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.

With accellerating global warming and pollution problems a change of energy regime is necessary. Solar energy offers a clean and unlimited energy source of enormous potential. Due to it’s intermittenet nature solar energy must be stored - ideally in the chemical bond of a carrier molecule. Hydrogen gas, H2, an energy carrier with water as only emission when used in a fuel cell, is considered to be the choise for the future. In this context cyanobacteria show promising potential as future H2 factories since they can produce H2 from solar energy and water. The main enzymes directly involved in cyanobacterial hydrogen metabolism are nitrogenases and hydrogenases. Cyanobacterial hydrogenases are either uptake hydrogenases or bidirectional hydrogenases and their maturation requires assistance of six maturation proteins and two hydrogenase specific proteases. In this thesis the transcriptional regulation, maturation and function of the cyanobacterial uptake hydrogenases were investigated in the filamentous, heterocyst forming strains Nostoc punctiforme ATCC 29133 and Nostoc sp. strain PCC 7120. Five genes, encoding proteins putatively involved in the maturation of the uptake hydrogenase were identified upstream the known maturation genes. Two transcription factors, CalA and CalB, were found interacting with the stretch of DNA forming the upstream regions of the uptake hydrogenase structural genes and the novel maturation genes. The expression of the uptake hydrogenase were  heterocysts specific and the specificity mapped to a short promoter region starting -57 bp upstream the transcription start point. In addition, the function of the uptake hydrogenase was inserted in a metabolic context. Among the proteases, a conserved region was discovered possibly involved in determining the hydrogenase specificity. This thesis has given valuable information about the transcriptional regulation, maturation and function of the uptake hydrogenase in filamentous, heterocystous cyanobacteria and identified new targets for bioengineering of mutant strains with higher H2 production rates.

Rhodobacter capsulatus is a versatile organism capable of growing on different growth conditions including photofermentation in the presence of carbon source, aerobic respiration, anaerobic respiration in the presence of an external electron acceptor such as DMSO. The photofermentative growth of R.capsulatus results in hydrogen production which stands out as an environmentally harmless method to produce hydrogen and accepted as one of the most promising process. Due to the serious problems such as as global climate change and environmental pollution caused by the fossil fuels, there is an increasing requirement for a clean and sustainable energy source. Furtherrmore, the ability of R.capsulatus to fix nitrogen, to use solar energy makes it a model to study various aspects of its metabolism. Thus the goal of this study is to increase the potential in biohydrogen production with the photofermentative bacteria and to investigate the proteins playing roles in different growth modes of the bacteria. In the present study, protein profiles of Rhodobacter capsulatus grown on respiratory, anaerobic respiratory and photofermentative growth modes were obtained. LC-MS/MS system is used to analyze the proteome as a high throughput technique. Physiological analysis such as HPLC for the analysis of the carbon source consumption, GC and analysis of pigments were carried out to state the environmental conditions. As a result, total of 460 proteins were identified with 17 proteins being unique to particular growth condition. Ratios of the proteins in different growth conditions were compared and important proteins were highlighted.

La recherche de sources d’énergie fiables ayant un faible coût environnemental est en plein essor. L’hydrogène, étant un transporteur d’énergie propre et simple, pourrait servir comme moyen de transport de l’énergie de l’avenir. Une solution idéale pour les besoins énergétiques implique une production renouvelable de l’hydrogène. Parmi les possibilités pour un tel processus, la production biologique de l’hydrogène, aussi appelée biohydrogène, est une excellente alternative. L’hydrogène est le produit de plusieurs voies métaboliques bactériennes mais le rendement de la conversion de substrat en hydrogène est généralement faible, empêchant ainsi le développement d’un processus pratique de production d’hydrogène. Par exemple, lorsque l’hydrogène est produit par la nitrogénase sous des conditions de photofermentation, chaque molécule d’hydrogène constituée requiert 4 ATP, ce qui