alimentada, na qual, a alimentação ocorre durante 50% do tempo total de ciclo. Na inoculação do reator, foram utilizadas culturas mistas provenientes da água residuária autofermentada e do lodo anaeróbio termicamente tratado. Foram obtidas as maiores produtividade molar de 36 molH2.m-3.d-1, produção volumétrica de 2,2 LH2. L-1.d-1 (carga orgânica volumétrica aplicada de 14 g.L-1.d-1) e rendimento molar de 4,9 molH2.kg-1Carb (carga orgânica volumétrica aplicada de 12 g.L-1.d-1) nos ensaios com os maiores tempos de ciclo (4 h) e inoculados com lodo anaeróbio e água residuária autofermetada. As presenças de ácido lático e da bacteriocina nisina foram verificadas em todos os ensaios, logo, há indícios da existência de bactérias láticas. Assim, é possível se justificar a total ausência de hidrogênio, verificada em dois dos ensaios, ambos inoculados com água residuária autofermentada.