rend le processus inefficace. Les bactéries photosynthétiques non sulfureuses ont la capacité de croître sous différentes conditions. Selon des études génomiques, Rhodospirillum rubrum et Rhodopseudomonas palustris possèdent une hydrogénase FeFe qui leur permettrait de produire de l’hydrogène par fermentation anaérobie de manière très efficace. Il existe cependant très peu d’information sur la régulation de la synthèse de cette hydrogénase ainsi que sur les voies de fermentation dont elle fait partie. Une surexpression de cette enzyme permettrait potentiellement d’améliorer le rendement de production d’hydrogène. Cette étude vise à en apprendre davantage sur cette enzyme en tentant la surexpression de cette dernière dans les conditions favorisant la production d’hydrogène. L’utilisation de résidus organiques comme substrat pour la production d’hydrogène sera aussi étudiée. / The search for alternative energy sources with low environmental impact is in great expansion. Hydrogen, an elegant and simple energy transporter, could serve as means of transporting energy in the future. An ideal solution to the increasing energy needs would imply a renewable production of hydrogen. Out of all the existing possibilities for such a process, the biological production of hydrogen, also called biohydrogen, is an excellent alternative. Hydrogen is the end result or co-product of many pathways in bacterial metabolism. However, such pathways usually show low yields of substrate to hydrogen conversion, which prevents the development of efficient production processes. For example, when hydrogen is produced via nitrogenase under photofermentation conditions, each hydrogen molecule produced requires 4 molecules of ATP, rendering the process very energetically inefficient. Purple non-sulfur bacteria are highly adaptive organisms that can grow under various conditions. According to recent genomic analyses, Rhodospirillum rubrum and Rhodopseudomonas palustris possess, within their genome, an FeFe hydrogenase that would allow them to produce hydrogen via dark fermentation quite efficiently. Unfortunately, very little information is known on the regulation of the synthesis of this enzyme or the various pathways that require it. An overexpression of this hydrogenase could potentially increase the yields of substrate to hydrogen conversion. This study aims to increase our knowledge about this FeFe hydrogenase by overexpressing it in conditions that facilitate the production of hydrogen. The use of organic waste as substrate for hydrogen production will also be studied.

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Hydrogen can be produced from biomass; this hydrogen is called biohydrogen. Biohydrogen produced in Western Canada can partially contribute to meeting the demand for hydrogen needed for bitumen upgrading. Gasification and pyrolysis are two promising pathways for producing biohydrogen in a large-scale plant. Syngas, produced from the gasification of biomass, and bio-oil, produced from fast pyrolysis of biomass, can be steam reformed to produce biohydrogen. The cost of biohydrogen delivered by pipeline to a distance of 500 km is $2.20 per kg of H2, assuming that a plant utilizes 2000 dry tonnes of whole-tree biomass per day processing it in a Battelle Columbus Laboratory (BCL) gasifier. For forest residue- and straw-based biohydrogen plants the values are similar: $2.19 and $2.31 per kg of H2, respectively. Maximum economy of scale benefits are realized for biohydrogen production plants capable of processing 2000 and 3000 dry tonnes per day using BCL and GTI (Gas Technology Institute) gasification technology, respectively. The cost of biohydrogen from fast pyrolysis ($2.47 per kg of H2 from a 2000 dry tonne per day plant), using forest residue as the feedstock, is higher than the cost of biohydrogen produced by gasification. Carbon credits of about $120-$140 per tonne of CO2 are required to make biohydrogen competitive with natural-gas-based hydrogen.

The great energy potential and no pollutant gas emissions are hydrogen characteristics (H2) that enable its use as fuel. In addition to these advantages, the hydrogen gas can also be obtained from anaerobic processes using organic compounds, such as wastewater from agribusiness. The dairy industries are placed in this framework of possibilities, considering that during the product manufacturing processes, it generates a large volume of wastewater with a high concentration of organic matter and carbohydrates (lactose), making these attractive effluents to produce H2. However, most studies realized until now have used the cheese whey or isolated lactose as a substrate. In this work, the production of H2 from the actual effluent was collected in the dairy industry, in addition to whey powder and isolated lactose, to analyze the viability of using the sheep rumen and natural fermentation as inoculants to these three different substrates. For this, we used two anaerobic fluidized bed reactors. The first reactor (R1) was inoculated with rumen, and the second reactor (R2) was performed auto fermentation of the dairy effluent. Both with the same configuration and operated continuously. The hydraulic retention time varied between 6h and 4h until the stabilization phase, which was kept at 2h. The results showed that the presence of the rumen has a great influence in the production of H2. About the metabolites products in the process, acetic acid and ethanol were those most present during operation of both reactors. The maximum yield was 1.66mol.H2/mol.carbohydrate and occurred in R1 when cheese whey was used as substrate. The reactor, which used the natural fermentation procedure, was more viable than the reactor with inoculum, only when the substrate was the dairy effluent. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O grande potencial energético e a não emissão de gases poluentes, são características do hidrogênio (H2) que viabilizam a sua utilização como combustível. Além dessas vantagens, o gás hidrogênio também pode ser obtido a partir de processos anaeróbios, utilizando compostos orgânicos, como por exemplo, águas residuárias das agroindústrias. As indústrias de laticínios estão inseridas nesse quadro de possibilidades, tendo em vista que durante os processos de fabricação dos produtos, é gerado um grande volume de efluentes com alta concentração de matéria orgânica e carboidrato (lactose), o que torna esses efluentes atrativos para produção de H2. Entretanto, a maioria das pesquisas realizadas até o momento, utilizaram o soro de queijo ou a lactose isolada como substrato. Neste trabalho, também foi estudada a produção de H2 a partir do efluente real coletado na indústria de laticínios, além do soro de queijo em pó e da lactose isolada, com o objetivo de analisar a viabilidade da utilização do rúmen ovino e da fermentação natural como inóculos desses três substratos. Para isso, foram utilizados dois reatores anaeróbios de leito fluidificado. O Reator 1 (R1) foi inoculado com rúmen, e no Reator 2 (R2) foi realizada a autofermentação do efluente de laticínio. Ambos com mesma configuração e operados de forma contínua. O tempo de detenção hidráulica variou entre 6h e 4h, até atingir a fase de estabilização, onde foi mantido em 2h. Os resultados mostraram que a presença do rúmen teve grande influência na produção de H2. Dos metabólitos envolvidos no processo, o ácido acético e o etanol foram os que estiveram mais presentes durante a operação de ambos os reatores. O rendimento máximo foi de 1,66 mol.H2/mol.carboidrato e ocorreu no R1, quando utilizou-se o soro de queijo como substrato. O R2, reator onde utilizou-se o procedimento de fermentação natural, mostrou-se mais viável que o R1 apenas quando o substrato foi o efluente de laticínio real.

nÃo hà / O CO2 lanÃado na atmosfera pela atividade antropogÃnica à considerado o maior agente causador da mudanÃa climÃtica. No mundo todo, as usinas termoelÃtricas sÃo as maiores fontes estacionÃrias de emissÃes de CO2. Segundo algumas previsÃes, atà 2100, os efeitos climÃticos podem se tornar irreversÃveis com consequÃncias desastrosas para todos os ecossistemas do planeta. Assim, à essencial a pesquisa de formas de fixaÃÃo do CO2 atravÃs da captura e armazenamento ou por processos naturais de reciclagem de carbono. A integraÃÃo entre processos emissores de CO2 e processos que utilizam o CO2 como matÃria-prima pode ser implementada dentro do princÃpio da Ecologia Industrial. Segundo esse conceito, o resÃduo de uma indÃstria à usado como matÃria-prima de outra, de modo que o impacto ambiental do sistema ampliado seja reduzido ao mÃnimo. O objetivo do presente trabalho foi o de realizar uma avaliaÃÃo tÃcnico-econÃmica do potencial de rotas tecnolÃgicas para reciclagem das emissÃes de CO2 em termoelÃtricas a gÃs natural pelo uso de microalgas. Para essa finalidade foram selecionadas duas rotas de reciclagem de CO2, analisadas cada uma, em dois cenÃrios alternativos (R1C1, R1C2, R2C1 e R2C2). A primeira rota està inserida no contexto da geraÃÃo de energia ou produtos quÃmicos pela tecnologia NGCC, enquanto que a segunda rota visa a produÃÃo do biohidrogÃnio. A avaliaÃÃo foi levada a efeito atravÃs da simulaÃÃo computacional utilizando o simulador de plantas quÃmicas AspenHysys. Na rota 1, o cenÃrio 1 estudou a utilizaÃÃo direta do gÃs natural para a produÃÃo do gÃs de sÃntese pelo processo de reforma a vapor. O cenÃrio 2 analisou a contribuiÃÃo da biomassa algal, atravÃs do processo de gaseificaÃÃo, para a geraÃÃo de gÃs de sÃntese, a ser utilizado para aumentar a eficiÃncia de geraÃÃo de energia. Os resultados obtidos com a rota R1C1 revelaram uma avaliaÃÃo tÃcnica positiva, com rendimentos em torno de 80%, mas o aspecto ambiental desfavorÃvel, associada a uma pequena geraÃÃo adicional de energia (3,8%). A rota R2C1 apresentou rendimentos de processo insatisfatÃrios (em torno de 64%) e uma avaliaÃÃo ambiental desfavorÃvel. A rota R2C2 apresentou rendimentos satisfatÃrios (em torno de 76%), nenhuma emissÃo de CO2 alÃm da geraÃÃo de um subproduto de grande interesse comercial, o carbono. A avaliaÃÃo econÃmica preliminar realizada para essa rota foi feita levando-se em conta trÃs diferentes cenÃrios: reciclagem ou nÃo dos efluentes do reator UASB para o cultivo de microalgas (dois primeiros cenÃrios) e acrÃscimo de crÃditos de carbono à receita proveniente da venda dos produtos (terceiro cenÃrio). Os dois primeiros cenÃrios mostraram-se economicamente desfavorÃveis, porÃm o terceiro cenÃrio demonstrou a possibilidade de viabilidade econÃmica do processo, com um tempo de retorno do capital investido em torno de cinco anos. Pode-se concluir do trabalho realizado que a produÃÃo de biohidrogÃnio a partir de fontes renovÃveis, segundo a rota R2C2 proposta, pode ser viabilizada pela utilizaÃÃo das microalgas como mecanismo de biofixaÃÃo das emissÃes de CO2 de termoelÃtricas. Finalmente pode-se constatar que o Nordeste brasileiro dispÃe de condiÃÃes climÃticas adequadas para a implantaÃÃo desse tipo de tecnologia. / CO2 emissions released into the atmosphere by anthropogenic activity are considered the largest causative agent of climate change. Worldwide, power plants are the largest stationary sources of CO2 emissions. According to some forecasts, by 2100, the climatic effects can become irreversible with disastrous consequences for all ecosystems on the planet. Thus, it is essential to research ways of fixing CO2 by capture and storage through natural carbon recycling processes. The integration of CO2 emitting processes and processes using CO2 as a feedstock can be implemented within the principle of Industrial Ecology. According to this concept, the residue of an industry is used as raw material to another unit, so that the environmental impact of the expanded system is minimized. The aim of this study was to conduct a technical and economic evaluation of the potential for technological pathways for recycling CO2 in natural gas fired power plants by microalgae fixation. For this purpose, two routes of CO2 were analyzed each one in two different scenarios (R1C1 , R1C2 , R2C1 and R2C2). The first route is related to the context of power generation by NGCC technology or chemical production, while the second route aims at the production of bio-hydrogen. The evaluation was carried out by computer simulation using the chemical plants simulator AspenHysys. Route R1C1, studied the direct use of natural gas for the production of synthesis gas by steam reforming process. Route R1C2 analyzed the contribution of algal biomass through gasification process for generating synthesis gas to be used to increase the efficiency of power generation. The results obtained with the route R1C1 showed a positive technical evaluation, with yields around 80 %, but the unfavorable environmental aspect associated and a small additional power generation (3.8 %). The route presented R2C1 showed unsatisfactory yields (around 64 %) and an unfavorable environmental assessment . The route R2C2 showed satisfactory yields ( around 76 %), no CO2 emissions as well as generating a byproduct of great commercial interest, carbon. The prelimiar economic evaluation performed for this route was made taking into account three different scenarios: no recycling of UASB reactor effluents for the microalgae cultivation and the addition of carbon credits to revenue from the sale of products. The first two scenarios were shown to be economically unfavorable, but the third scenario showed the possibility of economic viability of the process, with a time of return to capital invested in around five years. It can be concluded that the process of biohydrogen production from renewable sources, according to the proposed route R2C2, by the use of microalgae as a mechanism biofixaÃÃo CO2 emissions from gas-fired power plants may be technically and economically possible. Finally it can be seen that the Brazilian Northeast has suitable climatic conditions for the deployment of such technology.

Submitted by Marilene Donadel (marilene.donadel@unioeste.br) on 2018-10-04T18:06:39Z No. of bitstreams: 1 Mabel_Arantes_2018.pdf: 2059864 bytes, checksum: 831822ad4d3c7ce18c2fda6d1319af80 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-04T18:06:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mabel_Arantes_2018.pdf: 2059864 bytes, checksum: 831822ad4d3c7ce18c2fda6d1319af80 (MD5) Previous issue date: 2018-09-06 / The biological production of hydrogen (bioH2) through anaerobic fermentation of residual carbon sources is an interesting way to combine the environmental adequation of agro-industrial wastewaters to the generation of value-added products. Wastewaters with fermentable carbon sources have high potential to produce bioH2, being possible using different inoculum and biological reactors. It is the case found in brewery wastewater, generated in large amount at Brazil and around the world, and there are only few studies about it. In this context, this work studied the production of bioH2 by an anaerobic reactor operated in sequencing batch with immobilized biomass, AnSBBR, from brewery wastewater, using two inocula: mixed culture from the natural fermentation of synthetic wastewater based on sucrose and pure culture of Klebsiella pneumoniae, immobilized in expanded clay. Were evaluated the effects of influent concentration (2,8 a 7,2 gTRS L-1), volumetric organic load (2,6 a 12,6 gTRS (L day)-1) and cycle time (12 h e 24 h), in assays taking from 9 to 16 cycles. The inocula gotten through natural fermentation showed potential to produce bioH2 in preliminary experiments (shaken bottles, 0,5 L) but, in the tests on the reactor the production was low, instable and brief (less than 7 days). The pure inocula K. pneumoniae showed a good adaptability to the residue, in activity through the whole experiment. The raise in the volumetric organic load (VOLc) up to 12,6 gTRS (L day)-1 and the reduction of the cycle from 24 h to 12 h had a positive effect in the production and, under those conditions, the best values for the evaluation parameters ahead were obtained: volumetric productivity average of 0,9 LH2 (L day)-1, molar flow rate up to 10,8 mmolH2 h-1, molar yield average de 3,9 molH2 KgTRS-1, with H2 content in biogas between 18 and 42% and TRS and COD removal efficiency of 89% and 23%, respectively, with a predominance of acetic and butyric pathways. Those results indicate a promising production of H2 from brewery wastewater using K. pneumoniae as inocula in AnSBBR reactor, contributing to the development of the bioH2 technology by the proposal of a new inocula to achieve a higher use of this wastewater potential. / A produção biológica de hidrogênio (bioH2) por meio de fermentação anaeróbia de fontes de carbono residuais é uma forma interessante de aliar a adequação ambiental de efluentes agroindustriais à geração de produto de valor agregado. Águas residuárias que possuam fontes de carbono fermentescíveis apresentam alto potencial para a produção de bioH2, o que é possível com diferentes inóculos e reatores biológicos. É o caso da água residuária de cervejaria, gerada em grandes quantidades no Brasil e no mundo e para a qual poucos estudos foram realizados até o momento. Neste contexto, o presente trabalho avaliou a produção de biohidrogênio em reator anaeróbio operado em bateladas sequenciais com biomassa imobilizada, AnSBBR, a partir de água residuária de cervejaria, empregando dois inóculos: cultura mista proveniente da fermentação natural de meio sintético à base de sacarose e cultura pura de Klebsiella pneumoniae, suportados em argila expandida. Foram avaliados os efeitos da concentração afluente (2,8 a 7,2 gART L-1), da carga orgânica volumétrica aplicada (2,6 a 12,6 gART (L dia)-1) e do tempo de ciclo (12 h e 24 h) em ensaios com duração entre 9 e 16 ciclos. O inóculo obtido por fermentação natural apresentou potencial para produção de bioH2 em ensaios preliminares (frascos agitados, 0,5 L) mas na avaliação em reator a produção foi baixa, instável e breve (período inferior a 7 dias). Já o inóculo puro, K. pneumoniae apresentou boa adaptação ao resíduo e atividade durante todo o período avaliado. O aumento da carga orgânica volumétrica aplicada (COVc) até 12,6 gART (L dia)-1 e a redução do tempo ciclo de 24 h para 12 h tiveram um efeito positivo sobre a produção e nestas condições foram obtidos os melhores valores para os parâmetros de avaliação: produtividade volumétrica de H2 média de 0,9 LH2 (L dia)-1, vazão molar de H2 máxima de 10,8 mmolH2 h-1, rendimento de H2 médio de 3,9 molH2 KgART-1, com teor de H2 no biogás entre 18 e 42% e eficiência média de remoção de ART e de DQO de 89% e 23%, respectivamente, com predomínio das rotas metabólicas acética e butírica. Estes resultados indicam uma produção promissora de H2 a partir de água residuária de cervejaria empregando K. pneumoniae como inóculo em reator AnSBBR, contribuindo para o desenvolvimento da tecnologia do bioH2 ao propor um novo inóculo para o aproveitamento do potencial de uso desta água residuária.

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.